無論是天然纖維還是化學(xué)纖維都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，隨著經(jīng)濟(jì)與科技的發(fā)展，生活水平的日益提高，單一種類的纖維和紗線已經(jīng)難以滿足人們對(duì)服裝服飾的要求，因此復(fù)合紗線應(yīng)運(yùn)而生。復(fù)合紡紗技術(shù)可以集幾種纖維的優(yōu)勢(shì)于一體，揚(yáng)長(zhǎng)避短，促進(jìn)了紡紗技術(shù)水平以及紗線結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和多元性的發(fā)展，使紗線和織物的風(fēng)格有了全新的改變。

    長(zhǎng)/短纖維復(fù)合紡紗已經(jīng)有許多科技工作者進(jìn)行研究，但大都采用包芯紗或是包纏紡紗的方式，在長(zhǎng)期的生產(chǎn)應(yīng)用中，越來越多的科研人員發(fā)現(xiàn)了這2種復(fù)合紗線的不足，因此，對(duì)于復(fù)合紡紗的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)方法還需要進(jìn)一步研究和探討，且應(yīng)用創(chuàng)新性思維開發(fā)設(shè)計(jì)的紗線結(jié)構(gòu)更能強(qiáng)化不同纖維之間性能的互補(bǔ)，滿足人們對(duì)紡織品高感性、功能性日益增長(zhǎng)的要求。

    TRIZ理論屬于創(chuàng)新性思維開發(fā)理論的一種，其在指導(dǎo)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)與科研過程當(dāng)中，起到了較好的效果。因此，本文對(duì)設(shè)計(jì)的新型結(jié)構(gòu)復(fù)合紗線進(jìn)行了TRIZ理論的分析，找出物理矛盾，并分別解決具有新型結(jié)構(gòu)復(fù)合紗線的設(shè)計(jì)和制作問題。

1 TRIZ指導(dǎo)復(fù)合紗線的設(shè)計(jì)與制作

    1.1 問題的提出和分析

    目前常用的復(fù)合紗線為包芯紗或是包纏紡紗（見圖1）的方式，然而在應(yīng)用過程中，它們均存在結(jié)構(gòu)上和服用性能方面的缺陷。

圖1 包纏紗和包芯紗

    由于加捻過程中的纖維內(nèi)外轉(zhuǎn)移運(yùn)動(dòng)，包芯紡紗中若要形成理想的包芯結(jié)構(gòu)，需要如下假設(shè)存在：1)長(zhǎng)絲從須條中間喂人；2)長(zhǎng)絲所受的張力足夠大；3)長(zhǎng)絲為一個(gè)剛形體，但在實(shí)際紡紗過程中，芯絲對(duì)纖維在加捻三角區(qū)中的轉(zhuǎn)移具有一定的阻礙作用，使棉纖維在紗線中反復(fù)轉(zhuǎn)移的程度和數(shù)量下降，三角區(qū)的纖維內(nèi)外轉(zhuǎn)移數(shù)量，長(zhǎng)絲和短纖維須條在細(xì)紗機(jī)前鉗口處的相對(duì)位置等都會(huì)影響到其包覆效果。因?yàn)?種成分的差異，纖維糾纏的緊密度受到限制，不同種類的纖維之間在紗線內(nèi)部各自集中分布，它們之間存在著明顯的“界面”（2種纖維的分層處），很容易造成纖維滑脫，紗線耐磨性差，織物使用過程中易起毛起球等一系列的問題。

    包纏紡紗雖然在一定程度上解決了纖維滑脫的問題，但是紗線結(jié)構(gòu)依然不盡理想，仍存在短纖維和長(zhǎng)絲纏繞不緊密的問題，同時(shí)長(zhǎng)絲包纏在外引起紗線的服用性能相對(duì)較差，因此，對(duì)于復(fù)合紡紗的原理和方法還需要進(jìn)一步研究和探討。

    根據(jù)包纏紗和包芯紗的結(jié)構(gòu)和成紗機(jī)制，可以通過增加纖維總量，或者增加紗線捻度來提高紗線性能。但纖維總量的增加必然會(huì)導(dǎo)致紗線的線密度增大而使得紗線變粗，而捻度的提高又會(huì)改變紗線的風(fēng)格，且紗線手感變硬反而在一定程度上降低了紗線的服用性能。九屏幕法是TRIZ理論重要的系統(tǒng)思維方法，而新型復(fù)合紗線的設(shè)計(jì)思路可以用九屏幕法（見圖2）來分析。從當(dāng)前系統(tǒng)的子系統(tǒng)和超系統(tǒng)中尋找紗線設(shè)計(jì)渠道。首先在子系統(tǒng)（紗線的組分）中，可以選擇新型功能性纖維，給予紗線特殊的功能和結(jié)構(gòu)；其次在超系統(tǒng)（成紗工藝）中，選擇新型的成紗工藝給予紗線新的結(jié)構(gòu)，在環(huán)錠細(xì)紗機(jī)上改變長(zhǎng)絲的排列方式和導(dǎo)入方式制作復(fù)合紗線，避免單純的纖維總量和捻度增加帶來的弊端。

圖2 新型結(jié)構(gòu)復(fù)合紗線的九屏幕法分析

    1.2 應(yīng)用TRIZ理論設(shè)計(jì)新型結(jié)構(gòu)紗線

    1.2.1 TRIZ技術(shù)矛盾解決原理的選擇

    本文的目的在于設(shè)計(jì)出一種新型結(jié)構(gòu)的復(fù)合紗線，該新型結(jié)構(gòu)能夠彌補(bǔ)包芯紗和包纏紗的不足，而賦予復(fù)合紗線較好的綜合性能。根據(jù)TRIZ技術(shù)矛盾解決原理，將存在于復(fù)合紗線設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中的各種矛盾的技術(shù)參數(shù)列在表1中。

表1 復(fù)合紗線設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中的矛盾矩陣表

    1.2.2 新型結(jié)構(gòu)復(fù)合紗線的設(shè)計(jì)

    在TRIZ發(fā)明原理1（分割）和原理17（維數(shù)改變）的啟發(fā)下，可以創(chuàng)新性地將包芯紗和包纏紗中整體的長(zhǎng)絲復(fù)絲分割成幾個(gè)部分，使單根長(zhǎng)絲之間在未加捻須條中是相互獨(dú)立的。經(jīng)加捻后，形成空間螺旋結(jié)構(gòu)，從而改變?cè)瓉韽?fù)絲中單絲的簡(jiǎn)單二維關(guān)系，增加了單絲在紗線內(nèi)部的維數(shù)。

    實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的復(fù)合紗線是采用3根滌綸單絲（13.33 dtex/1F，江蘇儀征至和化纖有限公司）與棉短纖維(粗紗定量5g/(10m)，重慶三峽技術(shù)紡織有限公司）進(jìn)行復(fù)合紡，紗線規(guī)格是(JC40S+3×13.33) dtex，900捻/m，Z捻。紡紗過程中，在改造的環(huán)錠細(xì)紗機(jī)上，從粗紗管上退繞下來的短纖維粗紗繞過導(dǎo)紗桿經(jīng)導(dǎo)紗喇叭進(jìn)入牽伸區(qū)。3根滌綸單絲分別由導(dǎo)絲輪引導(dǎo)從前羅拉后端等間距平行的喂入前鉗口與須條匯合（如圖3所示），這也是所研究的復(fù)合紗線的特殊之處。

圖3 單絲在須條和加捻三角區(qū)中的分布

    根據(jù)這個(gè)發(fā)明原理形成的設(shè)計(jì)思路，應(yīng)用Smart Draw軟件繪制新型結(jié)構(gòu)復(fù)合紗線的理想結(jié)構(gòu)模型，如圖4所示。從橫截面看，3根單絲相互獨(dú)立并以三角形形狀分布在細(xì)紗內(nèi)部；從縱向看，單絲立體螺旋分布在紗線內(nèi)部，與單絲所處位置的內(nèi)外棉纖維相互糾纏，二者聯(lián)系緊密，長(zhǎng)絲成為紗線的主干，顯著提高單紗強(qiáng)力，整體上3根單絲就像是以螺旋立體結(jié)構(gòu)嵌入到單紗中。

    1.3 應(yīng)用TRIZ制作新型結(jié)構(gòu)復(fù)合紗線

    上述新型結(jié)構(gòu)復(fù)合紗線的制作需要在普通環(huán)錠紡細(xì)紗機(jī)上進(jìn)行適當(dāng)改造。

    本文在實(shí)驗(yàn)初期階段應(yīng)用TRIZ發(fā)明原理1（分割）、27（廉價(jià)替代品）和31（多孔材料）作為導(dǎo)絲機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新源頭。為了使3根單絲相互獨(dú)立地進(jìn)入須條，導(dǎo)入機(jī)構(gòu)需要將3根單絲獨(dú)立地導(dǎo)入，因此應(yīng)用多孔材料作為導(dǎo)人機(jī)構(gòu)，讓單絲從多孔材料的孔中穿行。在TRIZ原理27指引下，利用九屏幕法分析細(xì)紗機(jī)的超系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室找到了廉價(jià)替代品：縫紉針。縫紉針自帶針孔，且針孔的大小合適，最后利用強(qiáng)力膠將3根縫紉針并排粘連在一起，固定在鋼絲上，鋼絲可以自由附在搖架的任何位置。

圖4 新型結(jié)構(gòu)復(fù)合紗線的理想結(jié)構(gòu)

    第1次設(shè)計(jì)的導(dǎo)入機(jī)構(gòu)在初始紡紗的過程中，效果較好，但是由于棉短纖維總是在空氣中漂浮，停留在單絲和導(dǎo)入機(jī)構(gòu)的表面，且隨著紡紗過程的持續(xù)進(jìn)行，針孔便很快被由長(zhǎng)絲帶入和由漂浮帶來的棉短纖維堵塞，增大單絲導(dǎo)入前進(jìn)的阻力，單絲張力過大，導(dǎo)致單絲的斷裂和紡紗過程的終止。

    經(jīng)過系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)這種情況主要是因?yàn)閷?dǎo)入機(jī)構(gòu)的孔太小，容易被堵塞，高速運(yùn)動(dòng)的單絲長(zhǎng)期摩擦針孔對(duì)針孔的使用壽命有很大的影響，所以增大孔眼有利于導(dǎo)入機(jī)構(gòu)的應(yīng)用，優(yōu)化其被堵塞的特點(diǎn)。但是面積增大將使導(dǎo)入機(jī)構(gòu)整個(gè)體積增大，且增大單絲之間的距離，影響紗線最終結(jié)構(gòu)，且針孔面積的增大有嚴(yán)格的限度，依靠增大針孔面積并不是有效的方法。本文再次利用TRIZ矛盾矩陣（見表2）尋找解決方法。

表2 針孔在使用過程中的矛盾矩陣表

    應(yīng)用TRIZ發(fā)明原理15（動(dòng)態(tài)化）來改善導(dǎo)人機(jī)構(gòu)，將靜止的針孔導(dǎo)絲裝置換成可以在單絲的摩擦力作用下一起運(yùn)動(dòng)的金屬導(dǎo)輪，且該導(dǎo)輪中的3個(gè)導(dǎo)絲槽以1mm間距均勻分布，在紡絲過程中，導(dǎo)輪的線速度相對(duì)于單絲為零（如圖5所示）。

圖5 單絲繞導(dǎo)輪一路徑及單絲和導(dǎo)輪的位置

    由于導(dǎo)輪與單絲一起運(yùn)動(dòng)，有效地避免了單絲對(duì)導(dǎo)輪的高強(qiáng)度摩擦對(duì)導(dǎo)入機(jī)構(gòu)的損害，同時(shí)杜絕了棉短纖維對(duì)孔的堵塞，使單絲能夠以穩(wěn)定的張力運(yùn)動(dòng)至須條中，大大提高了生產(chǎn)效率。

2 新型結(jié)構(gòu)復(fù)合紗線的結(jié)構(gòu)和性能

    2.1 紗線的結(jié)構(gòu)

    用顯微鏡觀察紗線結(jié)構(gòu)時(shí)，因?yàn)闇炀]單絲和棉短纖維在外觀顏色上非常接近，視野中不易清晰地分辨出2種纖維，所以采用TRIZ發(fā)明理論32（改變顏色）來制作顯微鏡紗線標(biāo)本。

    制作復(fù)合紗線切片，通過實(shí)驗(yàn)室光學(xué)顯微鏡放大50倍觀察得到紗線的橫截面結(jié)構(gòu)，如圖6(a)所示。其中，紗線內(nèi)部直徑較大的3處為滌綸單絲切面，其周圍顏色相近的腰圓形的是棉纖維切面，而其他紅色的為顏色對(duì)比纖維切面。

    采用示蹤纖維法研究紗線的縱向結(jié)構(gòu)，結(jié)果見圖6(b)。將理想結(jié)構(gòu)（見圖4）和光學(xué)顯微鏡觀察得到的紗線橫縱向結(jié)構(gòu)（見圖6）進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)在TRIZ理論指導(dǎo)下生產(chǎn)的新型結(jié)構(gòu)復(fù)合紗線結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)的理想紗線立體結(jié)構(gòu)具有相似性，即在橫截面內(nèi)，3根滌綸單絲形成三角形分布在紗線內(nèi)部；在紗線的縱向，3根單絲之間、單絲與棉纖維以及棉纖維與棉纖維內(nèi)外轉(zhuǎn)移，相互交纏在一起，且單絲基本處于紗線內(nèi)部成螺旋狀，外層覆蓋棉纖維。

圖6 新型復(fù)合紗線結(jié)構(gòu)圖

    2.2 紗線的性能

    對(duì)紗線的拉伸性能和毛羽性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表3所示。所有紗線均采用相同的材料，按照相同的紡紗工藝紡制而成。采用YG020B型電子單紗強(qiáng)力儀進(jìn)行拉伸測(cè)試（測(cè)試參數(shù)：500mm，500mm/min，60組）；毛羽測(cè)試采用YG171B-2型紗線毛羽測(cè)試儀（測(cè)試參數(shù)：10m，30m/min，30組）。由表3可以看出，新型紗的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率明顯高于其他紗線。這是因?yàn)閱谓z在紗線內(nèi)部的螺旋纏繞，使得長(zhǎng)絲和棉纖維緊密連接，且纖維的纏繞螺旋及單絲本身不容易釋放自身的應(yīng)力，所以新型結(jié)構(gòu)復(fù)合紗線具有優(yōu)異的拉伸性能。新型紗毛羽性能低于包纏紗，卻明顯高于包芯紗和普通棉紗，因?yàn)榘�纏紗中的復(fù)絲直接包纏在棉纖維的表面，而新型紗的3根單絲的螺旋結(jié)構(gòu)處于紗體的內(nèi)部，仍有部分棉短纖維在紗體表面，所以新型紗仍存在一定量的毛羽。同時(shí)特殊的空間立體結(jié)構(gòu)也給予該新型結(jié)構(gòu)復(fù)合紗線較佳的耐磨性能。因而新型長(zhǎng)絲短纖維復(fù)合紗線有廣泛的應(yīng)用前景，且以特定的喂人機(jī)構(gòu)引入3根單絲的復(fù)合紡紗技術(shù)應(yīng)用也為新型紗線生產(chǎn)技術(shù)增加了新的成員。

表3 紗線的拉伸性能和毛羽性能

3 結(jié)論

    TRIZ理論是解決復(fù)合紗線缺陷的有效方法，并能夠提高使用者的創(chuàng)新能力。復(fù)合紗線的研發(fā)符合TRIZ九屏幕分析方法。本文設(shè)計(jì)的新型結(jié)構(gòu)復(fù)合紗線在TRIZ理論指導(dǎo)下，通過將實(shí)際問題轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的問題模型，然后利用最優(yōu)的TRIZ技術(shù)發(fā)明原理，找到切合實(shí)際的方法來解決當(dāng)前紗線設(shè)計(jì)和制作問題。這種方法不僅節(jié)約了時(shí)間，而且提高了解決問題的效率。實(shí)驗(yàn)最終表明所設(shè)計(jì)的3根滌綸單絲在紗線內(nèi)部螺旋狀的三維立體結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特的新穎性，且與傳統(tǒng)的包芯紗和包纏紗對(duì)比，新型結(jié)構(gòu)復(fù)合紗線具有優(yōu)異的斷裂強(qiáng)力和耐磨性能，在毛羽性能上也有明顯的改善。

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