一步法滌綸雙收縮絲紡絲工藝及性能研究

孫世元，付春紅，薛 元

(1.嘉興市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，浙江 嘉興314050;2.嘉興市方圓公正檢驗(yàn)行，浙江嘉興314050;3.嘉興學(xué)院材料與紡織工程學(xué)院，浙江嘉興314001)

雙收縮混纖復(fù)合絲(BSY)是將兩種以上不同潛在收縮率的纖維混纖復(fù)合而成的，可賦予紗線蓬松、卷曲、彈性等特性，這種具有特殊風(fēng)格特點(diǎn)的差別化纖維是滌綸長(zhǎng)絲未來(lái)的發(fā)展方向之一［1－2］。傳統(tǒng)工藝上的BSY是采用兩步法復(fù)合生產(chǎn)工藝，先分別紡出兩種沸水收縮率不同的長(zhǎng)絲，再將二者進(jìn)行復(fù)合以及網(wǎng)絡(luò)、空氣變形、卷繞等后加工。兩步法投資大，生產(chǎn)流程長(zhǎng)，生產(chǎn)速度僅600～900 m/min，效率低，消耗高。一步法是近幾年新發(fā)展起來(lái)的高效成形工藝，是將紡程中相鄰紡絲位吐出的絲束經(jīng)過(guò)不同的熱歷程和拉伸變形工藝，分別得到高收縮預(yù)取向絲(POY)組分與低收縮全拉伸絲(FDY)組分，然后合并進(jìn)行加彈或網(wǎng)絡(luò)變形后卷繞成形，一步完成紡絲、拉伸、定型、混纖、加彈、卷繞的過(guò)程［3］。生產(chǎn)速度可高達(dá)3 000 m/min以上，具有流程短、產(chǎn)率高、消耗低的特點(diǎn)，可大幅度降低生產(chǎn)成本并提高BSY的產(chǎn)品質(zhì)量。在一步法生產(chǎn)過(guò)程中，紡絲工藝參數(shù)對(duì)控制BSY的產(chǎn)品質(zhì)量起著關(guān)鍵作用［4］。作者探討了拉伸、定型與卷繞工藝對(duì)纖維結(jié)晶取向度、力學(xué)性能以及沸水收縮率(S)的影響規(guī)律，以期對(duì)BSY的一步法生產(chǎn)起到指導(dǎo)作用。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

PET 切片:特性黏數(shù)(0.648 ±0.005)dL/g，熔點(diǎn)261℃，端羧基含量25 mol/t，TiO2含量0.27 μg/g，二甘醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.17%，常規(guī)紡絲及切片，市售。

1.2 一步法BSY紡絲實(shí)驗(yàn)

BSY一步法紡絲工藝流程如圖1所示。

圖1 一步法BSY紡絲工藝流程Fig.1 Flow chart of one-step BSY spinning process

PET紡絲熔體經(jīng)螺桿箱體及各自噴絲板擠出后，低收縮組分經(jīng) GR1，GR0，GR2進(jìn)行紡絲-拉伸加工工藝形成拉伸取向絲FDY;高收縮組分經(jīng)GR0，GR2進(jìn)行紡絲不拉伸工藝形成預(yù)取向低結(jié)晶絲POY，在凹槽導(dǎo)絲盤上混合后，經(jīng)中間網(wǎng)絡(luò)、主網(wǎng)絡(luò)變形加彈后卷繞成形。不同工藝條件下得到3種纖維試樣，即94 dtex/72 f高收縮絲POY，56 dtex/36 f低收縮絲FDY和150 dtex/108 f雙收縮絲BSY。

紡絲工藝條件如下:預(yù)結(jié)晶熱風(fēng)溫度(175±5)℃，預(yù)結(jié)晶時(shí)間 15～20 min;螺桿轉(zhuǎn)速 30 r/min，螺桿一區(qū)至六區(qū)加熱溫度依次為275，285，292，292，290，290 ℃，箱體溫度(290 ±3)℃，側(cè)吹風(fēng)溫度(28±1)℃，側(cè)吹風(fēng)速度0.8 m/s。

拉伸、定型及卷繞工藝如下:影響高收縮組分POY、低收縮組分FDY以及BSY結(jié)晶取向結(jié)構(gòu)、沸水收縮率以及力學(xué)性能的主要工藝參數(shù)有紡絲速度(V0)，拉伸倍數(shù)(DR)，拉伸溫度(GR1溫度T1)、定型溫度(GR2溫度T2)。

BSY:GR1速度(V1)為650～1 400 m/min，GR0和GR2速度(V2)為2 950 m/min，V0為3 000 m/min;T1為80～95℃;T2為100～120℃。

低收縮組分FDY:V1分別設(shè)為900，1 400，2 600 m/min，V2，V0設(shè)為4 200 m/min，T1，T2分別為85，120℃。

高收縮組分 POY:V2，V0為 1 000～6 000 m/min，T2為120℃。

1.3 分析測(cè)試

結(jié)晶度(Xc):采用德國(guó)Netzsch DSC-2000PC型DSC差示掃描量熱儀測(cè)試。將纖維試樣切碎成粉末狀，稱取8～10 mg，高純氮?dú)夥諊?，升溫速?℃/min，測(cè)試溫度30～300℃。

取向度:采用SCY-Ⅲ型聲速取向測(cè)試儀測(cè)試?yán)w維試樣的聲速取向因子(fs)。測(cè)試條件:聲頻5×103Hz，測(cè)取長(zhǎng)度 40 cm，預(yù)張力為 0.098 cN/dtex。采用倍長(zhǎng)法求得延長(zhǎng)時(shí)間和聲速值，計(jì)算得到fs。

力學(xué)性能:采用YG 061FQ型電子單紗強(qiáng)力儀參照GB/T 3916—2013測(cè)試。測(cè)試條件為預(yù)加張力(0.05 ±0.01)cN/dtex，隔距 250 mm，速度250 mm/min，溫度20℃，相對(duì)濕度65%。

S:參照GB/T 6505—2001測(cè)試高收縮POY、低收縮FDY以及一步法BSY的S［5］。分別選取一定長(zhǎng)度的纖維試樣，固定在煮絲板上，置于100℃沸水中煮30 min，取出冷卻平衡2 h后，再次測(cè)量纖維長(zhǎng)度，測(cè)量時(shí)預(yù)加張力為(0.05±0.01)cN/dtex。

2 結(jié)果與討論

2.1 紡絲速度

從圖2可知，隨著紡絲速度的提高，滌綸高收縮POY的熔融峰面積逐漸增大，對(duì)應(yīng)纖維的XC增大。當(dāng)紡絲速度大于4 000 m/min后冷結(jié)晶放熱峰消失，且隨著紡絲速度的提高熔融峰向右偏移。

圖2 不同紡絲速度下POY的DSC曲線Fig.2 DSC curves of POY at different spinning speed

從圖3可以看出，當(dāng)紡絲速度為2 500～4 000 m/min時(shí)，POY具有較高的 S(50% ～65%)，紡絲速度在4 000～5 000 m/min時(shí)，S急劇下降至5%左右，超過(guò)6 000 m/min后纖維的S基本保持在5%左右不變。纖維的fs隨著紡絲速度的增大而增大，說(shuō)明長(zhǎng)絲的取向度隨著紡絲速度的提高而逐漸增大。

圖3 紡絲速度對(duì)POY fs及S的影響Fig.3 Effect of spinning speed on fsand S of POY

從圖4可知，隨著紡絲速度的提高，POY的斷裂強(qiáng)度逐漸提高，而斷裂伸長(zhǎng)率逐漸減小。由此可見(jiàn)，紡絲速度是影響POY組分結(jié)晶取向結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能以及S的主要因素，當(dāng)紡絲速度為3 000 m/min時(shí)，POY具有最大的S(65%)和較為穩(wěn)定的結(jié)晶取向結(jié)構(gòu)。

圖4 紡絲速度對(duì)POY力學(xué)性能的影響Fig.4 Effect of spinning speed on mechanical properties of POY

高收縮組分POY與低收縮組分FDY間的S差是體現(xiàn)滌綸雙收縮混纖絲風(fēng)格特點(diǎn)的核心指標(biāo)。為了凸顯BSY的風(fēng)格特點(diǎn)，在不影響力學(xué)性能的前提下，高收縮POY組分的S應(yīng)該盡可能地大。因此，實(shí)驗(yàn)選擇GR0，GR2和卷繞頭速度約為3 000 m/min，高收縮POY組分S達(dá)到最大，可以此為基礎(chǔ)調(diào)整GR1的速度即V1和GR1溫度來(lái)控制低收縮FDY組分的S，實(shí)現(xiàn)對(duì)一步法BSY組分間S差及其結(jié)構(gòu)與性能的調(diào)控。

2.2DR

從表1可知，隨著DR逐漸增大，F(xiàn)DY的XC、fs、斷裂強(qiáng)度、初始模量逐漸增大，斷裂伸長(zhǎng)率、S逐漸變小。

表1 DR對(duì)FDY聚集態(tài)結(jié)構(gòu)及性能的影響Tab.1 Effect of DR on aggregation structure and properties of FDY

從表2可知，隨著低收縮FDY DR逐漸增大，BSY的XC、斷裂強(qiáng)度、初始模量逐漸增加，fs總體呈上升趨勢(shì);斷裂伸長(zhǎng)率沒(méi)有明顯的升降規(guī)律，S呈小幅逐漸減小。

表2 DR對(duì)BSY聚集態(tài)結(jié)構(gòu)及性能的影響Tab.2 Effect of DR on aggregation structure and properties of BSY

從表1，2還可知，當(dāng)DR在3～4時(shí)，F(xiàn)DY組分收縮率較小，BSY相對(duì)具有較大的S，且具有較好的結(jié)晶取向結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)性能。

2.3 T1

從表3可以看出，當(dāng)T1為80～95℃時(shí)，隨著T1逐漸升高，BSY的XC、斷裂強(qiáng)度逐漸增大，取向度、斷裂伸長(zhǎng)率逐漸減小，S先增大后略有減小。隨著T1逐漸升高，F(xiàn)DY初生纖維的分子鏈能夠獲得更多的能量，大分子鏈段活動(dòng)能力加強(qiáng)，溫度誘導(dǎo)結(jié)晶的作用也加強(qiáng)，從而使得BSY的XC變大;同時(shí)，初生絲的大分子解取向作用也隨著溫度升高逐漸加劇，與XC提高對(duì)大分子沿纖維軸向取向的貢獻(xiàn)相比，解取向作用可能處于優(yōu)勢(shì)，這或許是BSY取向度降低的主要原因。當(dāng)T1為85℃時(shí)，BSY的S最大，其他性能指標(biāo)也較好，因此可確定T1為85℃。

表3 T1對(duì)BSY聚集態(tài)結(jié)構(gòu)及性能的影響Tab.3 Effect of T1on aggregation structure and properties of BSY

2.4 T2

從表4可以看出，隨著T2逐漸升高，BSY的XC逐漸增大，fs先增大后稍有減小。XC提高主要有兩方面的原因:一方面，大分子鏈段的活動(dòng)能力隨著溫度的升高而增強(qiáng)，使得更多的鏈段能參與結(jié)晶過(guò)程;另一方面，在張緊熱定型過(guò)程中，溫度升高使得結(jié)晶速度也增大，從而導(dǎo)致誘導(dǎo)結(jié)晶作用加強(qiáng)。在以上兩方面作用下，XC逐漸增大。當(dāng)T2從100℃增大到110℃時(shí)，纖維在熱作用及張力誘導(dǎo)下大分子沿軸向取向能力增強(qiáng)，同時(shí)，無(wú)定形區(qū)大分子的松弛也有可能使微晶沿纖維軸進(jìn)一步取向，綜合表現(xiàn)出纖維fs隨溫度升高而增大。當(dāng)T2從110℃升高到120℃時(shí)，BSY的fs反而降低，這是因?yàn)楫?dāng)溫度過(guò)高時(shí)，大分子的解取向?qū)⒄贾鲗?dǎo)地位，導(dǎo)致非晶區(qū)取向有所降低。

表4 T2對(duì)BSY聚集態(tài)結(jié)構(gòu)及性能的影響Tab.4 Effect of T2on aggregation structure and properties of BSY

隨著T2的升高，BSY的斷裂強(qiáng)度略有降低，斷裂伸長(zhǎng)率先減小后增大，S逐漸降低。斷裂強(qiáng)度減小可能是由于溫度升高導(dǎo)致纖維fs降低引起的;斷裂伸長(zhǎng)率與fs有關(guān)，fs越高，纖維分子鏈的伸直度越高，斷裂伸長(zhǎng)率就越低，所以斷裂伸長(zhǎng)率先減小后增大;T2是影響FDY的S，進(jìn)而影響B(tài)SY的 S的主要因素［6－7］。隨著 T2升高，BSY 的S逐漸降低，到120℃時(shí)，減至29.05%。這是因?yàn)椋S著T2升高，纖維XC逐漸增大，使得阻礙纖維發(fā)生收縮運(yùn)動(dòng)“壁壘”增多，S減小。當(dāng)T2為110℃時(shí)，BSY具有較高的 S為40.80%，同時(shí)XC，fs等力學(xué)性能指標(biāo)也較好。因此，實(shí)驗(yàn)選擇GR2溫度為 110℃。因此，當(dāng) V0，V1，V2分別為3 000，820，2 950 m/min，T1，T2分別為85，110 ℃時(shí)，得到BSY的S較大為40.80%，其他力學(xué)性能指標(biāo)也較為優(yōu)異，斷裂強(qiáng)度為1.909 cN/dtex，斷裂伸長(zhǎng)率為38.17%。

3 結(jié)論

a.POY組分的紡絲速度，F(xiàn)DY組分的DR、拉伸定型溫度是影響B(tài)SY結(jié)構(gòu)性能及其S的重要紡絲工藝參數(shù)，可以通過(guò)調(diào)控上述參數(shù)生產(chǎn)具有不同S和物理力學(xué)性能的BSY。

b.對(duì)于高收縮組分POY，結(jié)晶取向結(jié)構(gòu)主要取決于V0，當(dāng)V0在2 500～4 000 m/min時(shí)，其S最大可達(dá)50%～65%。對(duì)于低收縮組分來(lái)說(shuō)，隨DR的增大，其S逐步降低。

c.當(dāng)熱輥 GR1，GR2的速度分別為820，2 950 m/min，溫度分別為85，110 ℃，V0為 3 000 m/min時(shí)，得到BSY的S較大，為40.80%，且具有較為優(yōu)異的力學(xué)性能。

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