滌綸針刺濾料的熱處理原理及工藝分析

張麗霞

（上海締榮紡織品有限公司，上海 200000）

滌綸針刺濾料是目前國內(nèi)常使用的濾料品種之一，無論在常溫使用、液體過濾方面，產(chǎn)量比例占短纖濾料的60%以上。滌綸針刺濾料的使用溫度在130℃以下，瞬間運行溫度可以達到150℃。滌綸針刺濾料一般的加工工藝是纖維經(jīng)開松、梳理、鋪網(wǎng)后經(jīng)中間鋪放基布過預(yù)刺、主刺等工序，得到針刺后的半成品，而后經(jīng)過熱定型軋光（軋機定型或烘箱定型與軋機定型）、單面燒毛最終得到厚度穩(wěn)定、具有一定熱穩(wěn)定性的成品。其中，熱定型工藝對提高產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性以及提高表面清灰效果起到?jīng)Q定性的作用。

1 滌綸濾料熱處理的原因及目的

1.1 滌綸短纖的性能及生產(chǎn)與加工

滌綸纖維為熔體紡絲，包括切片紡絲法和直接紡絲法兩種。

切片紡絲是將縮聚后的高聚物熔體經(jīng)鑄帶、切粒而得到切片，再經(jīng)過干燥、熔融而紡絲。熔融過程中，切片所含的水分能使聚酯發(fā)生水解而影響紡絲性能和纖維質(zhì)量。因此，在紡絲前必須經(jīng)過干燥，使切片含水率降低到0.01%以下。

直接紡絲則將高聚物熔體干燥后的滌綸切片在螺桿中加熱熔融，擠壓送入紡絲箱體的各個紡絲部位，由計量泵精確計量和過濾后，從噴絲板的小孔中噴出。纖維經(jīng)過上油、冷卻、拉伸等工序初步成型，再經(jīng)集束、拉伸、卷曲、熱定形、切斷等工序得到成品[1]。一般用于濾料加工的滌綸要求高強低伸。在拉伸后需要經(jīng)過一次180℃左右的緊張熱定形，則可得到強度達到6g/dan左右，伸長率在30%以下的高強度、低伸長率短纖維。

1.2 滌綸熱縮的機理，解取向及應(yīng)力消除作用

滌綸纖維的熱縮性能主要與大分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)有關(guān)。纖維加工中的大分子排列的主要空間變化形式是分子鏈的結(jié)晶及單軸取向。滌綸纖維加工時，熔融的黏流態(tài)熔體從噴絲孔噴出，經(jīng)拉伸若干倍，為提高產(chǎn)品的強力后續(xù)工藝經(jīng)高溫張力定型有助于進一步提高纖維中大分子鏈的取向和結(jié)晶。取向的另一個結(jié)果使分子鏈吸收彈性能而處于熱力學不穩(wěn)定狀態(tài)，故取向是被動的，需要外加張力，而解取向相對于取向而言，使分子鏈釋放彈性能而恢復熱力學穩(wěn)定狀態(tài)，故解取向是自發(fā)的，因此在熱力學上纖維的高分子取向狀態(tài)是一種非平衡態(tài)。在高彈態(tài)下，拉伸可以使高分子鏈段取向，但一旦外力去除，鏈段便自發(fā)解取向而恢復原態(tài)。在纖維加工過程中，在高分子黏流態(tài)下，外力單向拉伸是分子鏈取向，外力消失后，分子要自發(fā)解取向。為了維持取向態(tài)，獲得取向的纖維材料，必須在取向后使溫度快速降到玻璃化溫度以下，使分子和鏈段的運動“凍結(jié)”，這種狀態(tài)的取向態(tài)不是熱力學平衡態(tài)，只有相對的穩(wěn)定性，時間長了，特別是溫度升高或者高分子被溶劑溶脹時，仍然要發(fā)生自發(fā)地解取向。只是在自然狀態(tài)下，溫度足夠低，解取向過程十分會緩慢不易被察覺。

取向有助于提高纖維的力學性能，使材料具備各向異性，同時高度的取向可以提高聚合物的玻璃化溫度，但取向度愈大纖維的回縮或熱收縮（解取向）也越大。為此，一般合成纖維生產(chǎn)過程中，常常將纖維進行適當?shù)臒崽幚?，如處理的目的是使小的鏈段解取向，消除?nèi)應(yīng)力，而大的整個鏈不解取向。小鏈段解取向使纖維具有一定的彈性，整個鏈保持取向態(tài)使纖維具有高強度[2]。熱處理的目的是使拉直的纖維受熱收縮變形，經(jīng)過熱處理鏈段已經(jīng)發(fā)生卷曲，在使用過程中就不會再變形。所以，就纖維大分子結(jié)構(gòu)而言，拉伸的解取向，是造成纖維收縮變形的主要因素。

熱定型處理的主要目的在于進一步消除纖維自身的內(nèi)應(yīng)力，降低纖維收縮率保證產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定性和提高熱穩(wěn)定性。

2 滌綸針刺濾料的熱定型處理熱量傳遞的機理

2.1 針刺濾料熱定型溫度的設(shè)定

針刺濾料產(chǎn)品通產(chǎn)的使用溫度在130℃以下，瞬間耐受溫度可以達到150℃。由于材料制成濾袋后通常長度較長可達到6m～10m的濾筒，使用時的累計形變對產(chǎn)品的使用性能具有非常明顯的影響，所以在定型時采用的溫度高于使用保證產(chǎn)品的正常使用。

一般生產(chǎn)廠家采用三輥或兩輥熱軋機通過高溫熱軋實現(xiàn)針刺濾料的熱穩(wěn)定性，同時有助于提高產(chǎn)品平整度和表面光滑度利于加工和清灰，熱軋時通常溫度設(shè)定200℃～220℃，要求大于產(chǎn)品的最高使用溫度，小于材料的熔點，有利于提高定型效果和速度。

2.2 滌綸濾料熱定型內(nèi)部熱量傳到分析

對針刺濾料的熱定型處理主要是一個熱傳遞過程，是熱量從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域傳播的過程，同時期間伴隨著纖維之間位置、纖維內(nèi)部大分子鏈之間的位置、取向、結(jié)晶狀態(tài)等變化。

通常熱量的傳遞分為3種基本方式:傳導、對流和輻射，這三種形式在針刺濾料定型處理時都有發(fā)生。從宏觀角度看，滌綸針刺濾料作為滌綸纖維和空氣的集合體，由于織物內(nèi)部的纖維之間、紗線之間或紗線與纖維之間的縫隙孔洞相對較小，對流和輻射的傳熱效果在常規(guī)條件下小于熱傳導對傳熱的貢獻[3]。由于滌綸纖維導熱系數(shù)遠大于空氣導熱系數(shù)。常規(guī)條件下滌綸導熱系數(shù)0.301W/m.K，空氣的導熱系數(shù)是0.092。[4]沿纖維軸向的導熱系數(shù)遠大于沿纖維徑向的導熱系數(shù)，這是由于纖維大分子中原子排列很不規(guī)整，相當于有很多晶格缺陷，并沿纖維徑向相當于有很多晶粒界面，故沿纖維經(jīng)向的導熱系數(shù)遠小于沿纖維軸向的導熱系數(shù)，更小于理想晶體的導熱系數(shù)，熱量的傳遞勢必尋找最小阻力途徑，故有較多的熱量沿纖維軸向傳導[5]。此時，熱流行進路程雖大于織物兩表面間的垂直距離，但使織物整體的熱阻值最小。從微細形態(tài)來看則熱量傳導并不總是沿織物平面的法向，也不總是與等溫面垂直，而更多是集中于纖維內(nèi)部，沿纖維軸向曲折前進，并在適當?shù)牡胤睫D(zhuǎn)移到另一根纖維接力進行。雖然熱傳導，特別是纖維內(nèi)部發(fā)生的熱傳導對整個織物的傳熱效果常起主要作用，但仍不能排除對流和輻射傳熱，甚至在一定的條件下起重要作用。

3 軋機定型的熱傳導工藝及分析

無論對于兩輥軋機還是三輥軋機，工藝設(shè)定的關(guān)鍵包括：溫度、壓力、速度，其中溫度、速度主要決定產(chǎn)品的熱縮指標和表面狀態(tài)。以三輥軋機為例，為提高速度保證定型效果，常采用的包覆形式如圖1所示。

圖1 三輥軋機包覆示意圖

對于針刺濾料在經(jīng)過三輥筒時，纖維受到輥筒熱量傳導、張力牽引、輥筒壓力等共同作用。一方面，纖維在高溫作用下發(fā)生解取向應(yīng)力消除，纖維卷曲收縮。另一方面，纖維在高溫及張力、輥筒壓力的共同作用下結(jié)晶度提高。3個輥筒溫度的設(shè)定、速度和壓力，決定了產(chǎn)品的定型效果。

根據(jù)熱力學第一定律：

W + Q = ΔU

式中，W為外界對物體做的正功，Q 為物體吸收的熱量，ΔU為增加的內(nèi)能。

做功和熱傳遞，這兩種改變物體內(nèi)能的方式，在效果上是等效的。對于針刺濾料熱軋過程中產(chǎn)品的A、B兩面我們可以看做無做功狀態(tài)，則：Q = ΔU。意味著物體吸收的熱量等于增加的內(nèi)能。

熱量計算公式：Q = C·m·Δt

Q表示吸收（或放出）的熱量，C表示比熱容，m表示物質(zhì)的質(zhì)量，Δt表示升高（或降低）或降低的溫度。

4 不同密度下產(chǎn)品的熱縮性能

針刺過濾材料所選用的滌綸短纖材料，通常出廠時提供纖維的180℃干熱收縮值，這個值一般為5.0%～6.5%。實驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 170℃下不同密度下產(chǎn)品的熱縮性能測試（基布熱縮縱向2.7%，橫向2.5%）

（1）無基布產(chǎn)品的熱縮縱橫向值非常接近，表明熱縮性能只受纖維影響，而有基布產(chǎn)品熱縮性能要受基布影響。

（2）無基布產(chǎn)品的熱縮性能在只由纖維的熱縮性能決定。在厚度4.95mm時，產(chǎn)品的熱縮產(chǎn)品的厚度方向有影響。針刺密度影響纖維糾結(jié)程度可以忽略。

（3）含基布產(chǎn)品的熱縮性能，除纖維的熱縮性能影響外，隨針刺效果的增加，密度變小，熱縮性能接近與基布熱縮。

5 不同溫度下累計時間產(chǎn)品的熱縮性能

表2實驗結(jié)果：

（1）針刺滌綸產(chǎn)品的收縮在很短的時間內(nèi)大部分收縮指標完成。

（2）針刺濾料的收縮隨時間的增加呈現(xiàn)累計的規(guī)律，表明纖維的收縮隨時間的增加而增加。150℃較170℃更明顯。

（3）150℃溫度下，普遍較170℃溫度下收縮值小，說明隨溫度提高產(chǎn)品得到充分收縮。

實驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 測試樣品的針刺密度相同（700刺/cm2）

續(xù)表2

6 熱定型過程常見問題的處理

針刺滌綸濾料常規(guī)產(chǎn)品在熱定型處理是常見的問題主要包括：熱縮處理不充分，造成產(chǎn)品的熱縮值超標，另一個問題是產(chǎn)品處理完后單面起皺。

6.1 熱縮值超標

為保證產(chǎn)品的正常使用，對于滌綸濾料的熱縮性能需要保證最終產(chǎn)品的熱縮性能不超標。通常熱縮超標的原因是定型不充分，溫度、速度、壓力間需要做出調(diào)整。

6.2 表面起皺

表面起皺的現(xiàn)象多發(fā)生在無基布高克重的產(chǎn)品上，原因在于，纖維受熱傳導過程伴隨著收縮變形，造成熱傳導熱量不勻，局部收縮造成起皺。針對這一現(xiàn)象可以采用烘箱+軋機定型的模式，利用熱風穿透對產(chǎn)品先做定型處理，再通過熱軋作用，減少受熱收縮不勻的問題。

7 結(jié)語

熱定型工藝對滌綸濾料的最終使用有決定性作用，無論是產(chǎn)品表面狀態(tài)、厚度、透氣、熱穩(wěn)定性、尺寸穩(wěn)定性，因此，在這一階段要保證定型充分。