中空纖維蓬松及壓縮回彈性能的研究

聞秀銀,嚴 巖,2,潘曉娣,2

(1. 中國石化儀征化纖有限責任公司研究院,江蘇儀征 211900;2. 江蘇省高性能纖維重點實驗室,江蘇儀征 211900)

中空纖維加工成枕頭和被子等終端產(chǎn)品經(jīng)抽真空壓縮后銷售,經(jīng)數(shù)月到達客戶手中,產(chǎn)品被壓縮釋放后高度有所降低,即纖維壓縮回彈性能下降。對于中空纖維來說,蓬松性和壓縮回彈性兩項指標非常重要。蓬松性越好,客戶使用的填充量越少,抱枕成本越低;壓縮回彈性越好,回彈的高度越大,使用越舒服。張鵬等[1]主要從紡絲環(huán)節(jié)考慮,通過提高環(huán)吹風量、降低風溫等工藝提高纖維的中空度,認為在線密度一定時,隨著中空度的增加,其抗彎剛度增大即彎曲彈性降低,客觀上表現(xiàn)為纖維較難彎曲因而蓬松度提高;同時中空度增加后,纖維的壁厚變小,彎曲后恢復(fù)原狀的能力減小,彈性回復(fù)率降低,又導(dǎo)致纖維蓬松度減小。最終,纖維蓬松度是這兩種因素共同作用的結(jié)果。史麗梅、唐士軍等從紡絲強風強冷技術(shù)入手,認為強風強冷使得纖維截面微觀結(jié)構(gòu)的各向差異增大,具有三維螺旋狀卷曲,蓬松和壓縮回彈性能提高[2-5],但很多設(shè)備環(huán)吹風量或制冷效果有限,限制了蓬松和壓縮回彈性能的進一步提高,不能滿足下游客戶和終端用戶的需求。

因此,通過調(diào)整聚酯性能和牽伸工藝即牽伸倍率、牽伸溫度、緊張熱定型溫度、松弛熱定型溫度,深入研究中空纖維的蓬松以及壓縮回彈性能的變化,以解決目前纖維蓬松及壓縮回彈性能不良的問題。

1 試 驗

1.1 原料

聚酯熔體:中國石化儀征化纖有限責任公司。熔體的常規(guī)性能見表1。

表1 聚酯熔體的常規(guī)性能指標

纖維:6.67 dtex×64 mm中空纖維,中國石化儀征化纖有限責任公司。

1.2 儀器設(shè)備

相對黏度儀,Y501C型,美國Viscotek公司;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;開松充填一體設(shè)備,100-1型,山東沃歷德機械設(shè)備公司。

1.3 中空纖維制備

采用熔體直紡技術(shù),使用C型噴絲板生產(chǎn)。

前紡:熔體分配閥→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→油劑浴槽→第一牽伸機(DF一1)→牽伸浴槽(DB槽)→第二牽伸機(DF一2)→蒸汽加熱箱(HBX)→緊張定型機(HR)→疊絲機→蒸汽預(yù)熱箱→卷曲機→冷卻輸送帶→曳引張力機→切斷機→松弛定型機→斜鏈板→平鋪機→打包機(BM)。

開松充填工藝流程:稱量550 g中空纖維→投喂纖維→開松→充填抱枕→量高度h1→抽真空75 s→壓縮24 h→釋放2 h→量高度h2。

1.4 分析測試

特性黏度測試:采用美國Viscotek公司Y501C相對黏度儀,溫度(25±0.1)℃,溶劑為苯酚-四氯乙烷(質(zhì)量比為1∶1)。

蓬松性及壓縮回彈性能測試:枕套尺寸50 cm×90 cm,纖維填充量(550±5)g。在開松充填一體設(shè)備上進行開松充填,對每個樣品進行兩次充枕,分別測量抱枕初始高度,取均值為h1,進行24 h壓縮、然后釋放2 h,再次分別測量壓縮回彈高度,取均值為h2。h1代表中空纖維的蓬松性能,數(shù)值越高、蓬松性能越好;h2代表中空纖維的壓縮回彈性能,數(shù)值越高,壓縮回彈性能越好。

滑爽性能測試:經(jīng)過梳棉機梳理的試樣與滑爽級數(shù)為4.0級的標準樣品進行手摸比較,若手感與標樣一樣則滑爽性定為4.0級,若比標樣差,則根據(jù)實際手感,以0.5級依次遞減進行定級。

中空度測試:剪紙法,采用電子顯微鏡對纖維進行截面測試,打印,任意選擇30個截面,先從截面外圈剪下,再把內(nèi)圈剪下。稱量30個內(nèi)圈和外圈的重量,內(nèi)圈重量除以(內(nèi)圈重量+外圈重量)即為中空度。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚酯特性黏度的影響

使用不同特性黏度的聚酯原料生產(chǎn)的中空纖維進行蓬松及壓縮回彈性能測試,結(jié)果如表2所示。

表2 聚酯特性黏度對纖維蓬松及壓縮回彈性能影響

從表2可以看出,聚酯原料特性黏度越高,填充抱枕初始高度和壓縮回彈高度越高。迎風面因風量大使得熔體流動性能減弱,冷卻成形速度加快;相反背風面風量小,熔體冷卻成形速度減慢。聚酯熔體的特性黏度越大、分子量越高,高分子的分子鏈越長,分子間作用力越大,迎風面與背風面冷卻成形速度相差越大,在相同的拉伸情況下,迎風面分子結(jié)構(gòu)排序不如背風面,分子結(jié)構(gòu)排列差異越明顯,因此纖維的三維卷曲越明顯,從而提高纖維的蓬松和壓縮回彈性能。在所研究的范圍內(nèi),將特性黏度設(shè)定在0.682 dL/g更佳[6]。

2.2 牽伸倍率的影響

在固定聚酯特性黏度0.682 dL/g、牽伸溫度55 ℃、緊張熱定型溫度95 ℃、松馳熱定型溫度164 ℃等工藝條件下,對不同牽伸倍率生產(chǎn)的纖維進行蓬松及壓縮回彈性能測試,結(jié)果如表3所示。

表3 牽伸倍率對纖維蓬松及壓縮回彈性能影響

從表3可以看出,牽伸倍率在2.75～2.80范圍內(nèi)數(shù)據(jù)越大,抱枕的初始高度和壓縮回彈高度越大,說明牽伸倍率越大纖維的蓬松性和壓縮回彈性能越好,原因是提高牽伸倍率,迎風面和背風面在原絲分子結(jié)構(gòu)差異的基礎(chǔ)上,背風面分子結(jié)構(gòu)排序更緊密,進一步擴大原絲迎風面和背風面分子結(jié)構(gòu)的差距,提高三維卷曲的效果,從而提高蓬松及壓縮回彈性能。但牽伸倍率過高,出現(xiàn)部分絲束斷頭從而產(chǎn)生未牽伸絲,既影響纖維蓬松性能和壓縮回彈性能,又影響生產(chǎn)穩(wěn)定運行[7]。牽伸倍率設(shè)定在2.80左右較合適。

2.3 牽伸溫度的影響

在固定聚酯特性黏度0.682 dL/g、牽伸倍率2.80、緊張熱定型溫度95 ℃、松弛熱定型溫度164 ℃等工藝條件下,對調(diào)試牽伸溫度生產(chǎn)的纖維進行蓬松及壓縮回彈性能測試,結(jié)果如表4所示。

表4 不同牽伸溫度的纖維蓬松和壓縮回彈性能

從表4可以看出,隨著牽伸溫度的降低,抱枕的初始高度和壓縮回彈高度逐漸升高,而后降低。這是因為牽伸溫度高時,不管迎風面還是背風面的分子鏈段都可以充分運動,沿著纖維軸向有序排列,削弱了原絲迎風面和背風面的差異,使得三維卷曲效果下降,從而使得蓬松及壓縮回彈性能降低。但溫度過低,分子鏈斷運動困難,會產(chǎn)生毛絲而纏輥,影響運行,而且容易混進未牽伸絲造成壓縮回彈性能不升反降的現(xiàn)象。牽伸溫度設(shè)定在55 ℃左右較合適。

2.4 緊張熱定型溫度的影響

在固定聚酯特性黏度0.682 dL/g、牽伸倍率2.80、牽伸溫度55 ℃、松弛熱定型溫度164 ℃等工藝條件下,對調(diào)試緊張熱定型溫度生產(chǎn)的纖維進行蓬松及壓縮回彈性能測試,結(jié)果如表5所示。

表5 緊張熱定型溫度對纖維蓬松及壓縮回彈性能影響

從表5得知,在滿足拉伸過程不產(chǎn)生毛絲、纏輥、斷頭的前提下,適當提高中空纖維緊張熱定型溫度,抱枕的初始高度和壓縮回彈高度提高。提高緊張熱定型溫度,分子會獲得更高的熱量,分子鏈更容易隨著拉伸方向排列緊密,提高纖維的結(jié)晶度和模量[8],從而使得纖維抗壓縮性能增加,壓縮回彈高度增加。但溫度繼續(xù)提高,分子鏈段更易獲得熱量而被牽伸,而后回縮,使得纖維中空空腔降低較多,纖維的比表面積減小,相同質(zhì)量的纖維體積降低,從而影響了纖維的蓬松及壓縮回彈性能。緊張熱定型溫度設(shè)定在95 ℃左右較合適。

2.5 松弛熱定型溫度的影響

在固定聚酯特性黏度0.682 dL/g、牽伸倍率2.80、牽伸溫度55 ℃、緊張熱定型溫度95 ℃等工藝條件下,對調(diào)試松弛熱定型溫度生產(chǎn)的纖維進行蓬松及壓縮回彈性能測試,結(jié)果如表6所示。

表6 松弛熱定型溫度對纖維蓬松及壓縮回彈性能影響

松弛熱定型一方面使得硅油與纖維發(fā)生交聯(lián)化反應(yīng),使得硅油更好地附著于纖維表面從而使得纖維滑爽,另一方面使已有的三維卷曲穩(wěn)固。從表6可知,隨著松弛定型溫度的降低,抱枕的初始高度和壓縮回彈高度稍有增高,當松弛熱定型溫度降低至164 ℃后,抱枕的初始高度和壓縮回彈高度開始下降。原因為當定型溫度較高,達到167 ℃和170 ℃時,觀察到硅油在纖維表面板結(jié)和微板結(jié),影響了纖維的蓬松性能和壓縮回彈性能;當定型溫度降低到164 ℃時,纖維表面無板結(jié),纖維蓬松及壓縮回彈性能提高;再降低定型溫度至161 ℃時,纖維表面雖然無板結(jié),但因為溫度太低,硅油未完全發(fā)生交聯(lián)反應(yīng),纖維滑爽性降低,充填時纖維與纖維易發(fā)生纏結(jié),從而使得纖維蓬松及壓縮回彈性能降低[9-10]。松弛熱定型溫度設(shè)定在164 ℃左右較合適。

3 結(jié) 論

a) 生產(chǎn)中空纖維時,聚酯的特性黏度對纖維的蓬松及壓縮回彈性能影響較大,盡可能提高聚酯的特性黏度。

b) 在牽伸工序中,在不影響運行的情況下適當提高牽伸倍率、降低牽伸溫度,有利于增強纖維迎風面和背風面的差異,提高三維卷曲效果,從而提高纖維的蓬松及壓縮回彈性能。牽伸倍率設(shè)定2.80左右,牽伸溫度設(shè)定55 ℃左右。

c) 適當提高緊張熱定型溫度,可以提高纖維模量,提高抗壓縮性能,從而有利于提高纖維的蓬松和壓縮回彈性能。緊張熱定型溫度設(shè)定95 ℃左右。

d) 在不影響纖維滑爽性的情況下,可以適當降低松弛熱定型溫度,消除板結(jié)和微板結(jié)現(xiàn)象,從而提高纖維的蓬松及壓縮回彈性能。松弛熱定型溫度設(shè)定在164 ℃左右。