正十字滌綸纖維的制備及性能研究

劉傳生

(中國石化儀征化纖有限責(zé)任公司研究院，江蘇儀征 211900)

傳統(tǒng)的聚酯纖維以其優(yōu)異的化學(xué)和物理性能，在生產(chǎn)生活領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，但因其分子主鏈上沒有親水性官能團，由其制備的織物吸濕快干性能較差，穿著不舒適，使其在高端領(lǐng)域中的應(yīng)用受到了限制，而兼具導(dǎo)濕快干性能的異形滌綸纖維可以有效解決這一問題。

聚酯熔紡中利用異形截面噴絲板賦予纖維表面一定的微細凹槽，溝槽產(chǎn)生的毛細管作用，使其具有芯吸性能，織物通過纖維間的毛細通道將汗液傳遞至織物的表面并揮發(fā)，從而使滌綸纖維具備了吸濕快干的能力[1-2]。

作者利用異形噴絲板制備了正十字形滌綸纖維，并通過對紡絲溫度、冷卻風(fēng)速度及后加工工藝對纖維截面形狀和性能的研究，優(yōu)化紡絲工藝，為異形纖維工業(yè)化提供指導(dǎo)。

1 試 驗

1.1 原料與設(shè)備

PET切片，儀征化纖公司，性能指標(biāo)見表1。

表1 PET切片常規(guī)性能指標(biāo)

真空轉(zhuǎn)鼓干燥箱，JM-500ZGX型，上海金瑪電光技術(shù)研究所；復(fù)合紡絲機，JWHQ100型，晉中經(jīng)緯化纖精密制造有限公司；牽伸卷繞機，JWKV518型，晉中經(jīng)緯化纖精密制造有限公司；雙面針織機，ZJ-S4R0681型，凹凸精密機械有限公司；自動強伸儀，Statimat M型，德國Textechno公司；光學(xué)顯微鏡，XPL-2型，南京江南永新光學(xué)有限公司；場發(fā)射掃描電鏡，F(xiàn)EI Nova Nano SEM 450型，美國賽默飛公司。

1.2 測試及表征

纖維強伸性能測試：參照《GB/T 14344—2008化學(xué)纖維長絲拉伸性能試驗方法》。測試夾持距離(500±1)mm，拉伸速度500 mm/min，測試環(huán)境溫度(20±2)℃，相對濕度(65±5)%。

織物芯吸高度測試：取緯向長20 cm經(jīng)向?qū)? cm 的針織試樣，下端浸入水中，在標(biāo)準(zhǔn)溫濕度條件下，觀察一定時間內(nèi)水沿試樣的上升高度。

干燥速率測試：織物的干燥速率用殘水率表征。將6 cm×6 cm織物試樣置于天平上，讀取重量W；用滴定管在織物上方1 cm處滴下0.2 mL的水，即刻讀取濕重W0；每10 min讀取織物的重量Wi(i=1、2、3、4)。殘水率Y計算公式如下：

纖維異形度表征：異形度(B)計算公式及示意圖如下：

圖1 異形度計算示意圖

其中B為纖維異形度，%；r為纖維橫截面中內(nèi)接圓的半徑，mm；R為纖維橫截面中外接圓的半徑，mm。

1.3 正十字纖維的制備

采用UDY-DT紡絲路線，在紡絲機及牽伸卷繞機上考察了正十字纖維的成形效果和可牽伸性。

紡絲流程如圖2所示，主要工藝參數(shù)：UDY紡絲速度1 000 m/min，考察了286 ℃、290 ℃、294 ℃三個紡絲溫度點；在冷卻風(fēng)速0.01 m/s、0.41 m/s、0.70 m/s、1.30 m/s下進行冷卻條件試驗。

圖2 紡絲工藝流程圖

牽伸工藝流程如圖3所示。牽伸溫度：上熱盤90 ℃，下熱盤120 ℃，熱板170 ℃。

圖3 牽伸工藝流程

2 結(jié)果與討論

2.1 噴絲板孔形

纖維的吸濕快干效果是由其異形度決定的。纖維的異形度高，織物的透氣效果和導(dǎo)濕性能好，織物穿著舒適性提高。正十字形噴絲孔為垂直相交的狹縫，具有非常規(guī)整對稱的結(jié)構(gòu)，由其制備的十字形斷面纖維織物與人體接觸點較少，當(dāng)人體出汗時，可以起到減少黏連感的作用。

纖維截面異形度受十字形葉片的長寬比影響很大，在一定范圍內(nèi)其隨著十字形葉片長寬比的增加而提高。但過大的長寬比會阻滯熔體在噴絲孔孔道內(nèi)的流動，熔體不能充滿孔腔或纖維過細，導(dǎo)致成形較差和纖維性能下降[3]，同時，過大的葉片長寬比會加大后加工的難度。綜合以上因素，本設(shè)計選擇的微孔尺寸如表2所示，噴絲板微孔形態(tài)見圖4。

表2 正十字形噴絲孔微孔尺寸

圖4 噴絲板微孔形態(tài)

2.2 紡絲工藝條件的研究

2.2.1 紡絲溫度

紡絲溫度是影響纖維性能和截面形狀的重要因素。保持其他工藝不變的條件下，纖維截面形態(tài)隨紡絲溫度的變化情況如圖5所示。從圖5中可以看出，纖維截面凹槽的深度隨紡絲溫度的升高而變小，即紡絲溫度越高，纖維截面異形度越低。這是因為紡絲溫度的升高會降低熔體的表觀黏度，提升熔體的流動性，使經(jīng)噴絲孔擠出后的熔體條不能快速冷卻，出口脹大效應(yīng)下降，導(dǎo)致擠出后的熔體形狀趨向于圓形，偏離了噴絲孔的微孔形狀[4]。

但過低的紡絲溫度也會對纖維的機械性能產(chǎn)生不利影響，紡絲溫度過低，熔體的流動黏度過大，破壞了絲束的延展性，原絲的牽伸性能變差，牽伸絲的斷裂強度和斷裂伸長率均有減小。從表3和表4中可以看出，原絲的斷裂伸長率和斷裂強度隨紡絲溫度的降低而下降，不利于纖維的后加工。因此，從改善熔體的流動性和纖維的成形考慮，本試驗采用290 ℃ 的紡絲溫度。

圖5 不同紡絲溫度下原絲截面形態(tài)

表3 不同紡絲溫度下UDY纖維性能指標(biāo)

表4 不同紡絲溫度下DT纖維性能指標(biāo)

2.2.2 冷卻條件

本試驗采用側(cè)吹風(fēng)方式對絲束進行冷卻，在290 ℃紡絲溫度下，不同冷卻風(fēng)速下制備的DT纖維的性能指標(biāo)和截面形態(tài)分別見表5和圖6。

表5 不同冷卻條件下DT纖維性能指標(biāo)

圖6 不同側(cè)吹風(fēng)速度下纖維截面形態(tài)

從表5和圖6中可以看出，隨著冷卻風(fēng)速上升，冷卻條件加強，纖維的截面異形度單向增加，可牽伸倍率減小，纖維的斷裂強度降低。過高的冷卻風(fēng)速，會導(dǎo)致纖維的斷裂強度過低，這是由于纖維的快速冷卻，使其凝固點上移，同時，異形纖維葉片和軸心處冷卻速率不一致，造成纖維結(jié)晶性能的差異，使得原絲的牽伸性能下降、成品纖維斷裂強度和斷裂伸長率偏低[5]。同時，纖維物理性能的不勻率隨著風(fēng)速的提高先有降低后又有所提高，由此可知，過低或過高的冷卻風(fēng)速會對纖維的成形、物理指標(biāo)和拉伸性能產(chǎn)生不利影響，所以對于正十字形滌綸纖維而言，應(yīng)選擇較為緩和的冷卻風(fēng)風(fēng)速使熔體細流緩慢冷卻，綜合纖維成形和強伸性能考慮，本研究中的冷卻風(fēng)速度選擇0.70 m/s。

2.2.3 單絲線密度

表6為紡絲溫度290 ℃、冷卻風(fēng)風(fēng)速0.7 m/s條件下制備的不同線密度纖維的性能指標(biāo)。從表中可以發(fā)現(xiàn)，纖維線密度越小，其異形度也越小。這是因為纖維線密度越小，熔體細流出噴絲口后的擠出脹大現(xiàn)象越不明顯，原絲的截面形狀更趨于柱體，導(dǎo)致經(jīng)后加工制得的DT絲異形度降低。從表6中還可以看到，同樣紡絲條件下，隨著纖度的增大，在DT絲具有相近斷裂伸長情況下，纖維的牽倍提高、強度基本不變，這是因為熔體出噴絲孔后的冷卻條件變得緩和，促進了纖維結(jié)構(gòu)的形成，提高了原絲的可牽伸性能。但線密度過大會造成絲束冷卻困難，也會加大纖維內(nèi)外冷卻結(jié)晶的差異，不利于纖維性能的均勻性。相對于正十字形噴絲板，單絲線密度宜在1.5～2.9 dtex范圍內(nèi)。

表6 DT纖維質(zhì)量指標(biāo)

2.3 后加工工藝

后加工過程中的拉伸、定型溫度對纖維的結(jié)構(gòu)和性能有重要影響，不同定型溫度下纖維的性能指標(biāo)如表7所示。經(jīng)過加熱拉伸、定型的纖維，分子及鏈段的熱運動加劇，形成穩(wěn)定的取向結(jié)晶結(jié)構(gòu)，內(nèi)應(yīng)力獲得松弛而被消除。相對于普通圓形滌綸纖維，正十字滌綸纖維以其特殊的凹槽結(jié)構(gòu)使其具有更大的比表面積和較高的預(yù)取向度，以致纖維在后加工時具有較高的屈服應(yīng)力，因此，適當(dāng)提高拉伸溫度，有利于纖維結(jié)構(gòu)的形成及后加工的穩(wěn)定性。但溫度過高，會造成大分子的過度解取向，導(dǎo)致纖維強度降低，伸長變大，纏輥增加，溫度過低則起不到松弛內(nèi)應(yīng)力的作用[6]。定型溫度對纖維異形度有重要的影響，定型溫度過低會使纖維的尺寸穩(wěn)定性差，過高則會導(dǎo)致正十字纖維的凹槽結(jié)構(gòu)倒伏。從半消光聚酯切片的性能和纖維結(jié)晶速率及后加工的穩(wěn)定性考慮，拉伸變形溫度必須高于玻璃化溫度、低于冷結(jié)晶溫度，本研究中設(shè)定一級拉伸溫度為90 ℃，二級拉伸溫度為120 ℃，定型溫度由常規(guī)的190 ℃降低到170 ℃。

表7 牽伸工藝及纖維性能

2.4 正十字形纖維性能

表8為優(yōu)化后的紡絲工藝，采用此工藝，制備了規(guī)格為1.56 dtex的DT纖維，試驗過程穩(wěn)定，成品絲DT的性能指標(biāo)和截面形態(tài)分別見表9和圖7。

表8 正十字纖維紡絲工藝

表9 DT纖維性能指標(biāo)

圖7 正十字DT纖維截面形態(tài)

5 吸濕快干性能的研究

將不同異形度的十字滌綸纖維及常規(guī)圓形滌綸纖維分別用雙面針織機制樣，通過測定芯吸高度和干燥速率比較纖維的吸濕快干性能，芯吸高度越大、吸濕性能越好，殘水率越小，快干性能越好。不同異形度纖維織物干燥速率及芯吸高度分別見圖8、圖9。從圖8和圖9可以看出，正十字纖維織物的干燥速率及芯吸高度明顯高于常規(guī)纖維，但不同異形度的正十字纖維的吸濕速干性能比較接近，但也表現(xiàn)出隨著異形度的增大，織物的吸濕快干性能是增強的。造成這一現(xiàn)象的原因是通過所設(shè)計的正十字形噴絲板制備的纖維本身已具有極高的異形度，經(jīng)過紡絲工藝的優(yōu)化，雖然異形度進一步提高，但并沒有大的改變，所以織物的吸濕快干性能變化亦不明顯[7]。

圖8 纖維異形度與干燥速率關(guān)系

圖9 不同異形度纖維的芯吸高度

3 結(jié) 論

a) 一定范圍內(nèi)，正十字纖維異形度隨紡絲溫度下降而升高，隨冷卻風(fēng)速度增加而變大，纖維線密度越小，其異形度也越小。

b) 與普通圓形滌綸相比，正十字滌綸纖維的吸濕速干性能顯著上升。本研究范圍內(nèi)，正十字纖維異形度的變化對吸濕快干性能沒有大的影響，在纖維生產(chǎn)中，應(yīng)采用更有益于穩(wěn)定生產(chǎn)的工藝條件。