卷繞速度對錦綸6預(yù)取向絲取向結(jié)構(gòu)及性能的影響

席麗媛，管新海，趙廣兵，李海濤

(1.蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021；2.吳江亞太化紡有限公司，江蘇 吳江 215231)

研究與技術(shù)

卷繞速度對錦綸6預(yù)取向絲取向結(jié)構(gòu)及性能的影響

席麗媛1，管新海1，趙廣兵2，李海濤2

(1.蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021；2.吳江亞太化紡有限公司，江蘇 吳江 215231)

為在泵供量不變的情況下，確定生產(chǎn)后加工性能優(yōu)良錦綸6預(yù)取向絲的最佳卷繞速度，采用不同的紡絲速度對錦綸6預(yù)取向絲進(jìn)行試紡，討論了生產(chǎn)過程中紡絲卷繞速度對于絲樣取向結(jié)構(gòu)的影響，并對不同卷繞速度生產(chǎn)錦綸6預(yù)取向絲的各項性能進(jìn)行測試分析。實驗結(jié)果表明：錦綸6預(yù)取向絲的線密度隨著卷繞速度的增加呈下降趨勢，表征取向結(jié)構(gòu)的各項指標(biāo)卻隨之增加。卷繞速度為4 350 m/min生產(chǎn)的錦綸6預(yù)取向絲，條干均勻、不勻率偏差較低，斷裂強度最大，斷裂伸長率適中，具備良好的后加工品質(zhì)。

錦綸6； 預(yù)取向絲； 卷繞速度； 取向因子； 條干不勻率

錦綸6纖維綜合性能優(yōu)異，具有斷裂強度高、回彈性和耐疲勞性優(yōu)良等特點，由其制成的衣料在游泳衣、緊身衣、襪類等方面均占有穩(wěn)定市場，并日益發(fā)展[1-2]。但就目前國內(nèi)合成纖維發(fā)展情況來看，相對于滌綸產(chǎn)業(yè)過度飽和[3]，錦綸纖維的開發(fā)還不夠完善，針對錦綸纖維工藝和性能方面的研究也比較少。本研究在紡絲機允許的范圍內(nèi)，最大限度地提高錦綸6預(yù)取向絲的紡絲卷繞速度，由此得到不同紡絲速度下制備的錦綸6預(yù)取向絲，并對纖維的取向結(jié)構(gòu)和各項性能指標(biāo)進(jìn)行測試，分析探討了紡絲卷繞速度對錦綸6預(yù)取向絲線密度、取向結(jié)構(gòu)、條干不勻率及斷裂強伸度的影響，確定保證錦綸6預(yù)取向絲性能優(yōu)良的最佳紡絲卷繞速度，以提高生產(chǎn)效率。

1 實 驗

1.1 實驗原料

實驗采用的錦綸6切片原料為超高分子半消光錦綸6切片(韓國曉星公司)，主要指標(biāo)如表1所示。

表1 錦綸6干燥切片主要指標(biāo)

1.2 設(shè)備與議器

15E8-24D型螺桿擠壓機、紡絲箱體、上油裝置、采用噴嘴上油、0-70 D/1位1套吹風(fēng)冷卻裝置(德國巴馬格公司)，WINGS卷繞裝置(歐瑞康紡織機械有限公司)，DSD281型空壓機(德國凱撒公司)，聯(lián)苯加熱器(沈陽鍋爐制造有限責(zé)任公司)，YG086型縷紗測長儀(常州銳品精密儀器有限公司)，UT4-SP型電容式電子條干不勻率測定儀(USTER公司)，YG020型全自動單紗強力儀(武漢國美儀器有限公司)。

1.3 工 藝

1.3.1 流 程

錦綸6干燥切片→螺桿熔融→紡絲箱體→計量泵→紡絲組件→噴絲板噴出→側(cè)吹風(fēng)冷卻→上油集束→錦綸6預(yù)取向絲。

1.3.2 參 數(shù)

1.3.2.1 紡絲部分主要參數(shù)

錦綸6預(yù)取向絲紡絲工藝參數(shù)如表2所示。

表2 錦綸6 POY紡絲工藝參數(shù)

1.3.2.2 卷繞部分主要參數(shù)

在泵供量不變的前提下，將紡絲卷繞速度V由3 600 m/min開始，以150 m/min的間隔，逐次調(diào)至4 650 m/min。與此同時，為保證卷繞張力恒定，第一導(dǎo)絲輥(GR1)和第二導(dǎo)絲輥(GR2)的速度也隨著卷繞速度而變化，以此制備出不同紡絲卷繞速度的錦綸6預(yù)取向絲，具體數(shù)值設(shè)置如表3所示。

表3 紡絲卷繞速度與GR1、GR2速度

由表2和表3設(shè)定錦綸6預(yù)取向絲紡絲的主要參數(shù)，以此得到8種不同卷繞速度紡制的錦綸6預(yù)取向絲，對這些絲樣逐一進(jìn)行測試，并分析紡絲卷繞速度對錦綸6預(yù)取向絲取向結(jié)構(gòu)及性能的影響。

1.3.3 測試方法

1.3.3.1 線密度的測定

采用絞紗稱重法測定錦綸6預(yù)取向絲的線密度,預(yù)加張力為0.05 cN/dtex。

1.3.3.2 取向結(jié)構(gòu)的測定

用SCY-Ⅲ型聲速取向測定儀，對錦綸6預(yù)取向絲的取向結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試。測試條件：室溫25 ℃，空氣相對濕度65%，記錄下聲速值C(km/s)和聲速取向因子fs，由下式計算出纖維的聲速模量E(cN/dtex)：

E=9.97×C2

(1)

1.3.3.3 條干不勻率的測定

參照GB/T 14346—1993《化學(xué)纖維長絲電子條干不勻率試驗方法》測定錦綸6預(yù)取向絲的條干不勻率。測試條件：室溫20 ℃，空氣相對濕度65%，絲條退繞速度為200 m/min，測試時間為2 min。

1.3.3.4 斷裂強度與斷裂伸長率的測定

參照GB/T 14344—2008《化學(xué)纖維拉伸性能試驗方法》測定錦綸6預(yù)取向絲的斷裂強度和斷裂伸長率，并計算出斷裂強度CV值和斷裂伸長率CV值。8組不同卷繞速度下紡制的錦綸6預(yù)取向絲，每組取10卷，每卷測量10次，取其平均值。測試條件：室溫20 ℃，空氣相對濕度65%，試樣拉伸隔距設(shè)定為500 mm，拉伸速度為500 mm/min，初始張力為0.05 cN/dtex。

2 結(jié)果與討論

2.1 卷繞速度對錦綸6預(yù)取向絲線密度的影響

8組不同錦綸6預(yù)取向絲，在紡絲過程中使用的是同一種噴絲板，孔數(shù)均為24f。按測試方法1.3.3.1，測定錦綸6預(yù)取向絲的線密度，具體結(jié)果見表4。

表4 不同卷繞速度下錦綸6 POY的線密度

由表4數(shù)據(jù)可知，當(dāng)錦綸6預(yù)取向絲的紡絲卷繞速度由3 600 m/min逐步增加到4 650 m/min時，其線密度卻從107.3 dtex下降到87.4 dtex，即錦綸6預(yù)取向絲的線密度會隨著卷繞速度的增大而變細(xì)。產(chǎn)生這種情況的原因是：在泵供量的不變情況下[4]，不斷增加紡絲卷繞速度，第一導(dǎo)絲輥和第二導(dǎo)絲輥的速度也會隨之增加。此時，處于兩導(dǎo)絲輥之間錦綸6初生纖維的縱向拉伸力度就會加大，纖維內(nèi)部大分子沿縱向受力增加，宏觀表現(xiàn)為錦綸6預(yù)取向絲纖維被拉長變細(xì)。此外，使錦綸6預(yù)取向絲線密度減小的另一關(guān)鍵因素是：當(dāng)泵供量的不變時，單位時間內(nèi)錦綸6預(yù)取向絲的質(zhì)量是一定的，隨著紡絲卷繞速度增加，單位時間內(nèi)生產(chǎn)錦綸6預(yù)取向絲的長度增加，由質(zhì)量守恒定律可知，纖維長度增加，其線密度必然會減小。由此就會出現(xiàn)，錦綸6預(yù)取向絲的線密度隨著卷繞速度的增大而逐步減小的現(xiàn)象。

2.2 卷繞速度對錦綸6預(yù)取向絲取向結(jié)構(gòu)的影響

纖維的取向因子和聲速值是表征化學(xué)纖維材料中分子鏈或鏈段在流動場或應(yīng)力場中沿某特定方向擇優(yōu)排列的參數(shù)，反映的是纖維結(jié)構(gòu)中大分子鏈的總?cè)∠蚨?；而纖維的聲速模量是反映纖維的取向結(jié)構(gòu)的參數(shù)[5]。錦綸6預(yù)取向絲的性能與纖維內(nèi)部分子取向結(jié)構(gòu)有關(guān)系，紡絲過程中的卷繞速度是決定纖維分子取向結(jié)構(gòu)的重要影響因素[6]。參照1.3.3.2，分別測量出不同卷繞速度紡制的錦綸6預(yù)取向絲的取向因子及聲速值，并由式(1)計算出纖維的聲速模量，由此可得到紡絲卷繞速度與這三個參數(shù)之間的關(guān)系曲線，如圖1所示。

圖1 卷繞速度與取向結(jié)構(gòu)表征值之間的關(guān)系Fig.1 Relationship between winding speed and representative values of orientation structure

由圖1可知，錦綸6預(yù)取向絲的取向因子、聲速值及聲速模量均隨著紡絲卷繞速度的增加整體呈現(xiàn)出逐步增長的趨勢，但卷繞速度在3 900～4 200 m/min時，三項指標(biāo)基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。產(chǎn)生這種趨勢的原因可以歸結(jié)為以下兩點。

首先，錦綸6切片在螺桿中受熱后成為熔融狀流體，經(jīng)紡絲箱體、計量泵后，由噴絲板擠出，此時的熔體細(xì)流內(nèi)部的大分子基本處于雜亂無章的狀態(tài)，即紡絲熔體呈現(xiàn)出熔融狀態(tài)下的流動取向；接著，熔體細(xì)流進(jìn)入紡絲箱體，被逐漸拉長，經(jīng)側(cè)吹風(fēng)冷卻固化后形成初生纖維，其內(nèi)部大分子開始沿著纖維軸向作用力的方向發(fā)生有規(guī)律的排列[7]。實驗中逐步增加紡絲卷繞速度，紡絲熔體細(xì)流受到的縱向拉伸張力也隨之增大，初生纖維內(nèi)部大分子有序排列的規(guī)整程度也進(jìn)一步加強[8]。因此，表現(xiàn)為隨著紡絲卷繞速度的增加，錦綸6預(yù)取向絲的取向因子、聲速值及聲速模量均逐步增大。

其次，錦綸纖維與滌綸纖維相比，在紡絲過程中更容易產(chǎn)生結(jié)晶，這是因為聚酰胺分子之間存在著氫鍵，大分子柔順性比較好，故鏈段易于運動而砌入晶核，因此在紡絲過程中，錦綸6初生纖維在吸收空氣中的水分或者接觸到油劑后，即伴隨產(chǎn)生結(jié)晶[9]。隨著紡絲卷繞速度的變化，結(jié)晶形態(tài)也有所不同。在制備錦綸6預(yù)取向絲時，卷繞速度在3 600～3 900 m/min時生產(chǎn)的纖維，其內(nèi)部無定型區(qū)的大分子之間主要發(fā)生的是取向作用，由此取向因子、聲速值及聲速模量呈增加趨勢；當(dāng)卷繞速度在3 900～4 200 m/min時，纖維內(nèi)部開始出現(xiàn)結(jié)晶，取向結(jié)構(gòu)仍維持在之前的狀態(tài)，因此表現(xiàn)為取向因子、聲速值和聲速模量基本處于穩(wěn)定；之后紡絲卷繞速度再次增大，錦綸6初生纖維被進(jìn)一步拉伸，不穩(wěn)定的結(jié)晶結(jié)構(gòu)開始發(fā)生轉(zhuǎn)變[10]，結(jié)晶效應(yīng)明顯減弱，由此取向因子、聲速值和聲速模量再次出現(xiàn)提高，此時紡制的錦綸預(yù)取向絲性質(zhì)趨于穩(wěn)定，有利于生產(chǎn)正常進(jìn)行，其產(chǎn)品亦適宜做后加工使用。

2.3 卷繞速度對錦綸6預(yù)取向絲條干不勻率的影響

條干不勻率是反應(yīng)化學(xué)長絲粗細(xì)變化程度的重要參數(shù)，是實際生產(chǎn)檢驗產(chǎn)品質(zhì)量的主要指標(biāo)之一，可以此為據(jù)來調(diào)節(jié)生產(chǎn)工藝。參照1.3.3.3，分別對不同卷繞速度生產(chǎn)出的錦綸6預(yù)取向絲的條干不勻率進(jìn)行測試，具體數(shù)值如表5所示。

表5 不同卷繞速度下錦綸6 POY的條干不勻率

由表5數(shù)據(jù)可知，錦綸6預(yù)取向絲的條干不勻率隨紡絲卷繞速度的增加呈現(xiàn)出先減后增的趨勢，當(dāng)紡絲卷繞速度為4 350 m/min時，錦綸6預(yù)取向絲的條干不勻率最低，為0.82%。這是因為：當(dāng)紡絲卷繞速度由3 600 m/min提高到4 350 m/min時，錦綸6預(yù)取向絲的取向度增加，纖維內(nèi)部分子鏈的規(guī)整程度也隨之增加，由此纖維條干不勻率減小。但是，隨著紡絲卷繞速度進(jìn)一步增大，錦綸6初生纖維變得越來越細(xì)，在拉伸過程中易受到空氣氣流的影響，致使絲條與空氣的摩擦阻力增加[11]，產(chǎn)生輕微波動，故錦綸6預(yù)取向絲的條干不勻率又開始增加。圖2為不同紡絲卷繞速度下紡制的錦綸6預(yù)取向絲的條干不勻率圖譜。

圖2 不同速度下生產(chǎn)的錦綸6 POY的條干不勻率Fig.2 Yarn unevenness rate of PA6 POY under different winding speed

由圖2可知，紡絲卷繞速度為4 200 m/min和4 350 m/min的錦綸6預(yù)取向絲，其條干上下波動較小，偏差值趨于穩(wěn)定；相比較而言，其余紡絲卷繞速度下紡制的錦綸6預(yù)取向絲，條干上下波動較為明顯，個別偏差值已超過了5%的幅度，不勻率過大。這種預(yù)取向絲在后加工過程中容易產(chǎn)生張力波動，造成生產(chǎn)不穩(wěn)定，致使成品絲的不勻率增加，毛絲增多，不適宜用作后加工。

2.4 卷繞速度對錦綸6預(yù)取向絲斷裂強度和斷裂伸長率的影響

錦綸6預(yù)取向絲的力學(xué)性能與其纖維分子內(nèi)部的超分子結(jié)構(gòu)存在著密切的關(guān)系，而紡絲卷繞速度是決定纖維結(jié)構(gòu)性能的重要因素。因此，從根本上說，錦綸6預(yù)取向絲的力學(xué)性能要受到紡絲卷繞速度的約束。參照1.3.3.4，分別測量出不同卷繞速度生產(chǎn)出的錦綸6預(yù)取向絲的斷裂強度和斷裂伸長率，其結(jié)果如表6所示。

表6 錦綸6 POY的斷裂強度和斷裂伸長率

由表6可知，當(dāng)卷繞速度為3 600～4 350 m/min時，錦綸6預(yù)取向絲的斷裂強度由3.97 cN/dtex增加到4.11 cN/dtex；之后再加大紡絲卷繞速度時，斷裂強度卻有所降低；而錦綸6預(yù)取向絲的斷裂伸長率隨著紡絲卷繞速度的提高呈現(xiàn)出先降后升的趨勢，當(dāng)卷繞速度為4 350 m/min時，錦綸6預(yù)取向絲的斷裂伸長率最低，為67.53%。出現(xiàn)這一結(jié)果的原因是：錦綸6初生纖維在受到拉伸作用時，纖維分子內(nèi)部會發(fā)生取向。紡絲卷繞速度在一定范圍內(nèi)增加，纖維內(nèi)大分子取向度隨之增大，當(dāng)纖維受到外力拉伸時，分子鏈抵抗外力作用的能力有所增強，表現(xiàn)為斷裂強度提高，而此時由于分子間作用力的束縛致使分子鏈的運動能力減弱，故纖維的斷裂伸長率有所降低；當(dāng)卷繞速度持續(xù)增加時，纖維內(nèi)大分子取向度明顯加大，由取向誘導(dǎo)結(jié)晶，絲條到達(dá)卷裝時的結(jié)晶度也會隨之增加，此時分子間作用力減小，纖維對外力的抵抗作用也隨之減小，致使錦綸6預(yù)取向絲的纖維斷裂強度降低，而分子間作用力減小使得分子之間易產(chǎn)生滑移[12]，纖維沿縱向容易被拉長，則斷裂伸長率升高。錦綸6預(yù)取向絲為半制品，之后還需要進(jìn)行后加工，因此錦綸6預(yù)取向絲的斷裂強度不能過低，否則會導(dǎo)致后加工過程中拉伸張力太低，從而造成成品絲加工狀況不穩(wěn)定，而且過低斷裂強度的錦綸6預(yù)取向絲在后加工過程中容易造成損傷，會影響到成品的質(zhì)量。此外，錦綸6預(yù)取向絲的斷裂伸長率不能太大，過高的伸長會增加后拉伸倍數(shù)，致使錦綸6預(yù)取向絲變形加工的適應(yīng)性變差。

因此，綜合看來，當(dāng)紡絲卷繞速度為4 350 m/min時生產(chǎn)出的錦綸6預(yù)取向絲，其斷裂強度相對較高，斷裂伸長率適中，在后道加工中可以滿足退繞均勻、張力波動小等要求，有利于后加工持續(xù)穩(wěn)定的進(jìn)行。

3 結(jié) 論

在紡絲生產(chǎn)中泵供量不變的情況下，錦綸6預(yù)取向絲的線密度隨著紡絲卷繞速度的增加呈逐步下降趨勢；錦綸6預(yù)取向絲的取向因子、聲速值和聲速模量，隨著紡絲卷繞速度的增加呈上升的趨勢；當(dāng)紡絲卷繞速度為4 200 m/min或4 350 m/min時，生產(chǎn)出的錦綸預(yù)取向絲的條干均勻，不勻率偏差較低；紡絲卷繞速度為4 350 m/min時，生產(chǎn)出的錦綸6預(yù)取向絲，斷裂強度較大，斷裂伸長率適中。由紡絲機的產(chǎn)量隨紡絲卷繞速度的提高而增加可知，在保證錦綸6預(yù)取向絲性能優(yōu)良的條件下，4 350 m/min為紡絲速度提高的最適宜值，此時亦可實現(xiàn)工廠效率最大化，由此紡絲速度制備的錦綸6預(yù)取向絲可以較好地適應(yīng)后道變形加工的需要，且在后加工過程中退繞均勻，不易受到損傷，有利于后加工過程持續(xù)穩(wěn)定的進(jìn)行。

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Effect of Winding Speed on Orientation Structure and Properties of Polyamide-6 POY Fiber

XI Liyuan1, GUAN Xinhai1, ZHAO Guangbing2, LI Haitao2

(1. College of Textile and Clothing Engineering, Soochow University, Suzhou 215123, China; 2. Wujiang Yatai Spinning Group Co.,Ltd., Wujiang 215231, China)

In order to confirm the optimal winding speed of Polyamide-6(PA6) POY with excellence poat-processing property under changeless pump supply, different winding speed were adopted to try to spin PA6 POY. The effect of winding speed on orientation structure of yarns in the production process was discussed, and various properties of PA6 POY produced under different winding speed were analyzed. The results show that linear density of PA6 POY presents declining trend with the rise in winding speed, while various indicators representing orientation structure increase. PA6 POY produced under the winding speed of 4 350 m/min has yarn levelness, low irregularity deviation, maximum breaking strength, moderate elongation at break and favorable post processing quality.

PA6; POY; winding speed; orientation factor; yarn unevenness

doi.org/10.3969/j.issn.1001-7003.2015.06.002

2014-12-01;

2015-02-26

江蘇省高校優(yōu)勢學(xué)科一期建設(shè)工程項目(蘇政辦發(fā)〔2011〕6號)；江蘇省產(chǎn)學(xué)研前瞻性聯(lián)合研究項目(BY2012119)

席麗媛(1989—)，女，碩士研究生，研究方向為功能性高分子材料的工藝及性能。

TS154.5

A

1001-7003(2015)06-0008-06 引用頁碼: 061102