低中空高回彈三維螺旋卷曲纖維的制備及性能研究Ⅱ. 拉伸工藝研究

史利梅，劉傳生，路 廣，王 偉，李 映，張文強(qiáng)

(1. 中國石化儀征化纖股份有限公司，江蘇 儀征 211900；2. 江蘇省高性能纖維重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 儀征 211900)

在《低中空高回彈三維螺旋卷曲纖維的制備及性能研究Ⅰ.原料及紡絲工藝研究》[1]中探討了采用高黏度聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)和低黏度PET制備雙組分并列復(fù)合中空纖維的一些相關(guān)因素[2-5]。結(jié)果表明，高黏度PET和低黏度PET兩個組分的特性黏數(shù)([η])之差必須達(dá)到0.064 dL/g以上，所得原絲才具有良好的三維螺旋立體卷曲能力。

作者繼續(xù)探討拉伸工藝對成品纖維的三維螺旋立體卷曲性能的影響，通過對低中空度的雙組分PET原絲進(jìn)行極限拉伸來增大纖維兩組分之間的性能差異，從而獲得一種同時(shí)兼具良好的壓縮回彈率、三維螺旋卷曲性能的細(xì)旦型滌綸中空纖維。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料及試樣

常規(guī)半消光PET切片：Ⅰ號，儀征化纖有限公司產(chǎn)；低黏PET大有光PET切片：Ⅳ號，自制。兩種PET切片常規(guī)性能指標(biāo)見表1。

表1 原料切片常規(guī)性能指標(biāo)Tab.1 Conventional properties of chips

1.2 儀器與設(shè)備

BT600真空轉(zhuǎn)鼓干燥機(jī)：德國富耐公司制；中麗小型FDY紡絲試驗(yàn)機(jī)：北京中麗制機(jī)化纖工程技術(shù)有限公司制；FC100雙熱盤平牽機(jī)：自制；Y501相對黏度儀：美國Voscotek公司制； DSC-7 型差示掃描量熱儀：美國Perkin Elmer公司制； TEXTURMAT M型卷曲收縮測試儀：德國TEX-TECHNO公司制；Statimat M型自動強(qiáng)伸儀：德國TEX-TECHNO公司制；SOM-III型聲速儀：東華大學(xué)制；光學(xué)纖維鏡：日本Nikon公司制；STEREOSCAN 440型掃描電子顯微鏡(SEM)：英國Leica-Cambridge制。

1.3 分析測試

[η]、熔融溫度、收縮率、斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率、聲速取向因子(fs)、纖維截面形貌、纖維三維螺旋卷曲按文獻(xiàn)[1]進(jìn)行測定。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

1.4.1 雙組分并列復(fù)合初生纖維的制備

將Ⅰ號切片和Ⅳ號切片，分別在真空轉(zhuǎn)鼓中按按文獻(xiàn)[1]工藝進(jìn)行干燥。將干燥后的切片，采用雙組分并列復(fù)合型中空噴絲板進(jìn)行紡絲， 得到雙組分并列復(fù)合初生纖維，其紡絲工藝流程同文獻(xiàn)[1]。紡絲工藝參數(shù)為：Ⅰ號切片與Ⅳ號切片的質(zhì)量比為40/60，Ⅰ號切片與Ⅳ號切片的熔融溫度分別為290，285 ℃，紡絲速度為1 000 m/min，冷卻風(fēng)速度為0.50 m/min，冷卻風(fēng)溫度為(20±1)℃。A螺桿Ⅰ～Ⅴ區(qū)的溫度分別為：270，290，290，290，290 ℃，箱體溫度290 ℃。B螺桿Ⅰ～Ⅴ區(qū)的溫度分別為：270，285，285，285，285 ℃，箱體溫度為290 ℃。

1.4.2 拉伸絲(DT絲)的制備

將雙組分并列復(fù)合初生纖維按文獻(xiàn)[1]拉伸工藝進(jìn)行拉伸得到DT絲。其拉伸工藝參數(shù)為：一級拉伸溫度設(shè)定為85 ℃，二級拉伸溫度設(shè)定為110～130 ℃，定型溫度設(shè)定為130～145 ℃，一級拉伸倍率為3.00～4.50，二級拉伸倍率為0.98～1.20。

2 結(jié)果與討論

2.1 總拉伸倍率設(shè)定依據(jù)

拉伸實(shí)驗(yàn)所用原絲為文獻(xiàn)[1]中4#復(fù)合纖維，其物理性能指標(biāo)為：線密度340.3 dtex，斷裂強(qiáng)度0.86 cN/dtex，斷裂伸長率378.2%，中空度6.87%。由下列公式(1)計(jì)算得到該原絲的最大拉伸倍率為4.3～4.5，故拉伸實(shí)驗(yàn)中的總拉伸倍率設(shè)定以此為基準(zhǔn)，并根據(jù)原絲斷裂伸長率(S)進(jìn)行調(diào)整。

(1)

式中：R為極限拉伸總拉伸倍率。

2.2 松弛定型對DT絲卷曲性能的影響

保持二級拉伸倍率0.98不變，設(shè)定二級拉伸溫度130 ℃，利用雙熱盤平牽機(jī)進(jìn)行不同一級拉伸倍率下的拉伸，所得DT絲的物理性能指標(biāo)見表2，卷曲形態(tài)見圖1。從表2和圖1可以看出：一級拉伸倍率從3.30升至4.40，DT絲的斷裂強(qiáng)度由2.98 cN/dtex升至4.19 cN/dtex，斷裂伸長率從31.4%降至5.68%，卷曲效果隨著拉伸倍率的提高稍有顯現(xiàn)，但三維螺旋立體卷曲沒有出現(xiàn)。這是因?yàn)槎壚毂堵市∮?.00時(shí)實(shí)際上是一步拉伸和松弛定型的實(shí)驗(yàn)流程。松弛定型模式中，兩組分均經(jīng)過較高溫度下的回縮，內(nèi)在拉伸應(yīng)力得以消除，兩組分間的收縮差異基本消失，故松弛定型條件基本得不到具有三維螺旋立體卷曲的纖維。

表2 二級拉伸倍率0.98時(shí)的DT絲物理性能指標(biāo)Tab.2 Physical index of DT fiber at a second draw ratio of 0.98

圖1 不同一級拉伸倍率時(shí)的DT絲卷曲形態(tài)Fig.1 Crimp morphology of DT fiber at different first draw ratios

2.3 緊張定型對DT絲卷曲性能的影響

采取兩步拉伸模式，上熱盤一級拉伸溫度設(shè)定為85 ℃，下熱盤二級拉伸溫度設(shè)定為130 ℃，熱板定型溫度設(shè)定為145 ℃，提高二級拉伸倍率為1.00～1.20并同步降低一級拉伸倍率以維持總拉伸倍率不變[1-2]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 在維持總拉伸倍率4.20不變的基礎(chǔ)上，二級拉伸倍率由1.00逐漸增至1.20均可正常拉伸。拉伸所得DT絲斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長率均在小范圍內(nèi)波動，未見明顯差異，如表3所示。

表3 總拉伸倍率4.20時(shí)的 DT絲物理性能指標(biāo)Tab.3 Physical index of DT fiber at a total draw ratio of 4.20

由圖2可以看出，DT絲的卷曲程度隨二級拉伸倍率的提升而提高，但二級拉伸倍率過高，卷曲的細(xì)密程度有所降低。故二級拉伸倍率為1.05～1.10較合適。

圖2 DT絲卷曲形態(tài)隨二級拉伸倍率變化趨勢Fig.2 Change trend of crimp morphology of DT fiber with second draw ratio

2.4 總拉伸倍率對纖維卷曲性能的影響

保持二級拉伸倍率1.05、二級拉伸溫度130 ℃、熱板定型溫度145 ℃不變，調(diào)整一級拉伸倍率逐步由3.20增大至4.00，總拉伸倍率增加。所得DT絲物理性能指標(biāo)見表4、卷曲性能見圖3。

表4 總拉伸倍率對 DT絲物理性能的影響Tab.4 Effect of total draw ratio on physical properties of DT fiber

圖3 不同總拉伸倍率下的DT絲的卷曲形態(tài)Fig.3 Crimp morphology of DT fiber at different total draw ratios

由表4及圖3可見，10#，11#，12#3個試樣在同樣的拉伸溫度、緊張定型的情況下，總拉伸倍率從3.36提高至4.20，其DT絲的斷裂強(qiáng)度由2.67 cN/dtex增至4.05 cN/dtex，斷裂伸長率由25.6%降至9.1%，三維立體卷曲效果明顯提升，表現(xiàn)在細(xì)密程度和蓬松程度有本質(zhì)性提高。

由此可見，緊張定型有利于纖維內(nèi)在卷曲性能的釋放，但僅有緊張定型，總拉伸倍率較低，并不能充分體現(xiàn)出纖維的三維螺旋卷曲效果。卷曲性能隨著總拉伸倍率的提高而顯現(xiàn)，總拉伸倍率越高，纖維斷裂伸長率越低，三維螺旋立體卷曲體現(xiàn)得越充分。但拉伸倍率過高，給生產(chǎn)運(yùn)行造成困難。故本研究中提出極限拉伸的概念，即控制原絲具有較低的中空度以保證拉伸性能，按照公式(1)初步測算原絲的最大拉伸倍率，根據(jù)運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)整，采用最大拉伸倍率進(jìn)行拉伸以獲得良好的三維卷曲。

由于長絲和短纖維的拉伸曲線的測試方法不同，長絲采用束絲法，短纖維采用單絲法，故對于長絲，必須保證緊張定型條件下纖維的斷裂伸長率低于15%左右，方可保證纖維具有良好的三維螺旋立體卷曲效果。對于短纖維，纖維的斷裂伸長率控制在40%以下即具備較好的三維螺旋立體卷曲，且隨著拉伸倍率的提高，纖維斷裂伸長率降低，三維螺旋立體卷曲效果趨于優(yōu)化，其效果如圖4所示。

圖4 總拉伸倍率對短纖維三維卷曲性能的影響Fig.4 Effect of total draw ratio on three-dimensional crimp properties of staple fiber

2.5 二級拉伸溫度對DT絲卷曲性能的關(guān)系

保持總拉伸倍率4.20(4.00×1.05)不變，調(diào)整平牽機(jī)下熱盤溫度(即二級拉伸溫度)為100 ℃和130 ℃，下熱盤溫度既有二級拉伸的作用又有初步定型的作用，熱板定型溫度145 ℃不變[6-7]。二級拉伸溫度對DT絲性能指標(biāo)的影響見表5、卷曲效果見圖5。

表5 二級拉伸溫度對 DT絲性能的影響Tab.5 Effect of second draw temperature on properties of DT fiber

圖5 不同二級拉伸溫度下的纖維卷曲形態(tài)Fig.5 Crimp morphology of fiber at different second draw temperature

由表5和圖5可見：在較高的二級拉伸溫度條件下拉伸，纖維的斷裂強(qiáng)度有較大程度的提高，斷裂伸長率有所增大；纖維經(jīng)充分拉伸后，不同二級拉伸溫度下的三維立體卷曲效果均能充分體現(xiàn)出來；二級拉伸溫度為130 ℃下得到的纖維斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長率等物理性能和卷曲效果均優(yōu)于100 ℃。因此選擇二級拉伸溫度100～130 ℃均可，以130 ℃高溫為宜。

2.6 低中空高回彈三維螺旋卷曲纖維的制備及性能指標(biāo)

由上述研究結(jié)果，確定了制備低中空高回彈三維螺旋卷曲纖維的后加工工藝，其工藝參數(shù)如表6所示。

表6 低中空高回彈三維螺旋卷曲纖維拉伸工藝參數(shù)Tab.6 Drawing process parameters of three-dimensional spiral crimp fiber with low hollowness and high resilience

在表6的工藝條件下，制得的低中空高回彈三維螺旋卷曲纖維的橫截面形狀及卷曲性能見表7及圖6。

表7 低中空高回彈三維螺旋卷曲纖維性能指標(biāo)Tab.7 Properties of three-dimensional spiral crimp fiber with low hollowness and high resilience

圖6 纖維的截面形貌及卷曲形態(tài)Fig.6 Cross section and crimp morphology of fiber

由表7及圖6可以看出，本研究制備的低中空高回彈三維螺旋卷曲纖維截面具有明顯的偏心程度、較低中空度及保持完好的中空形態(tài)，纖維兼具細(xì)旦、良好的三維螺旋卷曲、良好的卷曲彈性回復(fù)率。

3 結(jié)論

a. 采用高黏度PET和低黏度PET通過并列型雙組分復(fù)合紡絲法及極限拉伸技術(shù)，制得了具有細(xì)旦、低中空、高回彈、高蓬松、良好三維螺旋卷曲等特性的滌綸長絲。

b. 拉伸方式、總拉伸倍率對纖維的卷曲性能影響較大，采取二步拉伸、一級拉伸倍率較大、二級拉伸倍率為1.05～1.10可以得到具有良好三維螺旋立體卷曲的纖維。

c. 通過一級拉伸倍率控制纖維的伸長率，長絲產(chǎn)品的斷裂伸長率需控制在小于或等于15%，短纖維的斷裂伸長率控制在小于等于40%，產(chǎn)品的三維螺旋立體卷曲較好。