抗靜電異形竹節(jié)再生滌綸DTY的制備及性能研究

占海華，SENE Malick

(1.紹興文理學(xué)院，浙江 紹興 312000； 2.浙江省清潔染整重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 紹興 312000)

隨著石化類資源的日趨緊張，我國紡織品行業(yè)即將面臨原材料短缺的巨大挑戰(zhàn)，廢舊聚酯及其紡織品的回收再利用成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。近幾年來，以廢棄聚酯為原料生產(chǎn)的再生聚酯纖維及紡織服裝逐漸開始流行起來，再生聚酯纖維織物及服裝已經(jīng)成為一種時(shí)尚，市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿薮骩1]?；瘜W(xué)法再生聚酯纖維是將回收的廢舊聚酯紡織品或廢舊聚酯通過化學(xué)反應(yīng)解聚、精制成聚酯原料單體、再聚合、紡絲而得。化學(xué)法再生聚酯質(zhì)量與原生聚酯一樣，其品質(zhì)達(dá)到纖維級(jí)水平[2]。但與物理法再生聚酯纖維相比，化學(xué)法再生聚酯生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜，導(dǎo)致生產(chǎn)成本較高，所以為了使其具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，必須開發(fā)差別化再生聚酯纖維。目前，采用化學(xué)法醇解聚酯再聚合技術(shù)，通過在反應(yīng)體系中添加功能粉體共混、共聚組分等方法已研制出抗菌、抗紫外線、阻燃、抗靜電、易染等差別化再生聚酯纖維[3]。

為開發(fā)出新外觀、新風(fēng)格的功能性再生聚酯纖維，作者以化學(xué)法再生五波浪一字型截面抗靜電滌綸半預(yù)取向絲(MOY)為原料，通過對(duì)后加工假捻變形機(jī)改造，采用自主研發(fā)的特殊異拉伸裝置將MOY加工成縱向具有獨(dú)特竹節(jié)效果的抗靜電異形竹節(jié)再生滌綸假捻變形絲(DTY)，研究了DTY加工工藝條件，并對(duì)MOY和較佳工藝條件下制備的DTY的形態(tài)結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了表征，為化學(xué)法再生聚酯纖維的差別化提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原料

化學(xué)法再生五波浪一字型截面抗靜電滌綸MOY：規(guī)格為167 dtex/48 f，斷裂強(qiáng)度為1.87 cN/dtex，斷裂伸長率為163.50%，端甲基含量為5.3 mol/t，體積比電阻為3.3×1011Ω·cm，浙江佳人新材料有限公司生產(chǎn)。

1.2 主要設(shè)備與儀器

BZL63型假捻變形機(jī)：北京中麗制機(jī)技術(shù)有限公司制；SNG-3000型掃描電子顯微鏡：韓國SEC有限公司制；YG-061F-1500型拉伸強(qiáng)力機(jī)：蘇州市電子儀器有限公司制；YF2003-Ⅱ搖襪機(jī)：紹興市越發(fā)機(jī)械制造公司制；XYJ37型顯微鏡：深圳市海約電子有限公司制；SSY-C型纖維雙折射儀：上海東華凱利新材料公司制；EST121型數(shù)字超高阻微電流儀：北京市計(jì)量檢測(cè)科學(xué)研究院制；GC-2014型氣相色譜儀：日本島津公司制。

1.3 抗靜電異形竹節(jié)再生滌綸DTY的制備

在BZL63型假捻變形機(jī)上增加一個(gè)特殊異拉伸裝置，對(duì)167 dtex/48 f化學(xué)法再生五波浪一字型截面抗靜電滌綸MOY進(jìn)行假捻變形加工，制備抗靜電異形竹節(jié)再生滌綸DTY。MOY由零羅拉進(jìn)入特殊異拉伸裝置進(jìn)行異拉伸，然后依次經(jīng)過第一羅拉、第一熱箱、冷卻板、假捻器、第二羅拉、第二熱箱、網(wǎng)絡(luò)噴嘴、第三羅拉、上油羅拉，最后卷繞得到成品111 dtex/48 f滌綸DTY網(wǎng)絡(luò)絲，工藝流程如圖1所示。

圖1 抗靜電異形竹節(jié)再生滌綸DTY加工工藝流程Fig.1 Processing flow of antistatic profiled slub regenerated polyester DTY1—零羅拉；2—特殊異拉伸裝置；3—第一羅拉；4—第一熱箱；5—冷卻板；6—假捻器；7—第二羅拉；8—第二熱箱；9—網(wǎng)絡(luò)噴嘴；10—第三羅拉；11—上油羅拉

主要加工參數(shù)：零羅拉線速度 393 m/min，第一羅拉線速度589～710 m/min，第一熱箱溫度130～150 ℃，第二羅拉線速度648～781 m/min，異拉伸加熱輥溫度120～150 ℃、平均線速度491～592 m/min，假捻器速比1.65～1.70，網(wǎng)絡(luò)噴嘴孔徑1.8mm、氣壓0.15～0.20 MPa，第二熱箱溫度110～120 ℃，卷繞張力5～15 cN。

1.4 分析與測(cè)試

端甲基含量：按照T/CCFA 01030—2017 《纖維級(jí)化學(xué)法循環(huán)再利用聚酯切片(PET)》方法測(cè)定。稱取試樣1 g，加入5 mL分解液于溶解管中并開始攪拌，加熱溶解爐設(shè)置為130 ℃，加熱1 h。由儀器繪制分析圖譜，采用氣相色譜儀制取各標(biāo)準(zhǔn)液圖譜，對(duì)比試樣圖譜與標(biāo)準(zhǔn)液圖譜，選取與試樣圖譜最接近的標(biāo)準(zhǔn)液圖譜作為對(duì)比圖。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)液端甲基含量、試樣和標(biāo)準(zhǔn)液的端甲基特征峰面積、水合肼特征峰面積計(jì)算端甲基含量。

竹節(jié)形態(tài)：利用MCM-100濺射鍍膜儀對(duì)長絲作噴金處理，采用SNG-3000型掃描電子顯微鏡觀察DTY的縱向竹節(jié)形態(tài)，設(shè)置掃描電鏡加速電壓為30 kV。

力學(xué)性能：采用YG-061-1500型拉伸強(qiáng)力機(jī)測(cè)試MOY、DTY的拉伸性能，設(shè)置拉伸速度100 mm/min，隔距25 cm，預(yù)張力0.05 cN/dtex。

異染效果：按照GB/T 6508—2015《滌綸長絲染色均勻度試驗(yàn)方法》測(cè)定。將制得的DTY織成長度大于5 cm的襪帶，襪機(jī)針數(shù)為180，織物密度(100 mm)為133根，經(jīng)清洗后采用分散藍(lán)2BLN染料進(jìn)行染色，染料質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%，浴比1:30，溫度100 ℃，時(shí)間60 min；襪帶經(jīng)洗滌、脫水、晾干，采用XYJ37型顯微鏡觀察。

雙折射率：采用SSY-C型纖維雙折射儀對(duì)纖維的粗細(xì)節(jié)進(jìn)行雙折射測(cè)試。選取5個(gè)粗節(jié)處和5個(gè)細(xì)節(jié)處分別測(cè)試其雙折射率，取5組數(shù)據(jù)平均值。雙折射儀目鏡5倍、物鏡40倍。

抗靜電性能：按照FZ/T 50035—2016《合成纖維長絲電阻試驗(yàn)方法》測(cè)定。取一段100 mm長的纖維，在纖維兩端粘上導(dǎo)電膠，采用EST121型數(shù)字超高阻微電流儀測(cè)試?yán)w維100 mm間距的電阻值，測(cè)試電壓為(100±5)V，測(cè)量5次取平均值，計(jì)算纖維的體積比電阻。

2 結(jié)果與討論

2.1 原料的選擇

為了滿足后道應(yīng)用多功能的要求，選取了化學(xué)法再生抗靜電五波浪一字型截面、斷裂伸長率較高的MOY作為原料，另外，為使MOY經(jīng)后道異拉伸加工成DTY的過程中容易形成縱向竹節(jié)效果，將不同斷裂伸長率和斷裂強(qiáng)度的MOY對(duì)DTY竹節(jié)效果的影響作了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。由表1可知：MOY斷裂伸長率大于170%時(shí)，雖然加工所得DTY竹節(jié)反差明顯、竹節(jié)效果好，但由于MOY斷裂強(qiáng)度太小，后拉伸過程中出現(xiàn)繞輥現(xiàn)象、斷頭和毛絲增加，生產(chǎn)不穩(wěn)定；當(dāng)MOY斷裂伸長率小于140%時(shí)，可紡性好，但竹節(jié)不明顯、反差?。籑OY斷裂伸長率控制在150%～ 170%時(shí)，MOY可紡性好，加工所得DTY竹節(jié)反差明顯、竹節(jié)效果好。因此，實(shí)驗(yàn)選擇斷裂伸長率150%～ 170%的MOY為原料。

表1 不同斷裂伸長率的MOY對(duì)加工性能的影響Tab.1 Effect of elongation at break on processability of MOY

2.2 設(shè)備改造

特殊異拉伸裝置[4]加裝于加彈機(jī)的零羅拉與一羅拉之間，每個(gè)錠位對(duì)應(yīng)一個(gè)加熱輥，多個(gè)加熱輥由同一電機(jī)控制。常規(guī)加彈機(jī)兩側(cè)共240個(gè)錠位，每側(cè)120個(gè)錠位，每個(gè)錠位配置一只加熱輥，每側(cè)120只加熱輥的轉(zhuǎn)速均由同一電機(jī)帶動(dòng)，電機(jī)由變頻器控制。

該特殊異拉伸裝置的主要技術(shù)參數(shù)為：1個(gè)加彈區(qū)(12個(gè)錠位)的區(qū)間距為132 cm，凸輪間距即錠與錠的間距為11 cm，加熱輥中心位置與絲束中心位置的距離為0 cm，設(shè)置1個(gè)凸柄，凸柄長度為6 cm、寬度為3 cm。

結(jié)合圖1，特殊異拉伸裝置是將自主設(shè)計(jì)的凸輪套裝在零羅拉與一羅拉之間的加熱輥上，兩者之間存在熱傳導(dǎo)作用，凸輪上設(shè)置有向外凸出的凸柄；加熱輥由電機(jī)驅(qū)動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)凸輪隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速可恒速或變速，轉(zhuǎn)動(dòng)方向可順時(shí)針或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)凸輪隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，加工絲束的拉伸程度隨著與凸輪接觸狀態(tài)而改變，絲束與凸輪接觸即進(jìn)行熱異拉伸，絲束與凸輪不接觸或只與凸輪凸柄接觸時(shí)則進(jìn)行冷拉伸，如圖2所示。當(dāng)絲束與凸輪接觸如圖2a位置時(shí)拉伸倍數(shù)最小，絲束與凸輪接觸如圖2b位置時(shí)拉伸倍數(shù)最大。當(dāng)凸輪連續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)，絲束的拉伸倍數(shù)隨之變化，實(shí)現(xiàn)了異拉伸的目的。加工過程中確定加熱輥轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)轫槙r(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)為了使纖維具有不同的深淺異染效果，避免竹節(jié)長短和間隔太過規(guī)律而導(dǎo)致面料的染色重修性，采用了可編程控制加熱輥轉(zhuǎn)速，即通過編程器、PLC控制、伺服電機(jī)控制加熱輥速度，變速周期為7 s，實(shí)現(xiàn)5段變速運(yùn)行。如圖3所示：0～1.0 s加熱輥線速度為393 m/min；1.1～3.0 s加熱輥線速度為420 m/min；3.1～ 4.0 s加熱輥線速度為473 m/min；4.1～5.5 s加熱輥線速度為430 m/min；5.6～7.0 s加熱輥線速度為401 m/min。通過加熱輥的變速運(yùn)行使凸輪對(duì)纖維縱向的異拉伸作用不規(guī)律，最終得到的纖維縱向的粗細(xì)節(jié)長短、反差呈多重效果，很好地滿足了后道織造要求。

圖2 特殊異拉伸裝置與絲束接觸位置示意Fig.2 Diagram of contact position between special drawing device and yarn1,5—導(dǎo)絲鉤；2—凸柄；3—凸輪；4—加熱輥

圖3 加熱輥5段變速運(yùn)行控制示意Fig.3 Schematic diagram of five-stage variable speed control module for heating roller

2.3 DTY工藝條件

2.3.1 拉伸倍數(shù)

MOY的拉伸在兩個(gè)部位進(jìn)行，第一拉伸是在零羅拉與第一羅拉之間，第二拉伸是在第一羅拉與第二羅拉之間，第一拉伸倍數(shù)與第二拉伸倍數(shù)之積為總拉伸倍數(shù)[5]。異拉伸效果是指纖維縱向同時(shí)存在完全拉伸和不完全拉伸的竹節(jié)段。本實(shí)驗(yàn)中異拉伸主要是在零羅拉與第一羅拉之間對(duì)MOY采用特殊異拉伸裝置實(shí)現(xiàn)，因此，零羅拉和第一羅拉之間的第一拉伸倍數(shù)的控制尤為重要。在異拉伸作用下，隨著第一拉伸倍數(shù)的增加，DTY異染效果逐漸減小，當(dāng)?shù)谝焕毂稊?shù)提高到一定的程度，異染效果消失；第一拉伸倍數(shù)太小時(shí)，絲束在凸輪的加熱輥上跳動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)絲條在凸輪上繞絲繼而斷頭。第一羅拉與第二羅拉之間的第二拉伸倍數(shù)只是提供一定的假捻張力，使DTY能達(dá)到良好的假捻效果，所以第二拉伸倍數(shù)較小，通常設(shè)定第二拉伸倍數(shù)為1.05。由于DTY縱向具有末完全拉伸的竹節(jié)存在，即纖維縱向有拉伸不足的大分子結(jié)構(gòu)，在宏觀上表現(xiàn)為DTY的剩余伸長率比常規(guī)產(chǎn)品要大，根據(jù)不同的風(fēng)格，剩余伸長率一般控制在30%～50%。由表2可知，當(dāng)其他條件不變的情況下，當(dāng)?shù)谝焕毂稊?shù)為1.50～1.60時(shí)，DTY竹節(jié)反差明顯、異染效果好，且加彈效果良好。

表2 第一拉伸倍數(shù)對(duì)MOY加工性能的影響Tab.2 Effect of first draw ratio on processability of MOY

2.3.2 拉伸速度

拉伸速度是一個(gè)非常重要的參數(shù)，拉伸速度太快，絲條與設(shè)備的磨擦力增加，而絲條縱向存在末拉伸段，強(qiáng)度低，容易產(chǎn)生毛絲等現(xiàn)象[6]，嚴(yán)重時(shí)會(huì)異致斷頭或不能正常生產(chǎn)的局面；拉伸速度太慢，雖然對(duì)DTY質(zhì)量的提高有利，但生產(chǎn)成本增加 ，而且絲條竹節(jié)段結(jié)構(gòu)變得不明顯[7]。由于本實(shí)驗(yàn)采用自主研發(fā)的特殊異拉伸裝置，加工速度比常規(guī)DTY的加工速度大大提高，拉伸速度在648～781 m/min時(shí)能滿足要求。

2.3.3 第一熱箱溫度及第二熱箱溫度

異拉伸主要發(fā)生在零羅拉與第一羅拉之間，熱輥溫度將影響異拉伸效果，因此其溫度選擇非常重要，經(jīng)試驗(yàn)，控制在150 ℃ 能達(dá)到要求。由于纖維在第一羅拉和第二羅拉之間基本不拉伸，第一熱箱一方面給予絲條一定的溫度，以使絲條經(jīng)假捻后有較好的形變效果(即彈性)，另一方面起到熱定型的作用，以保持零羅拉和第一羅拉間多段變速不均勻拉伸的效果。第一熱箱溫度一般要求在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上，但若溫度太高，絲條的拉伸段會(huì)因內(nèi)能增加分子熱運(yùn)動(dòng)加劇破壞已形成的晶格結(jié)構(gòu)，使超分子結(jié)構(gòu)分布趨向同化，削弱了異染性能，同時(shí)未拉伸段單纖局部熔融粘連，形成無法完全解捻的緊點(diǎn)或僵絲，導(dǎo)致DTY蓬松度會(huì)變差，外觀毛絲、毛團(tuán)現(xiàn)象增多[8]。因此，第一熱箱溫度設(shè)定要比常規(guī)加工時(shí)偏低一些，選擇130～145 ℃ 較合適，實(shí)驗(yàn)中選擇第一熱箱溫度為138 ℃。第二熱箱的使用形成了二次熱定型，會(huì)削弱DTY的蓬松性，因此采取關(guān)閉不用或低溫控制，實(shí)驗(yàn)中選擇第二熱箱溫度為120 ℃。

2.3.4 網(wǎng)絡(luò)空氣壓力

網(wǎng)絡(luò)能有效提高纖維的后加工性能，織造時(shí)可免去上漿[9]。DTY網(wǎng)絡(luò)效果的影響因素有：網(wǎng)絡(luò)噴嘴孔徑、網(wǎng)絡(luò)空氣壓力、絲條張力等。由于網(wǎng)絡(luò)牢度會(huì)影響DTY的熱收縮性能，從而影響異染效果，因此，選擇對(duì)DTY采用輕度網(wǎng)絡(luò)工藝，網(wǎng)絡(luò)噴嘴孔徑為1.8 mm，網(wǎng)絡(luò)空氣壓力為0.15～0.20 MPa，卷繞張力為5～15 cN時(shí)，網(wǎng)絡(luò)絲性能較好。

2.4 纖維竹節(jié)形態(tài)及結(jié)構(gòu)

原料MOY及較佳工藝條件下制備的DTY粗細(xì)節(jié)的縱向形態(tài)見圖4(放大倍數(shù)500)。從圖4可看出，MOY的縱向形態(tài)表現(xiàn)較為明顯的五波浪一字型截面，DTY的五波浪凹槽明顯不如MOY，且有粗細(xì)不均現(xiàn)象。這是因?yàn)镸OY經(jīng)異拉伸變形后纖維縱向存在粗細(xì)變化，所得DTY拉伸充分處，橫截面小，內(nèi)部大分子結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定；而拉伸不足處則橫截面大，內(nèi)部大分子結(jié)構(gòu)較不穩(wěn)定。

圖4 MOY及DTY粗細(xì)節(jié)的縱向形態(tài)Fig.4 Slub longitudinal morphology of MOY and DTY

對(duì)DTY的粗細(xì)節(jié)分別進(jìn)行雙折射率測(cè)試，粗節(jié)處雙折射率為0.20，細(xì)節(jié)處雙折射率為0.23，細(xì)節(jié)部分的雙折射率高于粗節(jié)部分，這時(shí)因?yàn)榧?xì)節(jié)部分大分子得到了較充分的拉伸，其結(jié)晶和取向高于粗節(jié)部分，而取向度越高，纖維中的鏈段排布越規(guī)整，各向異性顯著，雙折射率越大[10-11]。

2.5 力學(xué)性能

由表3可知：MOY斷裂強(qiáng)度較小，斷裂伸長率較大，平均斷裂伸長率為163.50%，這為后面不均勻拉伸提供良好條件；DTY斷裂強(qiáng)度較大，斷裂伸長率較小，且粗節(jié)的斷裂強(qiáng)度小于細(xì)節(jié)，而斷裂伸長率大于細(xì)節(jié)，這是由于纖維經(jīng)異拉伸加捻后，大分子鏈取向和結(jié)晶度明顯提高；另外，DTY細(xì)節(jié)拉伸充分，取向和結(jié)晶度明顯高于粗節(jié)，因而表現(xiàn)為細(xì)節(jié)的斷裂強(qiáng)度大于粗節(jié)。

表3 MOY及DTY的力學(xué)性能Tab.3 Mechanical properties of MOY and DTY

2.6 染色性能

采用YF2003-Ⅱ搖襪機(jī)將DTY織成襪帶后進(jìn)行染色，對(duì)染色后的DTY襪帶在顯微鏡下進(jìn)行觀察，襪帶的顏色差異見圖5。

圖5 DTY襪帶染色后的顏色差異Fig.5 Color difference of DTY garter after dyeing

從圖5可以觀察到DTY染色后顏色差異明顯，這是因?yàn)槔w維的上染率與纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，纖維的結(jié)晶度和取向度高，無定形區(qū)少，染料分子不容易上染，則纖維上染率低[12]，反之則上染率高；DTY絲條進(jìn)行了不均勻拉伸，絲條沿軸向取向和結(jié)晶結(jié)構(gòu)存在差異，因而同一根DTY絲條出現(xiàn)不同的吸色效應(yīng)。

2.7 抗靜電性能

采用標(biāo)準(zhǔn)FZ/T 50035—2016《合成纖維長絲電阻試驗(yàn)方法》分別對(duì)MOY及化學(xué)法再生抗靜電異型竹節(jié)滌綸DTY進(jìn)行抗靜電性能測(cè)試，其結(jié)果如表4所示。

表4 MOY與DTY的體積比電阻Tab.4 Volume specific resistance of MOY and DTY

從表4可知，MOY與DTY平均體積比電阻分別為3.3×1011Ω·cm和3.9×1011Ω·cm，說明MOY的抗靜電劑含量不受后道拉伸影響，抗靜電性能基本保持不變。這是由于后道拉伸工藝完全是一個(gè)物理過程，而MOY中使用的有機(jī)抗靜電劑的熔點(diǎn)高于PET熔點(diǎn)，且后道拉伸變形溫度低于200 ℃，抗靜電劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)不會(huì)因加工溫度而發(fā)生變化，抗靜電劑含量不變，所以纖維的抗靜電性能基本保持不變。

3 結(jié)論

a. 以斷裂強(qiáng)度1.87 cN/dtex、斷裂伸長率為163.50%的化學(xué)法再生五波浪一字型截面抗靜電滌綸MOY為原料，采取特殊異拉伸加彈工藝，制備了斷裂強(qiáng)度為2.86 cN/dtex、斷裂伸長率為39.45%的抗靜電異形竹節(jié)再生滌綸DTY；DTY兼具橫向異截面、縱向異染等多異特性，DTY的平均體積比電阻為3.9×1011Ω·cm，具有良好的抗靜電性能。

b. 對(duì)MOY不均勻拉伸是通過自主研發(fā)的特殊異拉伸裝置來實(shí)現(xiàn)，通過對(duì)普通加彈設(shè)備改造，采用可編程控制器控制特殊異拉伸裝置達(dá)到對(duì)MOY的雙重不均勻拉伸。

c. 選擇斷裂伸長率150% ～ 170%的MOY為原料，具有良好的后加工性能，制備的DTY竹節(jié)效果好。

d. 采用特殊異拉伸裝置制備DTY是通過對(duì)常規(guī)DTY加工工藝進(jìn)行優(yōu)化，較佳工藝條件為：第一拉伸倍數(shù)為1.50～1.60，第二拉伸倍數(shù)為1.05，拉伸速度在648～781 m/min，第一熱箱溫度為138 ℃，第二熱箱溫度為120 ℃，網(wǎng)絡(luò)空氣壓力為0.15～0.20 MPa。