Производство пряжи: от древних нитей к современным инновациям

Основы

Пряжа образуется скручиванием нескольких пряди волокон. Каждая прядь сама состоит из коротких волокон, пряденных в длинные нити. Длинные непрерывные нити могут просто дополнительно скручиваться или проходит тектурирование для изменения свойств.

Степень скрутки при прядении определяет характер пряжи: высокое скручивание дает прочность; умеренное — мягкость и глянец; экстремально сильное — креп-пряжу. Пряжу также классифицируют по конструкции: одни пряди, сложенные (две и более одиночных, скрученных вместе) и канатные (скручивание двух и более сложенных).

В 1995 году США произвели почти 8 млрд фунтов (3,6 млрд кг) прядной пряжи, 40 % — в Северной Каролине. Более половины — хлопок; текстурированная, крейповая или пухловатая пряжа — около половины объема. Текстурированная увеличивает объем физическими, химическими или термическими методами; крейповая использует термопластичные волокна с деформированной формой; пухловатая — из изначально объемных волокон, которые не могут быть плотно упакованы.

Пряжа — основа текстильного производства, снабжает ткачество, вязание и валение. В 1995 г. США произвели 4 млрд фунтов (1,8 млрд кг) ткацкой пряжи, 3 млрд фунтов (1,4 млрд кг) для машиностроительного вязания и 1 млрд фунтов (450 млн кг) ковровой и ковровой пряжи. Отрасль нанимает 600 000+ работников, потребляет ~16 млрд фунтов (7 млрд кг) волокна в год и принесла $2,1 млрд прибыли в 1996 г. Экспорт — 11 %+ продаж (~$7 млрд), одежная индустрия — еще 1 млн рабочих мест.

История

Натуральные волокна — хлопок, лен, шелк, шерсть — веками были основой текстиля. Старейшие фрагменты пряжи и ткани — пучки льняных волокон и холщовое полотно — датируются ~7000 лет назад, найдены у Робенхаузена (Швейцария).

Хлопковое земледелие и текстиль — минимум 7000 лет. Хлопковая ткань в Египте — 12 000 г. до н. э., Мексика (3500 г. до н. э.), Индия (3000 г. до н. э.), Перу (2500 г. до н. э.), юго-запад США (500 г. до н. э.). В Европе хлопок стал коммерчески важен только после колонизации Нового Света. Шелк — монополия Китая с 2600 г. до н. э., до VI века, когда Византия начала разведение шелкопрядов.

Синтетические волокна появились позже: вискоза (из хлопка или древесины) — 1891 г., коммерчески с 1911 г.; нейлон, затем полиэстеры — снизили спрос на натуральное сырье и расширили применение.

До XIV века пряжу прядь вручную на веретене с вертушкой — конусообразная палка с грузилом для поддержания вращения. Волокна тянули из расчесанного пучка, привязанного к прялке. В XII–XIII веках в Индии (500–1000 н. э.) появилось прядильное колесо, позже в Европе — с ручным приводом, летунком для скрутки и навивной шпулькой. Саксонское колесо (~150 лет позже) добавило педаль, освободив обе руки.

XVIII век принес прорывы: летающий челнок Джона Кея (1733), пряденая машинка Аркрайта (1766), мольбленая машина Самуэля Кромптона (1776). В 1828 г. Джон Торп изобрел кольцевую раму — до сих пор основа, сотни шпинделей в металлическом кольце. Открытая система теперь прядет многие натуральные волокна, втягивая их воздухом в быстро вращающуюся чашу перед экструзией.

Сырье

Пряжу производят из ~15 типов волокон, разделенных на натуральные и синтетические. Натуральные (растительные или животные) доминируют в ткачестве. Хлопок — с зрелых семенных капсул — бестселлер в Америке, обгоняет все синтетические вместе взятые. Растительные: ацетат (древесная целлюлоза или хлопковый пух), лен (лен). Животные: шерсть (овцы), мохер (ангорские козы), шелк — непрерывные нити от шелкопряда.

Синтетические создаются экструзией полимерного раствора через филиры и упрочнением филамента. Примеры: акрил, нейлон, полиэстер, полиолефин, вискоза, спандекс, триацетат. Многие имитируют свойства натуральных без усадки, другие дают уникальные функции — спандекс растягивается на 500 % без разрыва.

Волокна приходят в баллах, раскрывают вручную или машиной. Пикер разделяет и очищает, затем кардочесание выстраивает их в слегка параллельную паутину. Воронкообразный прибор превращает паутину в верёвообразную прядь. Вальцы вытягивают прядь — теперь это сльайвер — в равномерную нить, дают легкое скручивание и скармливают в большие банки.

Процесс производства

Существует три основных метода прядения: хлопковый, ворстед (длинноволокнистый) и шерстяной. Синтетические стаплевые волокна можно прядь любым. Хлопковый метод дает наибольший объем — описываем его подробно.

Подготовка волокон

• Волокна в баллах раскрывают вручную или машиной. Натуральные могут требовать очистки; синтетические — только разделения. Пикер разрыхляет, разделяет, очищает. Смешивание разных стаплевых волокон для специфических задач может выполняться при формировании ленты, кардочесании или вытяжении. Дозы строго выверены для постоянства пропорций.

Кардочесание

• Кардочесательная машина с тонкими иглами разделяет волокна и выстраивает в рыхлую параллельную паутину. Паутина проходит через воронку, образуя верёвообразную прядь. Смешивание возможно соединением лент разных волокон.

Чесание

• Для более гладкой тонкой пряжи волокна параллелят дальше. Гребенчатый прибор выстраивает волокна параллельно, короткие выпадают из прядь.

Вытяжение

• После кардочесания или чесания волоконная масса — сльайвер. Несколько сльайверов могут объединяться перед этим этапом. Вальцы с разной скоростью вытягивают сльайвер в более равномерную прядь, добавляют малое скручивание и скармливают в банки. Кардочесанные сльайверы вытягивают дважды после кардочесания; чесаные — один раз перед чесанием и дважды после.

Скручивание (прядение пре-ровинга)

• Сльайвер поступает на ровинговую раму, где прядь дополнительно вытягивают и скручивают, получая ровинг.

Прядение

• Коммерческое производство использует кольцевое и открытое прядение. Кольцевое: ровинг через вальцы вытягивают, проводят в глазок и облет. Облет движется вокруг неподвижного кольца 4000–12 000 об/мин, шпиндель крутит бубин, скручивая и навивая пряжу за одну операцию. Открытое прядение пропускает ровинг: сльайвер воздушным потоком скармливают в спиннер, ротационный битель разделяет волокна в тонкий поток, воздух несет их в V-образную желобку ротора. Скручивание возникает при вращении ротора, новые волокна постоянно поступают, готовая пряжа выходит по краю желобки.

Контроль качества

Автоматизация оптимизирует QA: электронные системы мониторят температуры, скорости, скручивание, эффективность. Американское общество испытаний и материалов (ASTM) предоставляет стандартизированные методы измерения свойств: сила вытяжения, пуховка, усадка.

Будущее

Прядные системы станут всё более автоматизированными и интегрированными, объединяя кардочесание и вытяжение в единые узлы. Производительность вырастет за счет большего числа шпинделей, роботизированное оборудование станет обыденным.

Отечественные производители сталкиваются с конкуренцией азиатских, закупающих новейшие технологии. Стоимость сырья — до 73 % от себестоимости пряжи — остается вызовом. США усилят альянсы с клиентами и их клиентами, а отраслевые коллаборации вроде American Textile Partnership — совместных НИОКР индустрии, госсектора и академии — направлены на повышение конкурентоспособности.

Экологические нормы ужесточатся, стимулируя переработку и предотвращение загрязнений. Разработка пряжи из отходов, включая деним, уже идет. Оборудователи будут инновировать для соответствия стандартам воздуха и воды.

Генетическая инженерия обещает волокна с уникальными свойствами. Созданы хлопковые растения с волокнами, лучше удерживающими тепло, за счет полигидроксибутирата. Будущие волокна могут иметь улучшенную окрашиваемость и стабильность.

Новые синтетические волокна, объединяющие лучшие качества двух полимеров, в разработке. Часть — химическим путем, другие — биотехнологически с использованием дрожжей, бактерий или грибов.