吳 亮,王 偉,李世君
(中國石化儀征化纖有限責(zé)任公司合纖一部,江蘇儀征 211900)
三維卷曲中空纖維是差別化纖維的一種,是一種截面呈現(xiàn)孔狀的化學(xué)纖維,通過一定的生產(chǎn)工藝,纖維具有軸向管狀單空腔、多孔空腔,三維螺旋自卷曲的特性,具有壓縮回彈性能優(yōu)異、吸濕性低、質(zhì)輕、保溫保暖性能好、不發(fā)霉等特點(diǎn)。是玩具、床上用品的最佳填充材料,也可用于生產(chǎn)噴膠棉,仿羽絨和高檔無紡布等[1]。
目前三維卷曲中空滌綸短纖維單孔空腔主要通過使用“單C”、“雙C”、“三C”等異形噴絲板,使用熔融紡絲法制備而成。在熔融紡絲過程中,為了獲得較好的三維螺旋卷曲效果,通常采取以下兩種技術(shù)手段:(1)非對稱冷卻法:利用單組分熔融紡絲、通過高速紡絲、低溫度的環(huán)吹風(fēng)強(qiáng)化冷卻,使初生纖維的迎風(fēng)面和背風(fēng)面產(chǎn)生微觀結(jié)構(gòu)以及物理性能的差異,使纖維截面內(nèi)在應(yīng)力不同,因而形成潛在的自卷曲效果;(2)雙組分復(fù)合紡絲技術(shù),即采用兩種不同組分的原料,經(jīng)過高溫熔融后在適當(dāng)?shù)奈恢脮?,然后進(jìn)入同一噴絲板腔體內(nèi)進(jìn)行紡絲,該方法主要利用纖維徑向兩種組分的收縮率之間存在差異,進(jìn)而形成三維螺旋卷曲效果[2-3]。
隨著紡織技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展,中空纖維的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛。由于產(chǎn)品的用途不同,因而對纖維的膨松性能、壓縮彈性回復(fù)性能、中空度等特殊性能的要求也越來越細(xì)化。 中空纖維的膨松性能、壓縮彈性回復(fù)性能與纖維的中空度、三維螺旋卷曲之間存在著密切的關(guān)系。目前要求中空纖維的中空度達(dá)到 20%以上。 采用單組分非對稱冷卻熔融紡絲法制得的聚酯中空纖維,其中空度越大,中空纖維在截面上微觀結(jié)構(gòu)各向異性亦越大,三維螺旋自卷曲也越充分,膨松性能越好。
目前文獻(xiàn)對14.44 dtex粗旦有硅中空纖維產(chǎn)品的開發(fā)以及性能的系統(tǒng)研究較少。對于粗旦14.44 dtex 有硅中空纖維而言,因其線密度較高,要求原絲質(zhì)量指標(biāo)優(yōu)異,所以生產(chǎn)工藝較難控制。作者通過對環(huán)吹風(fēng)量、牽伸倍率、松弛定型溫度等方面進(jìn)行系統(tǒng)研究,考察各生產(chǎn)工藝對14.44 dtex粗旦有硅中空纖維的膨松性能、壓縮彈性回復(fù)性能、卷曲性能等指標(biāo)的影響,探索14.44 dtex 粗旦有硅中空纖維的最佳生產(chǎn)工藝。
儀征化纖十八單元熔體,其熔體特性黏度為(0.682±0.01)dL/g。
紡絲設(shè)備,HV452型,中國恒天重工股份有限公司;牽伸設(shè)備,LHV902型,中國恒天重工股份有限公司;松弛定型設(shè)備,ZHV733型,中國恒天重工股份有限公司;卷曲彈性儀,YG362A型,常州新紡檢測儀器設(shè)備有限公司;纖維比電阻儀,YG321型,溫州際高檢測儀器有限公司;單纖維強(qiáng)伸度儀,XQ-1A 型,東華大學(xué);場發(fā)射掃描電鏡,F(xiàn)EI Nova Nano SEM 450型,美國賽默飛公司。
前紡:交接點(diǎn)→增壓泵→熔體過濾器→靜態(tài)混合器→紡絲箱體→環(huán)吹冷卻→卷繞系統(tǒng)→往復(fù)落桶
后紡:集束→導(dǎo)絲機(jī)→油劑浴槽→第一牽伸機(jī)(DF-1)→牽伸浴槽(DB槽)→第二牽伸機(jī)(DF-2)→蒸汽加熱箱(HBX)→緊張定型機(jī)(HR)→疊絲機(jī)→蒸汽預(yù)熱箱→卷曲機(jī)→冷卻輸送帶→曳引張力機(jī)→切斷機(jī)→松弛定型機(jī)→斜鏈板→平鋪機(jī)→打包機(jī)(BM)。
1.4.1 倍半伸長率EYS1.5
將單根纖維以20 mm的夾持長度、60 mm/min的拉伸速度,使用XQ01單纖維等速伸長型強(qiáng)伸度儀進(jìn)行拉伸,拉伸過程中拉伸應(yīng)力為屈服應(yīng)力1.5倍時(shí)所對應(yīng)的伸長讀數(shù)。
1.4.2 斷面不勻率、破裂絲
按中國石化儀征化纖有限責(zé)任公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SH307002.23—2017中附件Q/SH307008.4003中規(guī)定進(jìn)行測試。破裂絲的檢測通常在檢測原絲斷面不勻率DVC時(shí)同時(shí)進(jìn)行。放大倍數(shù)400~600倍,使用帶目鏡測微尺的顯微鏡從1 200根原絲斷面中挑選出截面未能完全閉合成型的纖維,并對其進(jìn)行計(jì)數(shù)。
1.4.3 卷曲性能測試
使用YG362A卷曲彈性儀對纖維的卷曲數(shù)、卷曲度性能進(jìn)行測試。根據(jù)纖維的纖度,選擇0.635cN的張力,測試?yán)w維長度的變化,并根據(jù)下面的公式計(jì)算纖維的卷曲數(shù)和卷曲度:
式中Jn為卷曲數(shù),個(gè)/25 mm;JA為在輕負(fù)荷時(shí),纖維在25 mm內(nèi)全部卷曲峰和卷曲谷的個(gè)數(shù),個(gè);J為卷曲率,%;L0為纖維在輕負(fù)荷下測得的長度,mm;L1為纖維在重負(fù)荷下測得的長度,mm。
1.4.4 膨松性能測試
隨機(jī)取25 g左右試樣,經(jīng)過梳棉機(jī)梳理,按照樣板面積剪成厚度均勻的4塊正方形(10 cm×10 cm)的中空棉塊。靜置10 min以上,在試樣上加輕負(fù)荷壓塊(60 g),1 min 后讀取試樣塊高度h1;繼續(xù)在試樣上加重負(fù)荷壓塊(500 g),1 min后讀取試樣塊高度h2;去除所有負(fù)荷,靜置3 min后,再加壓60 g輕負(fù)荷,1 min后測量試樣塊高度h3。按下式計(jì)算膨松特性:
V1=h1×a×b
V2=h2×a×b
式中V1為在輕負(fù)載下纖維的膨松度,cm3/g;V2為在重負(fù)載下纖維的膨松度,cm3/g;h1為輕負(fù)載下試樣塊的高度,cm;h2為重負(fù)載下試樣塊的高度,cm;E為纖維的壓縮彈性回復(fù)率,%;a為棉網(wǎng)的長度,10 cm;b為棉網(wǎng)的寬度,10 cm。
1.4.5 滑爽性能測試
經(jīng)過梳棉機(jī)梳理的試樣與滑爽級數(shù)為4.0級的標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行手摸比較,若手感與標(biāo)樣一樣則滑爽性定為4.0級,若比標(biāo)樣差,則根據(jù)實(shí)際手感,以0.5級依次遞減進(jìn)行定級。
本文中環(huán)吹冷卻生產(chǎn)工藝采用低阻尼環(huán)吹冷卻方式,影響環(huán)吹冷卻工藝的參數(shù)主要是風(fēng)溫、風(fēng)濕、風(fēng)速以及冷卻吹風(fēng)區(qū)的位置。聚酯纖維在實(shí)際生產(chǎn)中一般要求風(fēng)濕不能低于65%。同時(shí)隨著冷卻吹風(fēng)區(qū)離噴絲板距離的增加,原絲斷面不勻率亦會增加;但是如果吹風(fēng)口的頂部離噴絲板的距離太近,則會降低噴絲板的板面溫度,進(jìn)而影響出絲狀態(tài);容易形成注頭絲、僵絲、并絲等異常原絲,同時(shí)會增加前紡纏輥、后紡牽伸過程中纏輥也會增加,進(jìn)而影響成品纖維指標(biāo)。中空纖維為了達(dá)到初生纖維在橫截面徑向上的不對稱,要求冷卻吹風(fēng)區(qū)的位置距離噴絲板不能太遠(yuǎn)。為了達(dá)到驟冷的效果,穩(wěn)定原絲中空率(>20%),同時(shí)降低原絲的斷面不勻率,因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中可以將環(huán)吹上蓋高度適當(dāng)調(diào)整至2~4 mm。
環(huán)吹冷卻風(fēng)的溫度對中空纖維的生產(chǎn)尤其重要。當(dāng)環(huán)吹冷卻風(fēng)溫度過高時(shí),聚酯熔體出絲冷卻則會不充分,熱量不能被及時(shí)帶走,造成出口膨大效應(yīng)產(chǎn)生時(shí),原絲中空達(dá)不到很好的閉合,因而造成破裂絲的增加;同時(shí)可能還會產(chǎn)生并絲、粘連絲等;原絲中空度低,原絲截面徑向上非對稱性減小,從而降低成品纖維的膨松性能。當(dāng)風(fēng)溫過低時(shí),聚酯熔體在噴絲孔處會形成快速冷卻,原絲徑向雙折射差異大,原絲的EYS1.5大大降低,原絲的可牽伸性能大大降低;在牽伸過程中造成纏輥多、斷絲增加等,進(jìn)而使得成品纖維因疵點(diǎn)的增加而造成降等。常規(guī)中空纖維生產(chǎn)時(shí)環(huán)吹風(fēng)溫可控制在16 ~24 ℃,由于14.44 dtex中空原絲的線密度較大,但是噴絲板孔數(shù)相對較少,絲束冷卻熱交換量相對容易進(jìn)行,所以控制風(fēng)溫在16~22 ℃[4-5]。
冷卻風(fēng)速是影響中空纖維指標(biāo)的重要工藝參數(shù),合適的風(fēng)速是形成原絲潛在卷曲的前提條件。紡絲速度為1 000 m/min,主風(fēng)道壓力為2 000 Pa,噴絲板孔數(shù)為300孔,噴絲板形狀為“3C”。固定其它生產(chǎn)條件,考察環(huán)吹風(fēng)速對原絲性能指標(biāo)的影響。具體紡絲生產(chǎn)情況及原絲指標(biāo)見表1。
表1 原絲的質(zhì)量指標(biāo)
從表1中可以看出,隨著環(huán)吹風(fēng)速的降低,14.44 dtex有硅中空纖維原絲EYS1.5有逐漸提高的趨勢,說明原絲的可拉伸性能提高。隨著環(huán)吹風(fēng)速的降低,原絲的斷面不勻率DVC逐漸降低,說明原絲的表面均勻性提高。隨著環(huán)吹風(fēng)速的降低,原絲的截面破裂絲個(gè)數(shù)減少,說明環(huán)吹冷卻速度比較適中,出口膨大效應(yīng)比較適中。
風(fēng)速過高會對增大絲條的橫向沖擊力,絲條的抖動幅度增大,光圈不穩(wěn)定,且紡絲的生產(chǎn)穩(wěn)定性下降。風(fēng)速過高會加劇環(huán)吹風(fēng)的湍流現(xiàn)象,絲條的背風(fēng)面會受到強(qiáng)大不規(guī)則的反向流動的環(huán)吹風(fēng)冷卻。紡絲熔體在擠出過程中,利用高速低溫氣流對其進(jìn)行非對稱冷卻成形,在這種條件下絲束的迎風(fēng)面比背風(fēng)面冷卻固化速度快,因此絲束固化快的迎風(fēng)面紡絲應(yīng)力不能夠及時(shí)釋放,造成迎風(fēng)面比背風(fēng)面的紡絲應(yīng)力更加集中,并且具有更高的取向度,所以同一橫向的端面超分子結(jié)構(gòu)具有一定的差異。迎風(fēng)面積聚更高的應(yīng)力和卷曲勢能,因而中空纖維形成潛在的三維立體自卷曲性能。環(huán)吹風(fēng)速過大,原絲中破裂絲數(shù)量增加,由于破裂絲的產(chǎn)生,說明原絲截面未形成很好的閉合,在后紡牽伸過程中易產(chǎn)生毛絲、斷絲、疵點(diǎn);纖維的支撐作用下降,膨松性能下降[6-8]。
環(huán)吹風(fēng)速是影響不對稱的原絲橫截面結(jié)構(gòu)的主要因素之一,冷卻風(fēng)速愈大,這種不對稱結(jié)構(gòu)愈加明顯;但是風(fēng)速過大,由于絲條冷卻得過快,因而會造成凝固點(diǎn)上移,原絲的EYSl.5相應(yīng)降低,不利于后道牽伸。結(jié)合表1知,當(dāng)環(huán)吹風(fēng)速為8.0 m/s時(shí),不利于后道牽伸。
對環(huán)吹風(fēng)速為8.0、7.0、6.0 m/s三種工藝下生產(chǎn)的原絲使用掃描電子顯微鏡進(jìn)行截面分析,考察環(huán)吹風(fēng)速對原絲冷卻閉合性能的影響。具體見圖1。
a):環(huán)吹風(fēng)速8.0 m/s原絲截面
b):環(huán)吹風(fēng)速7.0 m/s原絲截面
c):環(huán)吹風(fēng)速6.0 m/s原絲截面
從圖1可以看出,當(dāng)環(huán)吹風(fēng)速為8.0 m/s時(shí),原絲截面閉合處有較多的溝槽,且原絲截面“三角”中空略扁,有一定的破裂絲;說明風(fēng)速過高,絲束的不穩(wěn)定性增加,橫向沖擊力增加,所以原絲中具有一定數(shù)量的破裂絲,且中空閉合處有一定的溝槽褶皺。當(dāng)環(huán)吹風(fēng)速為7.0 m/s時(shí),原絲截面成形較好,截面“三角”中空較充盈豐滿且較為規(guī)整,破裂絲數(shù)量明顯降低,中空閉合處無溝槽褶皺。當(dāng)環(huán)吹風(fēng)速為6.0 m/s時(shí),原絲截面“三角”中空較充盈豐滿且較為規(guī)整,中空閉合處無溝槽褶皺,有一定數(shù)量的破裂絲,原絲截面“三角”中空中空度略小于環(huán)吹風(fēng)速為7.0m /s原絲。
綜上所述,當(dāng)環(huán)吹風(fēng)速為8.0m /s時(shí),原絲指標(biāo)相對較差,不利于后道牽伸;當(dāng)環(huán)吹風(fēng)速為7.0 m/s時(shí),原絲指標(biāo)相對較優(yōu),有利于后道牽伸。
中空纖維后牽伸有兩級拉伸[9],第一級牽伸由第二牽伸機(jī)(DF2)與第一牽伸機(jī)(DF1)共同完成,拉伸區(qū)域發(fā)生在DB槽內(nèi);第二級牽伸由緊張定型機(jī)(HR)與第二牽伸機(jī)(DF2)共同完成,拉伸區(qū)域發(fā)生在蒸汽加熱箱內(nèi)。在實(shí)際生產(chǎn)中需要合理分配兩級倍率,并使總倍率大于自然拉伸倍率。
使用1#、2#、3#原絲,固定第二級牽伸倍率為1.035,考察第一級牽伸倍率對成品纖維膨松性能的影響。在牽伸過程中,當(dāng)牽伸倍率為3.050時(shí),三種原絲的可牽伸性能變差,牽伸過程易產(chǎn)生毛絲,造成纏輥;當(dāng)牽伸倍率為3.00時(shí),2#、3#原絲整體運(yùn)行較好,1#原絲的可牽伸性能差。一牽倍率對成品纖維膨松性能和壓縮回彈性能的影響具體見圖2-4。
圖2 一牽倍率對成品纖維膨松V1性能的影響
圖3 一牽倍率對成品纖維膨松V2性能的影響
圖4 一牽倍率對成品纖維壓縮回彈性能的影響
結(jié)合圖2、圖3、圖4知,環(huán)吹風(fēng)速為7.0 m/s、6.0 m/s時(shí),隨著一牽牽伸倍率的提高,膨松V1性能呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢,膨松V2性能呈現(xiàn)出先提高后降低的趨勢,壓縮回彈性能呈現(xiàn)出先提高后降低的趨勢。環(huán)吹風(fēng)速為8.0 m/s時(shí),膨松V1性能變化不明顯,膨松V2性能隨著牽伸倍率的提高逐漸升高。環(huán)吹風(fēng)速為7.0 m/s、6.0 m/s時(shí),成品纖維的膨松V1指標(biāo)較高。環(huán)吹風(fēng)速為7.0 m/s時(shí),成品纖維的膨松V1指標(biāo)、V2指標(biāo)、壓縮回彈性能指標(biāo)均較高。因此初步確定前紡環(huán)吹風(fēng)速為7.0 m/s、后紡一牽倍率為2.950,二牽倍率為1.035,成品纖維性能膨松性能指標(biāo)相對最優(yōu)。
隨著一牽牽伸倍率的提高,纖維的晶區(qū)和非晶區(qū)取向度同時(shí)得到提高[10],其中非晶區(qū)取向的提高促進(jìn)了成品纖維膨松V2指標(biāo)的提高。這是成品纖維膨松V2指標(biāo)隨著牽伸倍率的提高而提高的主要原因。一牽牽伸后,非晶區(qū)雖然未發(fā)生結(jié)晶作用,但是已經(jīng)產(chǎn)生大量晶核,產(chǎn)生的晶核經(jīng)過蒸汽加熱箱(蒸汽加熱箱的溫度一般在100 ℃左右),瞬間形成結(jié)晶,進(jìn)而成為晶區(qū)。同時(shí)一級牽伸所形成的晶核,主要受到拉伸的影響,原絲的迎風(fēng)面預(yù)取向度較高,因而優(yōu)先在原絲的迎風(fēng)面產(chǎn)生較高的拉伸應(yīng)力。且隨著牽伸倍率的提高,晶核產(chǎn)生的數(shù)量也會相應(yīng)增加,通過蒸汽加熱箱后迎風(fēng)面的結(jié)晶度會得到進(jìn)一步的提高,同時(shí)纖維的徑向非晶區(qū)的高彈形變也會相應(yīng)變大,從而進(jìn)一步說明原絲的不均勻性(迎風(fēng)面和背風(fēng)面的非對稱冷卻)通過牽伸得到了更好的體現(xiàn),在外力釋放后,纖維的膨松V2指標(biāo)得到進(jìn)一步提高。
當(dāng)一牽牽伸倍率過高時(shí),由于部分原絲迎風(fēng)面和背風(fēng)面的結(jié)晶取向趨于一致,三維立體自卷曲效果消失,從而造成成品纖維V2指標(biāo)降低。同時(shí)由于纖維的可牽伸性能變差、牽伸過程容易被拉斷,使得毛絲和纏輥現(xiàn)象明顯增多,進(jìn)而降低后紡運(yùn)轉(zhuǎn)率,降低產(chǎn)品指標(biāo)。
因而確定前紡環(huán)吹風(fēng)速為7.0 m/s、后紡一牽倍率為2.950,二牽倍率為1.035,成品纖維性能膨松性能指標(biāo)相對最優(yōu)。
14.44 dtex中空初生纖維經(jīng)過一級牽伸、二級牽伸后其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)仍然不完善,內(nèi)部序態(tài)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,大分子鏈段尺寸穩(wěn)定性差,必須經(jīng)過松弛定型機(jī)在一定溫度下進(jìn)行一定時(shí)間的熱定型,從而固定中空纖維卷曲形態(tài)、膨松性能。有研究表明[11]在松弛熱定型機(jī)二區(qū)纖維結(jié)晶就已基本完成;在松弛熱定型機(jī)四—六區(qū)附近,結(jié)晶度已經(jīng)不再變化,基本得到了穩(wěn)定。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況,本生產(chǎn)線在生產(chǎn)14.44 dtex有硅品種時(shí)采用九個(gè)區(qū)進(jìn)行加熱定型,設(shè)定松弛前三個(gè)區(qū)的溫度為80~100 ℃。使用2#原絲即環(huán)吹風(fēng)速為7.0 m/s原絲,一牽倍率為2.950,二牽倍率為1.035??疾旌罅鶄€(gè)區(qū)的最高定型溫度對成品纖維性能指標(biāo)的影響,具體見表2。
表2 松弛定型最高溫度對成品纖維性能指標(biāo)的影響
從表2中可以看出,松弛定型區(qū)溫度的提高對膨松V1指標(biāo)影響相對較小。隨著松弛定型區(qū)溫度的提高,膨松V2指標(biāo)呈現(xiàn)出先提高后降低的趨勢,當(dāng)松弛定型溫度達(dá)到160 ℃時(shí),膨松V2趨近于穩(wěn)定。隨著松弛定型區(qū)溫度的提高,成品纖維卷曲數(shù)和卷曲度均呈現(xiàn)出先提高后降低的趨勢,當(dāng)松弛定型溫度達(dá)到160 ℃時(shí),卷曲數(shù)達(dá)到最大為8.8個(gè)/25 mm,卷曲度達(dá)到26.8%。松弛定型溫度達(dá)到160 ℃和170 ℃時(shí),成品纖維的滑爽性較好,可以達(dá)到3.5級。
中空纖維的膨松V2值與纖維的非晶區(qū)取向度、卷曲數(shù)同時(shí)相關(guān)。隨著纖維的定型溫度的提高,非晶區(qū)取向度提高,使得膨松V2值提高;同時(shí)由于松弛回縮幅度增大,成品纖維卷曲數(shù)增大,亦有利于膨松V2值的提高。
當(dāng)纖維的卷曲數(shù)增加時(shí),纖維的纏結(jié)作用增強(qiáng),使得壓縮回彈性能E值有一定程度的下降。但是由于纖維的結(jié)晶度上升,促進(jìn)了壓縮回彈性能E值的提高,這兩種作用相互抵消,使得纖維最終壓縮回彈性能E值變化不大。
對2-1#、2-2#、2-3#、2-4#四個(gè)樣品使用充枕方法,對纖維的膨松性能和壓縮回彈性能進(jìn)行評價(jià)。
使用240 g纖維進(jìn)行開松充枕、量高,隨后抽氣壓縮,維持12 h放氣,平衡24 h 后再次測量抱枕高度,抱枕高度見表3。
表3 抱枕高度對比
從表3中可以看出,當(dāng)松弛定型溫度為160 ℃時(shí),成品纖維充填抱枕時(shí),抱枕的原始高度最高為20.5 cm,壓縮回彈后高度也最高為15.8 cm,抗壓回彈速度最快,按壓阻力最小。當(dāng)松弛定型溫度為180 ℃時(shí),成品纖維充填抱枕時(shí),抱枕的原始高度最低為18.0 cm,壓縮回彈后高度最低為13.0 cm。
通過紡絲冷卻條件、牽伸工藝以及松弛定型溫度的控制,可以實(shí)現(xiàn)14.44 dtex粗旦有硅中空纖維的正常生產(chǎn),且產(chǎn)品膨松性能、滑爽性能均能夠滿足用戶需求。具體控制原則如下:
a) 生產(chǎn)14.44 dtex粗旦有硅中空纖維時(shí),冷卻風(fēng)溫溫度控制在18~21 ℃,環(huán)吹風(fēng)速控制在6.0~7.0 m/s。
b) 環(huán)吹風(fēng)速控制在7.0 m/s時(shí),一牽倍率在2.950、二牽倍率在1.035時(shí)、松弛區(qū)最高定型溫度為160 ℃時(shí),原絲指標(biāo)和成品纖維指標(biāo)均較優(yōu),成品纖維膨松性能V2為69 cm3/g,壓縮回彈性能最優(yōu)為76%,滑爽性能較優(yōu)為3.5級,抗壓縮回彈速度快。