海洋纜繩用高耐磨高強低伸滌綸工業(yè)絲的開發(fā)

馬建平1 嚴劍波2 林啟松 張先明 王建輝1 陳世昌

1. 浙江金匯特材料有限公司,浙江 海寧 314413；2. 杭州藍孔雀化學纖維(股份)有限公司,浙江 湖州 310011；3. 浙江理工大學紡織纖維材料與加工技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室,浙江 杭州 310018

中國的滌綸工業(yè)絲自20世紀80年代開始起步，現(xiàn)已經(jīng)歷了發(fā)展、調(diào)整和跨越的階段，年產(chǎn)能已從20世紀80年代末的7 500 t發(fā)展到2015年的約200萬t。中國的滌綸工業(yè)絲現(xiàn)已占據(jù)世界總產(chǎn)能65%以上的份額，中國已成為世界滌綸工業(yè)絲的主要生產(chǎn)國。滌綸工業(yè)絲作為一種產(chǎn)業(yè)用紡織品原料，在建筑、汽車運輸、廣告、海洋、設(shè)備吊裝等領(lǐng)域應用廣泛，其為社會的發(fā)展和建設(shè)提供了優(yōu)質(zhì)的骨架材料，但其總體用量在產(chǎn)業(yè)用紡織品中只占據(jù)10%左右的份額，發(fā)展空間仍較大。如今，功能性產(chǎn)業(yè)用紡織品材料越來越體現(xiàn)出較強的市場需求和發(fā)展勢頭[1-3]。

海洋纜繩是重要的海洋工程用產(chǎn)業(yè)用紡織品。目前，海洋纜繩用高耐磨高強低伸滌綸工業(yè)絲的產(chǎn)量在快速增長，國內(nèi)纖維行業(yè)同質(zhì)化競爭的通病又逐步顯現(xiàn)。但簡單的產(chǎn)量增長只會造成行業(yè)價格的惡性競爭，利潤逐步降低甚至出現(xiàn)虧損，這必將對海洋工程用產(chǎn)業(yè)用紡織品的發(fā)展帶來致命的影響。因此，開發(fā)高性能的海洋纜繩用原料，特別是性價比優(yōu)勢明顯的高耐磨高強低伸滌綸工業(yè)絲原料，非常必要。

本文著眼于提高海洋纜繩用普通高強低伸滌綸工業(yè)絲的耐磨性，同時減少拒海水型功能油劑的添加量，通過采用獨創(chuàng)的特殊結(jié)構(gòu)噴絲板進行紡絲，并在線添加拒海水型功能油劑，開發(fā)海洋纜繩用高耐磨高強低伸滌綸工業(yè)絲，提高產(chǎn)品附加值，同時建立配套的海洋纜繩荷重濕耐磨性能測試方法，以供企業(yè)研發(fā)參考。

1 試驗

1.1 原輔料及設(shè)備

超有光PET切片：特性黏度為0.67 dL/g，端羧基含量為24 mol/t，色度值L和b分別為86.0和2.0，二甘醇(DEG)質(zhì)量分數(shù)為0.9%。

拒海水型功能油劑：A油劑和B油劑。

固相聚合(SSP)增黏設(shè)備：大連海新140 t/d大容量連續(xù)固相聚合裝置。

紡絲設(shè)備：德國BARMAG紡絲牽伸卷繞一體機。

1.2 工藝流程

超有光PET切片→SSP增黏→螺桿擠壓機熔融→噴絲板紡絲→側(cè)吹風冷卻成型→基礎(chǔ)油劑上油→熱輥多級拉伸定型→添加拒海水型功能油劑→卷繞成型。

通過調(diào)整具體的紡絲工藝可得到不同的試樣。

1.3 測試方法

增黏切片特性黏度：以苯酚-四氯乙烷混合溶液(質(zhì)量比1 ∶1)作為溶劑，采用PV-36型黏度測定儀(德國Lauda公司)測試增黏切片的特性黏度，測試溫度為25 ℃。

滌綸工業(yè)絲力學性能：利用3344型單柱式拉力機(美國Instron公司)測試試樣的拉伸強度及斷裂伸長率。

滌綸工業(yè)絲干熱收縮率：采用TST-2型全自動干熱收縮儀(奧地利蘭精集團)測試試樣干熱收縮率。

2 特殊結(jié)構(gòu)噴絲板的設(shè)計

海洋纜繩用普通高強低伸滌綸工業(yè)絲的紡制多采用普通結(jié)構(gòu)噴絲板。如圖1所示，這種噴絲板的噴絲孔數(shù)通常為192，噴絲孔徑為0.60 mm，紡得的192根單絲截面皆為均勻一致的圓形。

本文獨創(chuàng)的特殊結(jié)構(gòu)噴絲板如圖2所示，其噴絲孔數(shù)仍為192，但噴絲孔的內(nèi)外層做了合理的設(shè)計與排布，表現(xiàn)為內(nèi)層128孔為小孔徑、外層64孔為大孔徑，具體設(shè)計參數(shù)如表1所示。紡絲成形后，外層線密度較大的64根絲能很好地包覆內(nèi)層線密度較小的128根絲，有效提高了絲束整體的耐磨性。

圖1 普通結(jié)構(gòu)噴絲板

圖2 特殊結(jié)構(gòu)噴絲板

表1 特殊結(jié)構(gòu)噴絲板的參數(shù)設(shè)計

3 海洋纜繩用高耐磨高強低伸滌綸工業(yè)絲的生產(chǎn)研究

3.1 紡絲工藝的確定

鑒于海洋纜繩的使用環(huán)境，海洋纜繩用滌綸工業(yè)絲除需具備較高的斷裂強度及較低的斷裂延伸性外，還需具備拒海水性和耐磨性[4-5]。

本文使用普通結(jié)構(gòu)噴絲板和特殊結(jié)構(gòu)噴絲板進行2 220 dtex/192 f滌綸工業(yè)絲的紡制，通過調(diào)整低溫的兩級拉伸和一級定型工藝，獲得普通高強低伸滌綸工業(yè)絲(簡稱“普通絲”)和高耐磨高強低伸滌綸工業(yè)絲(簡稱“耐磨絲”)。其中，針對特殊結(jié)構(gòu)噴絲板，考慮到噴絲孔徑的不同，還重點增加了緩冷器及側(cè)吹風設(shè)備，以獲得內(nèi)部線密度不同但分布良好的耐磨絲。

表2羅列了5種紡絲工藝條件及所得普通絲與耐磨絲的物理性能與紡絲狀況。其中，T0代表普通絲；T1、 T2代表拒海水型普通絲；T3、 T4代表拒海水型耐磨絲。拒海水型功能油劑在卷繞前的松弛區(qū)以二次上油的方式添加，因此不會影響紡絲過程。

表2 5種紡絲工藝條件及所得普通絲與耐磨絲的物理性能與紡絲狀況

(續(xù)表2)

表2中：與普通絲T0相比，拒海水型普通絲與拒海水型耐磨絲的紡絲工藝要求更低的緩冷溫度和更大的牽伸比，所得產(chǎn)品強度和干熱收縮率更大、斷裂伸長率更小。比較T1和T2可知，利用普通結(jié)構(gòu)噴絲板紡制時，降低緩冷器溫度及牽伸輥溫度可得到符合要求的拒海水型普通絲，再結(jié)合紡絲狀況和斷裂伸長率指標，確定T2的紡絲工藝最適合拒海水型普通絲的紡制；比較T3和T4可知，利用特殊結(jié)構(gòu)噴絲板紡制時，較高的冷卻成型條件(側(cè)吹風風速1.0 m/s)可獲得符合要求的斷裂伸長率指標，再結(jié)合紡絲狀況，確定T4的紡絲工藝最適合拒海水型耐磨絲的紡制。

3.2 拒海水型功能油劑的添加

A油劑和B油劑是當前市場上較成熟的兩種進口拒海水型功能油劑。拒海水型功能油劑耐熱性差，不能同基礎(chǔ)紡絲油劑一起在拉伸熱輥前加入，而是在卷繞前的松弛區(qū)，通過特殊的油嘴二次添加的。

3.2.1 油嘴類型

高強低伸滌綸工業(yè)絲上油的均勻性與油嘴類型有著非常大的聯(lián)系。本文根據(jù)A油劑和B油劑的特性及使用條件，參照T2和T4紡絲工藝條件，分別采用一道儲油槽油嘴(圖3)、兩道儲油槽油嘴(圖4)和三道儲油槽油嘴(圖5)，對普通結(jié)構(gòu)噴絲板和特殊結(jié)構(gòu)噴絲板制備的2 220 dtex/192 f滌綸工業(yè)絲進行上油試驗，添加不同量的拒海水型功能油劑，結(jié)果見表3。

圖3 一道儲油槽油嘴

圖4 兩道儲油槽油嘴

圖5 三道儲油槽油嘴

表3 拒海水型功能油劑添加試驗

注：“-”表示沒有滴油，“+”表示輕微滴油，“++”表示嚴重滴油

從表3可以看出：

(1)使用一道儲油槽油嘴上油時，普通結(jié)構(gòu)噴絲板紡制的普通絲僅在A油劑添加量較低時有輕微滴油，其他均為嚴重滴油；特殊結(jié)構(gòu)噴絲板紡制的耐磨絲在A油劑和B油劑添加量較高時嚴重滴油，其他基本為輕微滴油。(2)使用兩道儲油槽油嘴上油時，普通絲均存在輕微滴油現(xiàn)象；耐磨絲在高油劑添加量時存在輕微滴油，其他皆沒有滴油。(3)使用三道儲油槽油嘴上油時，總體使用效果最好，幾乎沒有滴油。故根據(jù)滴油情況和最終上油的均勻性，確定三道儲油槽油嘴作為海洋纜繩用滌綸工業(yè)絲上油的油嘴類型。

3.2.2 油劑添加量

滌綸工業(yè)絲的耐磨性與油劑添加量直接相關(guān)。本文為系統(tǒng)研究兩者的相互關(guān)系，自行研發(fā)設(shè)計了一套荷重濕耐磨測試儀。耐磨性測試具體步驟：在模擬海水的堿性環(huán)境下固定荷載，滌綸工業(yè)絲之間進行連續(xù)的動態(tài)摩擦，記錄摩擦至斷裂時的摩擦次數(shù)即耐磨次數(shù)，然后取其對數(shù)值用于表征滌綸工業(yè)絲的耐磨性能。本文基于表3的試驗結(jié)果，選取使用三道儲油槽油嘴上油的普通絲31#、 32#、 33#、 34#、 35#、 36#和耐磨絲61#、 62#、 63#、 64#、 65#、 66#共12組用于耐磨性測試，每組各5個平行試樣，結(jié)果歸納于表4和表5。A油劑的3種添加量(0.4%、 0.5%、 0.6%)在成本上與B油劑的3種添加量(2.0%、 3.0%、 4.0%)對應相當。對于2 220 dtex/192 f規(guī)格的海洋纜繩用普通高強低伸滌綸工業(yè)絲，標準的耐磨次數(shù)對數(shù)值為4.08。

表4 普通絲的耐磨性

表5 耐磨絲的耐磨性

圖6反映了A油劑添加量與海洋纜繩用高強低伸滌綸工業(yè)絲耐磨性的關(guān)系，可以看出：

(1) 無論是普通絲還是耐磨絲，它們的耐磨性開始都隨著A油劑添加量的增加而增加，但增加到一定程度后耐磨性又有所降低。究其原因在于，油劑添加量增大到一定量后，滌綸工業(yè)絲外圍包裹的拒海水型功能油劑膜厚度不均勻性增大，這在一定程度上降低了其耐磨特性。

圖6 A油劑添加量與海洋纜繩用高強低伸滌綸工業(yè)絲耐磨性的關(guān)系

(2) 在油劑添加量相同的情況下，耐磨絲的耐磨性能遠優(yōu)異于普通絲，這與特殊結(jié)構(gòu)噴絲板的設(shè)計有關(guān)。

圖7反映了B油劑添加量與海洋纜繩用高強低伸滌綸工業(yè)絲耐磨性的關(guān)系，可以看出：普通絲和耐磨絲的耐磨性均表現(xiàn)為隨著B油劑添加量的增大而增大，這可能與B油劑自身的濃度遠低于A油劑有關(guān)，這樣滌綸工業(yè)絲外圍包裹的拒海水型功能油劑膜厚度雖增加但不足以影響到其耐磨性。

圖7 B油劑添加量與海洋纜繩用高強低伸滌綸工業(yè)絲耐磨性的關(guān)系

對比圖6和圖7可知：(1)添加A油劑的海洋纜繩用高強低伸滌綸工業(yè)絲(普通絲和耐磨絲)的耐磨性明顯好于添加B油劑的海洋纜繩用高強低伸滌綸工業(yè)絲(普通絲和耐磨絲)，且A油劑添加量都低于B油劑添加量；(2)耐磨絲的耐磨性能明顯好于普通絲。因此，特殊結(jié)構(gòu)噴絲板的使用降低了拒海水型功能油劑的添加量。生產(chǎn)中可根據(jù)客戶對耐磨性的要求，再結(jié)合生產(chǎn)成本等因素，優(yōu)化海洋纜繩用高耐磨高強低伸滌綸工業(yè)絲的生產(chǎn)。

4 結(jié)論

利用創(chuàng)新設(shè)計的內(nèi)外層孔徑不同的特殊結(jié)構(gòu)噴絲板紡絲，再在卷繞前的松弛區(qū)利用三道儲油槽油嘴以二次上油的方式添加拒海水型功能油劑，可制得上油均勻性好的2 220 dtex/192 f海洋纜繩用高耐磨高強低伸滌綸工業(yè)絲。特殊結(jié)構(gòu)噴絲板的使用降低了拒海水型功能油劑的添加量。自行研發(fā)設(shè)計的一套荷重濕耐磨測試儀可用于表征海洋纜繩用高強低伸滌綸工業(yè)絲的耐磨性能。