丙綸原配色絲及其制備關(guān)鍵技術(shù)研究*

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1. 東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,上海 201620；2. 東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海 201620；3. 東華大學(xué)紡織學(xué)院,上海 201620；4. 江蘇恒力化纖股份有限公司,江蘇 蘇州 215228；5. 東華大學(xué)紡織裝備教育部工程研究中心,上海 201620

據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)，我國2017年化纖完成產(chǎn)量在4 919.55萬t，同比增加4.97%。在化纖產(chǎn)量增加的過程中，化纖高科技產(chǎn)品的開發(fā)越來越迅速，化纖的改性、開發(fā)和研究都進(jìn)入了新的階段，且整體上都朝著細(xì)旦、高性能、多功能、低能耗、低排放等方向發(fā)展[1]。如今，生活中的色彩也正變得多樣。色譜齊全、圖案配色新穎的紡織品能為消費(fèi)者提供豐富的視覺和情感體驗(yàn)，外觀色彩新穎的設(shè)計(jì)還可極大地提高化纖產(chǎn)品的附加值，其中以原液著色纖維為代表的生態(tài)紡織品將引領(lǐng)消費(fèi)和生產(chǎn)的新浪潮[2]。目前，常用的化纖產(chǎn)品增色方法有長絲混纖、短纖維混紡、染色和原液著色等。長絲混纖雖然較織造過程中的并絲效果好，但其仍是一束纖維與另一束纖維的復(fù)合，無法達(dá)到單絲之間的混合，因此在強(qiáng)力、收縮、染色等方面存在較大的差異。短纖維混紡只能對直徑在毫米級的纖維進(jìn)行分散與梳理，無法完成直徑在微米級的纖維與纖維之間的混合，會存在較大的色差[3]。纖維染色會產(chǎn)生大量的工業(yè)廢水，會存在嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，不符合綠色發(fā)展理念。原液著色技術(shù)符合環(huán)保要求，近年發(fā)展快速，其中切片紡占比高于熔體直紡。切片紡能在一定程度上滿足纖維品種更換的需要，但其更換過程需消耗過多的過渡料或清洗料，生產(chǎn)成本比熔體直紡高10%～20%；熔體直紡受小批量與多品種的嚴(yán)重制約，主要生產(chǎn)黑色絲與半消光產(chǎn)品。

本文將熔融紡絲法制備的原液著色纖維(即單絲)構(gòu)成的復(fù)絲，命名為“原配色絲”。單根原液著色纖維呈單一顏色。兩種或兩種以上不同顏色的原液著色纖維組成一束原配色絲，其色彩呈現(xiàn)出多種顏色合成的效果。特別是當(dāng)原液著色纖維的單絲線密度小到肉眼難以分辨時(shí)，根據(jù)三原色原理，多種顏色混合的原配色絲會顯現(xiàn)出色澤均勻、單一的效果。目前，該技術(shù)已申請國家發(fā)明專利。

原配色絲中的單絲是原液著色纖維，解決了普通化纖后續(xù)需進(jìn)行染色處理的問題。此外，原配色絲基于多組分柔性化復(fù)合紡絲試驗(yàn)平臺，各組分改為熔體直紡時(shí)不需更換管道，僅通過更換紡絲組件或改變原配色絲的配色，即可優(yōu)化生產(chǎn)出一系列的新型色絲品種，這對工業(yè)化大批量生產(chǎn)豐富多樣的色絲具有重大意義。

1 紡絲組件設(shè)計(jì)研究

在熔融紡絲加工過程中，紡絲組件是紡絲工藝的核心。高聚物熔體從紡絲組件擠出，經(jīng)冷卻成形后形成纖維，因此紡絲組件的設(shè)計(jì)必須考慮熔體的流動性。熔體在紡絲組件內(nèi)的流動涉及流變學(xué)理論，因?yàn)楦呔畚锶垠w是非牛頓流體，表現(xiàn)為黏彈性等一系列復(fù)雜的特性。本文基于Ansys Polyflow軟件，對熔體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而指導(dǎo)紡絲組件的設(shè)計(jì)與加工。

1.1 紡絲動力學(xué)數(shù)學(xué)模型

原配色絲的成形加工過程遵循三大守恒定律——質(zhì)量守恒定律[式(1)]、動量守恒定律[式(2)]和能量守恒定律[式(3)]，它們構(gòu)成流體流動的封閉方程組，適用于所有連續(xù)流動的介質(zhì)[4]。

1.2 邊界條件及模擬參數(shù)的設(shè)定

熔體入口條件：內(nèi)圈A顏色、中圈B顏色、外圈C顏色的入口流量均一致，為3.52×10-7m3/s；入口溫度均為285 ℃。

流道壁面條件：熔體與紡絲組件流道壁面間不存在滑移。

熔體出口條件：熔體為不可壓縮的非牛頓流體，并忽略慣性力、重力的影響。

迭代方法：為減少計(jì)算量，黏度采用Pi-card算法進(jìn)行迭代，壓力和應(yīng)力采用線性迭代，速度采用Mini-element進(jìn)行迭代。

本文制備的是丙綸(PP)原配色絲，其仿真模擬基本參數(shù)見表1。

表1 仿真模擬基本參數(shù)的設(shè)定

(4)

式中：η為熔體剪切黏度；η∞為極限剪切黏度；η0為零剪切黏度；λ為熔體松弛時(shí)間；n為熔體非牛頓指數(shù)。

1.3 求解與結(jié)論

1.3.1 速度分布

熔體在紡絲組件內(nèi)的流動速度受熔體的黏度、溫度、流量及流道尺寸等因素的影響。原配色絲的制備需保證3種熔體在進(jìn)入噴絲板導(dǎo)孔時(shí)速度基本一致，這樣才能確保噴絲板出口處熔體速度一致。如圖1所示，內(nèi)圈A顏色熔體最大速度為0.115 4 m/s，中圈B顏色熔體最大速度為0.103 3 m/s，外圈C顏色熔體最大速度為0.089 6 m/s，三者的最大速度相差不大。

(a) 內(nèi)圈A顏色熔體

(b) 中圈B顏色熔體

(c) 外圈C顏色熔體

1.3.2 剪切速率分布

作為非牛頓流體，當(dāng)剪切速率較低時(shí)，熔體黏度變化不大；當(dāng)剪切速率較高時(shí)，熔體黏度從零剪切黏度開始下降或增大，熔體變稀或增稠，這都不利于紡絲穩(wěn)定，會對纖維的性能造成影響。圖2反映了紡絲組件中各部分流道剪切速率的分布，其中內(nèi)圈A顏色熔體的最大剪切速率為225.5 s-1，中圈B顏色熔體的最大剪切速率為132.4 s-1，外圈C顏色熔體的最大剪切速率為114.1 s-1，三者的最大剪切速率也相差不大。

1.3.3 模擬結(jié)論

紡絲組件中，3種熔體的最大速度和最大剪切速率均相差不大，因此3種熔體進(jìn)入噴絲板時(shí)具有很好的一致性，這有利于纖維的成形。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)原料與設(shè)備

丙綸切片：3155E3，?？松梨诠?。

色母粒：黃色母粒(牌號GE140)，紅色母粒(牌號GE361)，藍(lán)色母粒(牌號GE516)，添加量均為1.5%，浙江金彩新材料有限公司。

(a) 內(nèi)圈A顏色熔體

(b) 中圈B顏色熔體

(c) 外圈C顏色熔體

螺桿擠出機(jī)：長徑比為1 ∶25，江西東華機(jī)械有限責(zé)任公司。

卷繞設(shè)備：JW845，上海金緯化纖機(jī)械制造有限公司。

試驗(yàn)平臺：多組分復(fù)合柔性紡絲試驗(yàn)平臺，紡織裝備教育部工程中心。

2.2 紡絲工藝流程及參數(shù)

丙綸原配色絲的紡絲工藝流程如圖3所示[6]。

圖3 原配色絲的紡絲工藝流程

丙綸原配色絲紡絲試驗(yàn)的關(guān)鍵是紡絲工藝的調(diào)整。3套螺桿紡絲裝備配有獨(dú)立的控制系統(tǒng)，可以靈敏地控制每個(gè)螺桿的溫度、轉(zhuǎn)速及計(jì)量泵的泵供量，能令熔體從紡絲組件中順利擠出成形，再經(jīng)冷卻、拉伸、卷繞形成原配色絲。其主要紡絲工藝參數(shù)見表2。

表2 主要紡絲工藝參數(shù)

(續(xù)表2)

2.3 色度測量

測量儀器：Datacolor 850型分光光度測色儀，德塔顏色商貿(mào)(上海)有限公司。

測量方法：使用直徑1 cm的分光擋板進(jìn)行測量。每個(gè)樣品取3～5個(gè)點(diǎn)，以中心點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)樣，以上方點(diǎn)、下方點(diǎn)為批次樣，或以左上方點(diǎn)、左下方點(diǎn)、右上方點(diǎn)、右下方點(diǎn)為批次樣，用于對比。測量儀器對分光擋板內(nèi)部區(qū)域樣品的色度進(jìn)行平均處理，色度值為該區(qū)域色度平均值。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 原配色絲的配色原理

顏色是一種感覺，受觀察者、照明光及測量條件的影響。混色就是使不同的色光同時(shí)進(jìn)入人眼以產(chǎn)生一種新的顏色。原配色絲將紅、黃、藍(lán)、綠、白、黑等各種顏色的原液著色纖維按一定的比例相互混合以達(dá)到期望的任一顏色。該顏色實(shí)際上是視覺上的一種等色，這種方法對單絲的直徑有一定要求。眼睛的分辨率主要由眼睛的視網(wǎng)膜視神經(jīng)細(xì)胞決定。如果兩個(gè)相鄰物點(diǎn)在視網(wǎng)膜上的像落在同一個(gè)視神經(jīng)細(xì)胞上，那么其反饋給大腦的信息就是“這是一個(gè)目標(biāo)”。所以，視網(wǎng)膜的最小分辨距離大于一個(gè)視神經(jīng)細(xì)胞的直徑。視網(wǎng)膜視神經(jīng)細(xì)胞的直徑為1.0～3.0 μm，所以一般取6.0 μm為人眼的分辨率，即人眼能分辨的兩個(gè)相鄰物點(diǎn)的最小距離為6.0 μm。

超細(xì)旦纖維的單絲線密度較小。當(dāng)單絲線密度小到一定程度時(shí)，單絲會顯現(xiàn)出許多新性能。纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)(如截面形態(tài)、細(xì)度等)和排列方式會影響原色染料對入射光線的吸收。當(dāng)原配色絲中原液著色纖維直徑小于10.0 μm時(shí)，原液著色纖維之間的遮蓋或暴露將千變?nèi)f化，所形成的原配色絲的顏色將更加均一。在25 cm的視界內(nèi)，肉眼可分辨物體的最小尺寸為6.0～7.0 μm。因此，直徑小于6.0 μm的單根纖維超過了人眼的分辨能力。而顏色方面，當(dāng)單根纖維的直徑小于10.0 μm時(shí)，人眼就無法分辨單根纖維的顏色，于是纖維與纖維之間在顏色上便產(chǎn)生了融合。

本文在該配色原理的基礎(chǔ)上，開發(fā)了丙綸原配色絲制備工藝。通過試驗(yàn)室試紡證明了該工藝的可行性，這為原配色絲的工業(yè)化生產(chǎn)提供了參考。但試驗(yàn)室目前還無法達(dá)到超細(xì)旦纖維的水平，因此，在該方向上還有很大的發(fā)展空間。

3.2 原配色絲的色度

為解決顏色空間不均勻性的問題，以及便于計(jì)算顏色感覺差異，CIE(國際照明委員會)推薦采用CIE1976L*a*b*色空間評價(jià)國內(nèi)染料、顏料、油墨等的顏色，并已被大多數(shù)工業(yè)部門所采用。在該評價(jià)系統(tǒng)中：L*軸為白-黑軸，軸的最下方為黑色、最上方為白色；a*軸為紅-綠軸，+a*表示品紅色、-a*表示綠色；b*軸為黃-藍(lán)軸，+b*表示黃色，-b*表示藍(lán)色。L*a*b*系統(tǒng)還可以轉(zhuǎn)換為L*(明度)、C*(飽和度)、h*(色相角)。對于任意顏色感覺點(diǎn)P，可以用明度指數(shù)L*、色品指數(shù)a*和b*加以表示，構(gòu)成P點(diǎn)的坐標(biāo)(L*，a*，b*)。

將丙綸原配色絲的初生纖維與POY絲(牽伸速度為3 000 m/min)制作成色度測量樣品，具體見表3。其中，樣品名稱標(biāo)注為“內(nèi)圈A顏色 ∶中圈B顏色 ∶外圈C顏色”的形式，同時(shí)標(biāo)注出各部分的根數(shù)(數(shù)值上等同于孔數(shù))，“白”即表示不加色母粒。

表3 色度測量樣品

表4為樣品色度測量結(jié)果，可以明顯看出，丙綸原配色絲經(jīng)牽伸后，得到的POY絲的明度差、色度差、色相差及總色差的絕對值明顯小于同等條件下的初生纖維。在工業(yè)化生產(chǎn)中，紡織品經(jīng)染整處理后，標(biāo)準(zhǔn)樣與生產(chǎn)的批次樣之間的總色差ΔE*的允許范圍在1.20～1.50[7]，故本文制備的丙綸原配色絲的POY絲如002、 003和104樣品滿足總色差要求，因此，丙綸原配色絲的POY絲可以作為符合工業(yè)化生產(chǎn)要求的色絲進(jìn)行下一步的應(yīng)用。

表4 樣品色度測量結(jié)果

3.3 原配色絲的色度分析

3.3.1 原液著色纖維顏色對混色的影響

當(dāng)內(nèi)圈A顏色、中圈B顏色和外圈C顏色對應(yīng)生產(chǎn)的原液著色纖維聚集成一束原配色絲時(shí)，人眼即能識別其顏色的不均勻性，但經(jīng)過牽伸形成POY絲后，人眼便很難識別出其中單絲顏色的差異。

比較圖4中的樣品發(fā)現(xiàn)：

樣品002和樣品003在藍(lán)黃比例不變的情況下，改變另一部分的顏色，所得POY絲的顏色從淺綠變?yōu)樯罹G，表現(xiàn)為樣品002的-a*的數(shù)值大于樣品003的-a*的數(shù)值；樣品104的黃色比例明顯大于樣品002，且沒有白色，所得POY絲的顏色從淺綠變?yōu)辄S綠，表現(xiàn)為樣品104的-a*的數(shù)值略微減小，b*的數(shù)值顯著增大。

(a) 樣品002

(b) 樣品003

(c) 樣品104

因此，可以通過調(diào)控圈層的顏色分布及圈層間的孔數(shù)配比，調(diào)控原配色絲的整體顏色，極大豐富普通原液著色纖維的色度范圍。

3.3.2 原液著色纖維直徑對混色的影響

圖5以樣品001和樣品002為例說明原液著色纖維直徑對混色的影響。圖5(a)中，樣品001的標(biāo)準(zhǔn)樣(中心位置)與批次樣(中心偏下位置)的色度發(fā)生了很大變化；圖5(b)中，樣品002的標(biāo)準(zhǔn)樣與批次樣的色差很小，幾乎看不出差異。決定這一區(qū)別的正是原液著色纖維的直徑。

(a) 樣品001

(b) 樣品002

樣品001為初生纖維，其單絲線密度為140.0 dtex，直徑為140.8 μm；樣品002為POY絲，其單絲線密度為1.2 dtex，直徑為13.0 μm。正是由于樣品002的單絲直徑減小了一個(gè)數(shù)量級，其顏色在視覺上便難以區(qū)分。若纖維的直徑繼續(xù)變小(小于5.0 μm)成為超細(xì)旦纖維，則人眼便會無法分辨單根纖維的顏色，纖維與纖維之間就會在色澤上完全形成融合，當(dāng)然這點(diǎn)還有待后續(xù)試驗(yàn)做進(jìn)一步的驗(yàn)證。

4 結(jié)論

本文在原配色絲配色原理的基礎(chǔ)上，開發(fā)丙綸原配色絲的制備工藝，并通過試驗(yàn)室試紡證明該工藝的可行性。原配色絲由原液著色纖維組成，無需再進(jìn)行染整加工，能極大地降低生產(chǎn)成本，減少對環(huán)境的污染與破壞，極具經(jīng)濟(jì)價(jià)值和環(huán)保價(jià)值。所制得的原配色絲經(jīng)3 000 m/min的速度牽伸后可形成POY絲，其總色差能滿足工業(yè)化生產(chǎn)要求，對原配色絲的工業(yè)化生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

通過對制得的原配色絲進(jìn)行色度測試分析得到：

(1) 3個(gè)圈層中僅一個(gè)圈層顏色發(fā)生變化便會對原配色絲的整體顏色產(chǎn)生很大影響。這種變化體現(xiàn)在藍(lán)黃白向藍(lán)黃紅的轉(zhuǎn)變過程中時(shí)，原配色絲的綠色加重；在藍(lán)黃白向藍(lán)黃黃的轉(zhuǎn)變過程中時(shí)，原配色絲的黃色加重。

(2) 原配色絲的單絲直徑經(jīng)牽伸減小一個(gè)數(shù)量級后，原配色絲在視覺上從顏色混雜向顏色均勻一致轉(zhuǎn)變，其總色差等指標(biāo)滿足工業(yè)化生產(chǎn)要求。