無論是天然纖維還是化學纖維都有各自的優缺點，隨著經濟與科技的發展，生活水平的日益提高，單一種類的纖維和紗線已經難以滿足人們對服裝服飾的要求，因此復合紗線應運而生。復合紡紗技術可以集幾種纖維的優勢于一體，揚長避短，促進了紡紗技術水平以及紗線結構復雜性和多元性的發展，使紗線和織物的風格有了全新的改變。
長/短纖維復合紡紗已經有許多科技工作者進行研究，但大都采用包芯紗或是包纏紡紗的方式，在長期的生產應用中，越來越多的科研人員發現了這2種復合紗線的不足，因此，對于復合紡紗的設計和生產方法還需要進一步研究和探討，且應用創新性思維開發設計的紗線結構更能強化不同纖維之間性能的互補，滿足人們對紡織品高感性、功能性日益增長的要求。
TRIZ理論屬于創新性思維開發理論的一種，其在指導創新實驗與科研過程當中，起到了較好的效果。因此，本文對設計的新型結構復合紗線進行了TRIZ理論的分析，找出物理矛盾，并分別解決具有新型結構復合紗線的設計和制作問題。
1 TRIZ指導復合紗線的設計與制作
1.1 問題的提出和分析
目前常用的復合紗線為包芯紗或是包纏紡紗（見圖1）的方式，然而在應用過程中，它們均存在結構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外轉移運動，包芯紡紗中若要形成理想的包芯結構，需要如下假設存在：1)長絲從須條中間喂人；2)長絲所受的張力足夠大；3)長絲為一個剛形體，但在實際紡紗過程中，芯絲對纖維在加捻三角區中的轉移具有一定的阻礙作用，使棉纖維在紗線中反復轉移的程度和數量下降，三角區的纖維內外轉移數量，長絲和短纖維須條在細紗機前鉗口處的相對位置等都會影響到其包覆效果。因為2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，但是紗線結構依然不盡理想，仍存在短纖維和長絲纏繞不緊密的問題，同時長絲包纏在外引起紗線的服用性能相對較差，因此，對于復合紡紗的原理和方法還需要進一步研究和探討。
根據包纏紗和包芯紗的結構和成紗機制，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導致紗線的線密度增大而使得紗線變粗，而捻度的提高又會改變紗線的風格，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理論重要的系統思維方法，而新型復合紗線的設計思路可以用九屏幕法（見圖2）來分析。從當前系統的子系統和超系統中尋找紗線設計渠道。首先在子系統（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構；其次在超系統（成紗工藝）中，選擇新型的成紗工藝給予紗線新的結構，在環錠細紗機上改變長絲的排列方式和導入方式制作復合紗線，避免單純的纖維總量和捻度增加帶來的弊端。
圖2 新型結構復合紗線的九屏幕法分析
1.2 應用TRIZ理論設計新型結構紗線
1.2.1 TRIZ技術矛盾解決原理的選擇
本文的目的在于設計出一種新型結構的復合紗線，該新型結構能夠彌補包芯紗和包纏紗的不足，而賦予復合紗線較好的綜合性能。根據TRIZ技術矛盾解決原理，將存在于復合紗線設計和生產過程中的各種矛盾的技術參數列在表1中。
表1 復合紗線設計和生產過程中的矛盾矩陣表
1.2.2 新型結構復合紗線的設計
在TRIZ發明原理1（分割）和原理17（維數改變）的啟發下，可以創新性地將包芯紗和包纏紗中整體的長絲復絲分割成幾個部分，使單根長絲之間在未加捻須條中是相互獨立的。經加捻后，形成空間螺旋結構，從而改變原來復絲中單絲的簡單二維關系，增加了單絲在紗線內部的維數。
實驗所設計的復合紗線是采用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)，重慶三峽技術紡織有限公司）進行復合紡，紗線規格是(JC40S+3×13.33) dtex，900捻/m，Z捻。紡紗過程中，在改造的環錠細紗機上，從粗紗管上退繞下來的短纖維粗紗繞過導紗桿經導紗喇叭進入牽伸區。3根滌綸單絲分別由導絲輪引導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），這也是所研究的復合紗線的特殊之處。
圖3 單絲在須條和加捻三角區中的分布
根據這個發明原理形成的設計思路，應用Smart Draw軟件繪制新型結構復合紗線的理想結構模型，如圖4所示。從橫截面看，3根單絲相互獨立并以三角形形狀分布在細紗內部；從縱向看，單絲立體螺旋分布在紗線內部，與單絲所處位置的內外棉纖維相互糾纏，二者聯系緊密，長絲成為紗線的主干，顯著提高單紗強力，整體上3根單絲就像是以螺旋立體結構嵌入到單紗中。
1.3 應用TRIZ制作新型結構復合紗線
上述新型結構復合紗線的制作需要在普通環錠紡細紗機上進行適當改造。
本文在實驗初期階段應用TRIZ發明原理1（分割）、27（廉價替代品）和31（多孔材料）作為導絲機構的創新源頭。為了使3根單絲相互獨立地進入須條，導入機構需要將3根單絲獨立地導入，因此應用多孔材料作為導人機構，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紗機的超系統，在實驗室找到了廉價替代品：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 新型結構復合紗線的理想結構
第1次設計的導入機構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，停留在單絲和導入機構的表面，且隨著紡紗過程的持續進行，針孔便很快被由長絲帶入和由漂浮帶來的棉短纖維堵塞，增大單絲導入前進的阻力，單絲張力過大，導致單絲的斷裂和紡紗過程的終止。
經過系統分析發現，出現這種情況主要是因為導入機構的孔太小，容易被堵塞，高速運動的單絲長期摩擦針孔對針孔的使用壽命有很大的影響，所以增大孔眼有利于導入機構的應用，優化其被堵塞的特點。但是面積增大將使導入機構整個體積增大，且增大單絲之間的距離，影響紗線最終結構，且針孔面積的增大有嚴格的限度，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
應用TRIZ發明原理15（動態化）來改善導人機構，將靜止的針孔導絲裝置換成可以在單絲的摩擦力作用下一起運動的金屬導輪，且該導輪中的3個導絲槽以1mm間距均勻分布，在紡絲過程中，導輪的線速度相對于單絲為零（如圖5所示）。
圖5 單絲繞導輪一路徑及單絲和導輪的位置
由于導輪與單絲一起運動，有效地避免了單絲對導輪的高強度摩擦對導入機構的損害，同時杜絕了棉短纖維對孔的堵塞，使單絲能夠以穩定的張力運動至須條中，大大提高了生產效率。
2 新型結構復合紗線的結構和性能
2.1 紗線的結構
用顯微鏡觀察紗線結構時，因為滌綸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發明理論32（改變顏色）來制作顯微鏡紗線標本。
制作復合紗線切片，通過實驗室光學顯微鏡放大50倍觀察得到紗線的橫截面結構，如圖6(a)所示。其中，紗線內部直徑較大的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比纖維切面。
采用示蹤纖維法研究紗線的縱向結構，結果見圖6(b)。將理想結構（見圖4）和光學顯微鏡觀察得到的紗線橫縱向結構（見圖6）進行對比，可以發現在TRIZ理論指導下生產的新型結構復合紗線結構與設計的理想紗線立體結構具有相似性，即在橫截面內，3根滌綸單絲形成三角形分布在紗線內部；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外轉移，相互交纏在一起，且單絲基本處于紗線內部成螺旋狀，外層覆蓋棉纖維。
圖6 新型復合紗線結構圖
2.2 紗線的性能
對紗線的拉伸性能和毛羽性能進行測試，結果如表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型電子單紗強力儀進行拉伸測試（測試參數：500mm，500mm/min，60組）；毛羽測試采用YG171B-2型紗線毛羽測試儀（測試參數：10m，30m/min，30組）。由表3可以看出，新型紗的斷裂強度和斷裂伸長率明顯高于其他紗線。這是因為單絲在紗線內部的螺旋纏繞，使得長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力，所以新型結構復合紗線具有優異的拉伸性能。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，因為包纏紗中的復絲直接包纏在棉纖維的表面，而新型紗的3根單絲的螺旋結構處于紗體的內部，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。同時特殊的空間立體結構也給予該新型結構復合紗線較佳的耐磨性能。因而新型長絲短纖維復合紗線有廣泛的應用前景，且以特定的喂人機構引入3根單絲的復合紡紗技術應用也為新型紗線生產技術增加了新的成員。
表3 紗線的拉伸性能和毛羽性能
3 結論
TRIZ理論是解決復合紗線缺陷的有效方法，并能夠提高使用者的創新能力。復合紗線的研發符合TRIZ九屏幕分析方法。本文設計的新型結構復合紗線在TRIZ理論指導下，通過將實際問題轉化成相應的問題模型，然后利用最優的TRIZ技術發明原理，找到切合實際的方法來解決當前紗線設計和制作問題。這種方法不僅節約了時間，而且提高了解決問題的效率。實驗最終表明所設計的3根滌綸單絲在紗線內部螺旋狀的三維立體結構具有獨特的新穎性，且與傳統的包芯紗和包纏紗對比，新型結構復合紗線具有優異的斷裂強力和耐磨性能，在毛羽性能上也有明顯的改善。
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