陳忠海，劉玉峰，胡天輝，劉躍軍，鄧如生

(1.株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007; 2.湖南工業(yè)大學(xué)，湖南 株洲 412007)

高流動(dòng)性PA 6超細(xì)纖維的制備及其性能研究

陳忠海1，劉玉峰1，胡天輝1，劉躍軍2，鄧如生1

(1.株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007; 2.湖南工業(yè)大學(xué)，湖南 株洲 412007)

采用自制的高流動(dòng)性聚己內(nèi)酰胺(HPA 6)、普通聚己內(nèi)酰胺(PA 6)、低密度聚乙烯(LDPE)為原料，通過(guò)共混紡絲法分別制備HPA 6/LDPE定島纖維和HPA 6/PA 6/LDPE不定島纖維，溶解去除LDPE，得到一系列HPA 6超細(xì)纖維；研究了HPA 6的可紡性及其超細(xì)纖維的線密度、力學(xué)性能、染色性能等。結(jié)果表明：由于HPA 6在紡絲溫度下較好的流動(dòng)性和高支化結(jié)構(gòu)及大量末端基團(tuán)，HPA 6可紡性良好；HPA 6/LDPE質(zhì)量比為70/30時(shí)，157.4 dtex/36 f HPA 6超細(xì)纖維斷裂強(qiáng)度為3.85 cN/dtex，斷裂伸長(zhǎng)率為14%，染色深度為1.809，色牢度達(dá)5級(jí)；HPA 6超細(xì)纖維的力學(xué)性能和染色性能優(yōu)異，與PA 6超細(xì)纖維性能相當(dāng)，可拓展其在纖維領(lǐng)域的應(yīng)用。

聚己內(nèi)酰胺纖維 高流動(dòng)性 超細(xì)纖維 海島結(jié)構(gòu) 共混紡絲

超細(xì)纖維通常是指單絲線密度在0.55 dtex以下的纖維[1]。因直徑小、比表面積大，超細(xì)纖維及其制品的手感柔軟性、蓬松性、保暖性、清潔性、覆蓋性明顯優(yōu)于其他纖維，同時(shí)具有良好的防水透氣效果與抗皺性能，因此，在高檔織物、皮革、過(guò)濾材料、醫(yī)療防護(hù)用品等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。超細(xì)纖維的生產(chǎn)方法有超拉伸法、靜電紡絲法、海島復(fù)合紡絲法[2-3]。海島復(fù)合紡絲法是指通過(guò)共混紡絲制備海島纖維，再通過(guò)溶解去除連續(xù)相(海相)成分得到由分散相(島相)形成的超細(xì)纖維的制備過(guò)程，在推動(dòng)聚酯(PET)和尼龍(PA 6)纖維實(shí)現(xiàn)超細(xì)化進(jìn)程中得到廣泛應(yīng)用。

PA 6樹(shù)脂因其良好的力學(xué)性能及較寬的加工溫度范圍而廣泛應(yīng)用于機(jī)械、化工、汽車(chē)、紡織等領(lǐng)域。高流動(dòng)性PA 6(HPA 6)由于其高度支化的三維球狀結(jié)構(gòu)及豐富的末端化學(xué)基團(tuán)，不僅具有優(yōu)異的流動(dòng)性、易成型、對(duì)玻璃纖維等的完善浸漬與對(duì)填充物的高度分散性等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)保持良好的力學(xué)性能[4]，具有廣闊的應(yīng)用前景。但目前關(guān)于HPA 6的報(bào)道集中在HPA 6的阻燃、增強(qiáng)和增韌改性，以及其在電子電器、汽車(chē)與軌道交通輕量化方面的應(yīng)用[4-7]，HPA 6在超細(xì)纖維方面的應(yīng)用鮮有報(bào)道。

作者通過(guò)HPA 6與低密度聚乙烯(LDPE)共混紡絲制備了以LDPE為海相，HPA 6為島相的超細(xì)纖維原絲，經(jīng)二甲苯溶解去除LDPE后得到HPA 6超細(xì)纖維，研究了HPA 6在超細(xì)纖維應(yīng)用中的可紡性，并對(duì)制備的HPA 6超細(xì)纖維的線密度、力學(xué)性能和染色性與普通PA 6超細(xì)纖維進(jìn)行了對(duì)比研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

HPA 6切片：牌號(hào)XC010，株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司產(chǎn)；普通PA6切片：牌號(hào)M3280，廣東新會(huì)美達(dá)錦綸股份有限公司產(chǎn)；LDPE樹(shù)脂：牌號(hào)1150A，中石化北京燕山石油化工股份公司產(chǎn)；染料：雅格賽特，上海雅運(yùn)集團(tuán)產(chǎn)；二甲苯：分析純，市售。

1.2 主要儀器與設(shè)備

熔法紡絲機(jī)：北京服裝學(xué)院制；紡織機(jī)：福建華陽(yáng)超纖有限公司制；ME600光學(xué)顯微鏡：日本尼康公司制；S-2150掃描電鏡(SEM)：日本日立公司制；Datacolor SF600 Plus測(cè)色配色系統(tǒng)：Datacolor公司制。

1.3 HPA6超細(xì)纖維及其織物的制備

首先將干燥的PA 6(M3280或XC010)切片與LDPE按照一定的比例配合，并進(jìn)行熔融共紡，得到相應(yīng)的海島型纖維，再經(jīng)上油、拉伸(拉伸倍數(shù)為2.5)、二甲苯溶解剝離、卷曲、干燥定型及切斷得到相應(yīng)的PA 6或HPA 6超細(xì)纖維。

將熔融共混紡絲得到的超細(xì)纖維進(jìn)行紡織，相應(yīng)的得到織物，以備相關(guān)性能測(cè)試。

M3280/XC010/LDPE不定島纖維紡絲工藝參數(shù)如下：螺桿溫度分別為一區(qū)210 ℃、二區(qū)245 ℃、三區(qū)245 ℃、四區(qū)245 ℃，熔體分配管溫度250 ℃，紡絲箱體溫度250 ℃，紡絲速度300 m/min，PA6切片/LDPE質(zhì)量比為50/45，其中，M3280/XC010質(zhì)量比分別為0/100，20/80，50/50和100/0。

XC010/LDPE定島纖維的紡絲工藝見(jiàn)表1，其中， XC010切片/LDPE質(zhì)量比分別為50/50，60/40和70/30。

表1 XC010/LDPE定島纖維紡絲工藝Tab.1 Spinning process parameters of XC010/LDPE figured islands-in-sea fiber

1.4 超細(xì)纖維及其織物的染色

以雅格賽特染料0.1 g、硫酸銨(1 g/L)和醋酸(1 g/L)各50 mL混合均勻，將5g超細(xì)纖維或超細(xì)纖維編織物在常溫下染色10 min(浴比1:10)，以1 ℃/min升溫至98 ℃，保持50 min，然后降溫至室溫，最后在碳酸鈉和皂粉的混合液中皂洗10 min，皂洗溫度98 ℃，浴比1:30。

1.5 分析與測(cè)試

流變性能：分別在225,230,240和250 ℃測(cè)試HPA 6(XC010)的黏度，并測(cè)定紡絲溫度下(240 ℃和250 ℃)各原料的流變性。

纖維形貌：在光學(xué)顯微鏡下觀察超細(xì)纖維的形態(tài)并拍照記錄放大倍數(shù)為200和1 000時(shí)的微觀形態(tài)；試樣表面做離子濺射鍍金后，在掃描電鏡上觀察其形態(tài)并照相，記錄其放大倍數(shù)為2 000時(shí)的微觀形態(tài)。

線密度：測(cè)試試樣為經(jīng)拉伸后的共紡原絲，參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1798—2008進(jìn)行。

力學(xué)性能：采用GB/T 14337—1993常規(guī)方法測(cè)試，每類品種至少測(cè)試5個(gè)試樣，取平均值。

染色深度(K/S)：采用DatacolorSF600plus測(cè)色配色系統(tǒng)在D65光源，10°下測(cè)試，不同部位測(cè)試5次取平均值。

染色牢度：采用LFY-304型紡織品耐摩擦色牢度試驗(yàn)儀對(duì)染色后的M3280和XC010超細(xì)纖維編織物按標(biāo)準(zhǔn)GB/T3921—1997進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 HPA 6的可紡性

良好的可紡性是HPA 6在超細(xì)纖維中應(yīng)用的重要前提。而海島型纖維的可紡性與紡絲體系在紡絲溫度下的流動(dòng)性及“海相”與“島相”的黏度及配比密切相關(guān)。因此，首先對(duì)M3280/XC010及LDPE在紡絲溫度下的流變性進(jìn)行了考察。

一般而言，要求在紡絲溫度下，“海相”的黏度略小于“島相”的黏度，以利于海島結(jié)構(gòu)的形成及“島相”在“海相”中的分散；若二者之間的黏度相差太大，紡絲過(guò)程中出現(xiàn)熔體向高黏度方向彎曲現(xiàn)象，導(dǎo)致粘附噴絲板表面，紡絲困難；而“島相”在紡絲溫度下流動(dòng)性差會(huì)導(dǎo)致二者相容性差，造成分層破裂，無(wú)法正常紡絲[8]。由圖1可以看出，在紡絲溫度240～250 ℃下，XC010略大于LDPE的黏度，且M3280與XC010復(fù)合可有效降低M3280的黏度，有利于海島結(jié)構(gòu)的形成，以及PA6相(島相)在LDPE相(海相)的均勻分散。結(jié)合熔融共混紡絲過(guò)程可知，XC010和M3280/XC010與LDPE的共紡工藝均穩(wěn)定，各混合比例可紡性均良好，所得纖維粗細(xì)均勻，卷繞成形良好，外觀良好。

圖1 紡絲原料的流變性能Fig.1 Rheological properties of feedstocks ●—XC010；▲—LDPE；▼—M3280； ?—M3280/XC010質(zhì)量比為50:50； ?—M3280/XC010質(zhì)量比為20:80

溶解去除拉伸絲中的LDPE后，采用掃描電鏡和光學(xué)顯微鏡對(duì)HPA 6超細(xì)纖維的微觀形態(tài)進(jìn)行研究，見(jiàn)圖2、圖3所示。定島XC010/LDPE纖維(拉伸絲)經(jīng)二甲苯剝離后得到的HPA 6超細(xì)纖維粗細(xì)均勻，直徑約3.0～3.5 μm，纖維表面光滑，纖維之間無(wú)粘接。此外纖維直徑隨XC010比例的增加而略增加，這與文獻(xiàn)[8]中報(bào)道的島相尺寸隨其比例增加而增大一致。

圖2 定島XC010/LDPE超細(xì)纖維SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM images of XC010/LDPE figured islands-in-sea ultrafine fibers

圖3 不定島M3280/XC010/LDPE 超細(xì)纖維光學(xué)顯微鏡照片F(xiàn)ig.3 Optical microscopic images of M3280/XC010/LDPE unfigured islands-in-sea fibers

不定島M3280/XC010共紡超細(xì)纖維粗細(xì)均勻，直徑為2～4 μm，當(dāng)M3280/XC010質(zhì)量比為20/80時(shí)，纖維直徑低至2 μm。這是由于在紡絲溫度下，XC010較M3280流動(dòng)性好(如圖1所示)，更易形成均勻且尺寸較小的海島結(jié)構(gòu)[8-9]，即粗細(xì)均勻、直徑較小的超細(xì)纖維。

綜合HPA 6紡絲過(guò)程及其超細(xì)纖維的微觀形態(tài)可知，HPA 6(XC010)可紡性良好，所得超細(xì)纖維粗細(xì)均勻，且直徑小于普通PA6超細(xì)纖維。

2.2 HPA 6超細(xì)纖維的力學(xué)性能

由表2可知：不定島XC010超細(xì)纖維(M3280/XC010質(zhì)量比為0:100)的線密度較M3280超細(xì)纖維(M3280/XC010質(zhì)量比為100:0)降低13.45%，且力學(xué)性能相當(dāng)；M3280/XC010 共紡超細(xì)纖維的線密度和力學(xué)性能顯著改善，當(dāng)M3280/XC010質(zhì)量比為20/80時(shí)，所得超細(xì)纖維線密度較M3280超細(xì)纖維降低21%，斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別提高約12%和38%；定島XC010超細(xì)纖維的線密度在160 dtex/36f以下，且其斷裂強(qiáng)度隨XC010的用量增加顯著提高， XC010/LDPE質(zhì)量比為50:50，60:40，70:30的纖維斷裂強(qiáng)度分別為2.88，3.62，3.85 cN/dtex，與文獻(xiàn)[8]報(bào)道相符，但斷裂伸長(zhǎng)率略降低。

HPA 6(XC010)超細(xì)纖維較M3280超細(xì)纖維的線密度低，一方面是由于XC010黏度較低，在紡絲溫度下的流動(dòng)性良好而導(dǎo)致超纖維直徑較小(如前所述)，另一方面是由于高支化的結(jié)構(gòu)有助于其與LDPE相容性的提高，從而使XC010可以均勻分散于LDPE海相中。

表2 HPA 6超細(xì)纖維的力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of HPA 6 ultrafine fibers

2.3 HPA 6超細(xì)纖維的染色性能

由表3可知，XC010超細(xì)纖維染色性能良好，定島和不定島超細(xì)纖維染色都基本均勻，且不定島M3280/XC010 超細(xì)纖維的K/S隨XC010添加量增加而增加。

表3 HPA 6超細(xì)纖維的染色性能Tab.3 Dyeing behavior of HPA 6 ultrafine fibers

這一方面是由于HPA 6(XC010)的高支化結(jié)構(gòu)在其分子中引入了大量末端基團(tuán)，有利于染料的吸附與染色牢度的提高；另一方面，XC010的高支化結(jié)構(gòu)降低了PA 6的結(jié)晶度和結(jié)晶溫度，有利于染料的牢固吸附[10]。此外，定島超細(xì)纖維較不定島纖維的染色程度深，這是由于定島結(jié)構(gòu)中超細(xì)纖維的尺寸更均勻、結(jié)構(gòu)更規(guī)整所致[9]。

另外，將不定島XC010超細(xì)纖維進(jìn)行編織，并對(duì)織物進(jìn)行染色，結(jié)果表明，XC010超細(xì)纖維織物的染色性優(yōu)良，甚至優(yōu)于對(duì)比樣M3280超細(xì)纖維織物，二者牢度相當(dāng)，干摩擦色牢度均達(dá)5級(jí)。

3 結(jié)論

a. HPA 6樹(shù)脂(XC010) 具有優(yōu)良的可紡性，其共混紡絲工藝穩(wěn)定，所得超細(xì)纖維粗細(xì)均勻，外觀較好，線密度、力學(xué)性能、纖維及其織物的K/S、染色均勻度和色牢度達(dá)到較高水平，與市售PA6樹(shù)脂(M3280)相當(dāng)，在纖維紡織領(lǐng)域具有較好的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景。

b. HPA 6中大量的末端基體及其高支化結(jié)構(gòu)和良好的流動(dòng)性有利于超細(xì)纖維線密度的降低和力學(xué)性能及染色性能的提升。

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Preparation and properties of high-flowability PA 6 ultrafine fibers

Chen Zhonghai1, Liu Yufeng1, Hu Tianhui1, Liu Yuejun2, Deng Rusheng1

(1.ZhuzhouTimesNewMaterialTechnologyCo.,Ltd.,Zhuzhou412007; 2.HunanUniversityofTechnology,Zhuzhou412007)

By using a self-made high-flowability polycaprolactam (HPA 6), traditional polycaprolactam (PA 6) and low-density polyethylene (LDPE) as raw material, an HPA 6/LDPE figured islands-in-sea fiber and an HPA 6/PA 6/LDPE unfigured islands-in-sea fiber were prepared via blend spinning process, which were produced into HPA 6 ultrafine fibers by removing LDPE. The spinnability of HPA 6 and the linear density, mechanical properties and dyeing behavior of the ultrafine fiber were studied. The results showed that HPA 6 exhibited fairly good spinnability due to the high flowability at spinning temperature, highly-branched structure and a large amount of end groups; the HPA 6 ultrafine fiber of 157.4 dtex/36 f had the breaking strength of 3.85 cN/dtex, elongation at break 14%, dyeing depth 1.809 and color fastness grade 5 as the HPA 6/LDPE mass ratio was 70-30; HPA 6 ultrafine fiber possessed excellent mechanical properties and dyeing behavior equal to those of PA 6 ultrafine fiber, so its application could be expanded in fiber field.

polycaprolactam fiber; high-flowability; ultrafine fiber; islands-in-sea structure; blend spinning

2016-12-19； 修改稿收到日期：2017- 02- 07。

陳忠海(1963—)，男，高級(jí)工程師，主要從事高分子材料的開(kāi)發(fā)及推廣應(yīng)用。E-mail：chenzhonghai1996@csrzic.com。

TQ342+.11

A

1001- 0041(2017)02- 0034- 04