PPS/PET海島型復(fù)合纖維開纖工藝研究

(1. 天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津，300160；2. 中國紡織科學(xué)研究院江南分院，紹興，312071)

超細(xì)纖維是近代一種高科技新型產(chǎn)品，具有直徑小、比表面積大、手感柔軟、彎曲剛度低、光澤柔和、透氣性良好等許多優(yōu)異的特性。采用超細(xì)纖維制成的非織造布以其質(zhì)輕、柔軟、透濕(氣)、強力好、高吸收、接近或超過天然材料等優(yōu)良性能，受到國內(nèi)外用戶的青睞，已被廣泛應(yīng)用于服裝、醫(yī)學(xué)和過濾等領(lǐng)域。

超細(xì)纖維是差別化化學(xué)纖維中技術(shù)含量最高的品種之一，具有許多不同于其他纖維獨有的特性[1]。上世紀(jì)60年代美國杜邦公司發(fā)明了雙組分復(fù)合纖維制造技術(shù)，70年代日本廠商采用該工藝率先研制成海島型超細(xì)纖維，經(jīng)過幾十年的發(fā)展該紡絲技術(shù)現(xiàn)已日趨成熟，并成為生產(chǎn)超細(xì)纖維的基本工藝[2-3]。

海島型超細(xì)纖維又稱原纖型纖維，在海島型復(fù)合纖維中以一種原纖結(jié)構(gòu)聚合物作為島相組分，在其表面包覆另一種無定形結(jié)構(gòu)聚合物作為海相組分。海島型復(fù)合纖維在外形上與常規(guī)纖維一樣，具有常規(guī)纖維的線密度和長度等外觀形態(tài)，而在纖維內(nèi)部兩種組分的聚合物在縱向連續(xù)密集、均勻分散。海島型復(fù)合纖維中有許多單獨連續(xù)的島組分，經(jīng)開纖之后每個島得到一根超細(xì)纖維。在一根復(fù)合纖維中，島的個數(shù)越多，則得到的超細(xì)纖維根數(shù)越多，單絲線密度就越小[4]。用海島型復(fù)合紡絲法制得的超細(xì)纖維線密度可小至0.000 099 dtex[5]。

本試驗采用基布為常規(guī)聚苯硫醚(PPS)機織物、迎塵面為PPS/聚酯(PET)海島型復(fù)合纖維、凈氣面為常規(guī)PPS纖維制成的針刺氈作為研究對象。在高溫高壓條件下用NaOH溶液對針刺氈進行處理，根據(jù)針刺氈的失重率來衡量開纖情況，研究開纖條件對PPS復(fù)合超細(xì)纖維針刺氈開纖水平的影響。

1 PPS/PET海島型復(fù)合纖維開纖機理

海島型復(fù)合紡絲法是分別將紡絲性能相近但溶解性能不同的兩種聚合物經(jīng)各自的螺桿擠壓機熔融擠出，再經(jīng)過濾、計量后在噴絲頭小孔處匯合，紡出具有截面類似海島型的纖維[6-7]。復(fù)合纖維中海組分可溶解于酸、堿或有機溶劑等化學(xué)品中，但這些化學(xué)品對島組分沒有影響。經(jīng)過處理之后，海組分被去除，留下中間的島組分，復(fù)合纖維從一根雙組分粗纖維變成一束單組分細(xì)纖維從而完成開纖，獲得超細(xì)纖維。在PPS/PET復(fù)合纖維中，PPS作為難溶性聚合物構(gòu)成島組分，而易溶于NaOH的PET構(gòu)成海組分。PPS/PET海島型復(fù)合纖維經(jīng)針刺加固以后，以針刺氈的形式通過堿減量處理，使復(fù)合纖維中海組分PET溶解在NaOH溶液中而去除，留下難溶于NaOH的島組分PPS，從而得到PPS超細(xì)纖維的針刺氈。

2 試驗部分

2.1 材料

2.1.1 針刺氈

由基布PPS機織物以及上下兩面分別為PPS/PET海島型復(fù)合纖維和常規(guī)PPS纖維制成針刺氈。每根PPS/PET海島型復(fù)合纖維有37個島。PPS纖維網(wǎng)+PPS基布與PPS/PET海島型復(fù)合纖維網(wǎng)的質(zhì)量比約為50∶50，復(fù)合纖維中PPS(島組分)與PET(海組分)的質(zhì)量比約為 80∶20。PPS/PET海島型復(fù)合纖維由中國紡織科學(xué)研究院提供，PPS纖維由四川得陽化學(xué)有限公司提供，針刺氈由浙江宇邦濾材有限公司制備。

2.1.2 藥品

NaOH，分析純；堿促劑A(自復(fù)配)。

2.1.3 儀器

JA2003N型電子天平，DH27-9140A型烘箱，HT24型紅外線小樣染色機，日立S-4800型電子掃描電鏡。

2.2 開纖試驗

2.2.1 試驗方法

剪取100 cm2(5 g左右)的針刺氈若干塊，按1∶30的浴比置于不同濃度的NaOH溶液中，分別在高溫高壓染色機中于不同溫度下處理一段時間；堿減量開纖處理之后取出針刺氈，清水沖洗至中性，烘干并于干燥器內(nèi)靜置干燥。

為使開纖過程中堿液對PPS/PET海島型復(fù)合纖維的開纖順利進行和更加均勻，本研究在堿溶液中加入適量堿促劑A。

2.2.2 稱重

試驗前將剪好的針刺氈樣品放入烘箱，在100 ℃下烘至恒重，再于干燥器內(nèi)靜置到常溫，稱重，記錄數(shù)據(jù)，計作G0。

試驗后，為盡量去除針刺氈樣品上殘留的堿劑，對堿處理后的針刺氈進行清水沖洗、浸泡并揉搓10次，直至針刺氈表面沒有油滑的感覺，再放到100 ℃的烘箱內(nèi)烘燥2 h，然后移放到干燥器內(nèi)，到常溫恒重后再進行稱重，記錄數(shù)據(jù)，計作G1。

2.3 開纖率計算

由于開纖率比較難以計算，本文通過針刺氈樣品的失重率來衡量開纖率。根據(jù)堿處理開纖前后的針刺氈樣品烘干后的稱重數(shù)據(jù)，按下式計算失重率[6]：

式中：G0——開纖前針刺氈樣品的干重；

G1——開纖后針刺氈樣品的干重。

3 結(jié)果與討論

3.1 堿處理開纖試驗設(shè)計

選擇了NaOH濃度、堿促劑A濃度、處理溫度和處理時間四個主要因素,采用L9(34)正交試驗設(shè)計安排試驗,對針刺氈進行堿減量開纖工藝研究。因素水平表見表1。

表1 針刺氈開纖正交試驗因素水平表

3.2 開纖試驗結(jié)果與分析

3.2.1 正交試驗

在PPS/PET海島型復(fù)合纖維中海組分PET的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為20%，折合在針刺氈中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)近于10%。在高溫的NaOH溶液中，因海組分的PET分子的酯鍵被水解，斷裂形成不同聚合度的水解產(chǎn)物，最后在OH-1的作用下形成苯二甲酸鈉和乙二醇而溶解消失[9]。雙組分海島型復(fù)合纖維經(jīng)堿處理后完成開纖過程，獲得開纖后單纖線密度約為0.088 dtex的PPS超細(xì)纖維。試驗結(jié)果見表2。

表2中的失重率數(shù)據(jù)表明，影響本研究所用PPS/PET海島型復(fù)合纖維針刺氈的堿減量開纖的因素排序由大到小為堿促劑A濃度、處理時間、NaOH濃度和處理溫度。

表2 針刺氈開纖正交試驗設(shè)計及結(jié)果

由試驗結(jié)果可知，堿促劑A的質(zhì)量濃度為2和3 g/L時的樣品失重率明顯高于質(zhì)量濃度為1 g/L時的結(jié)果。同時，由于堿處理溫度對開纖的影響較小，在常壓100 ℃條件下也可以達到很好的開纖效果，考慮到成本以及某些設(shè)備達不到高溫高壓的情況，可選定最優(yōu)堿處理溫度為100 ℃、堿促劑A的質(zhì)量濃度為2 g/L。

3.2.2 補充試驗

為了進一步了解開纖時間和堿濃度各自對失重率的影響，在上述試驗基礎(chǔ)上對主要影響因素NaOH濃度與處理時間又進行了幾組試驗。

(1)開纖時間試驗

設(shè)定NaOH質(zhì)量濃度70 g/L、溫度100 ℃、堿促劑A質(zhì)量濃度2 g/L，改變開纖處理時間進行試驗。由圖1可見:隨著開纖時間的增加，失重率升高；當(dāng)開纖時間在60 min及以上時，失重率幾乎不再升高，并趨近10%，說明復(fù)合纖維已完全開纖。由于復(fù)合纖維中海組分PET易溶解于堿溶液，在理想狀態(tài)下，隨著開纖時間的延長，PET將被徹底溶解。然而，由于本文中復(fù)合纖維是以針刺氈的形式進行堿減量處理的，針刺氈中復(fù)合纖維的開纖難于單獨復(fù)合纖維的開纖，所以在滿足海島型復(fù)合纖維完全開纖前提下，選擇60 min的開纖時間就可以達到要求。這相對于更長的開纖時間，可以縮短工藝時間和節(jié)約生產(chǎn)成本。

圖1 開纖時間與失重率的關(guān)系曲線

(2)NaOH濃度試驗

設(shè)定溫度100 ℃、堿促劑A質(zhì)量濃度2 g/L、處理時間60 min，改變NaOH濃度進行試驗。由圖2可知：隨NaOH濃度增大，失重率提高；當(dāng)NaOH質(zhì)量濃度大于60 g/L時，失重率趨近于10%，并且隨著NaOH濃度的提高，失重率不再提高，說明海組分PET已幾乎完全被溶解掉，開纖完全。因此，本研究中復(fù)合纖維針刺氈開纖的最優(yōu)NaOH質(zhì)量濃度為60 g/L。

圖2 NaOH濃度與失重率的關(guān)系曲線

3.3 最佳開纖工藝

從上述數(shù)據(jù)分析可得，本試驗的PPS/PET海島型復(fù)合纖維針刺氈的最優(yōu)開纖工藝參數(shù)為：NaOH質(zhì)量濃度60 g/L，堿促劑A質(zhì)量濃度2 g/L，開纖溫度100 ℃；開纖時間60 min。

經(jīng)開纖后獲得的PPS超細(xì)纖維針刺氈的SEM照片見圖3。

4 結(jié)論

(1)NaOH是PPS/PET海島型復(fù)合纖維的有效的開纖劑，可以順利實現(xiàn)針刺氈中PPS/PET海島型復(fù)合纖維的超細(xì)化。在NaOH質(zhì)量濃度60 g/L、堿促劑A質(zhì)量濃度2 g/L、100 ℃條件下處理60 min，可獲得單纖線密度約為0.088 dtex的PPS超細(xì)纖維。

圖3 開纖后針刺氈的SEM照片

(2)堿促劑A的濃度對開纖工藝影響最大。加入質(zhì)量濃度為2 g/L的堿促劑A可使堿利用率提高，堿處理試驗穩(wěn)定，且有利于復(fù)合纖維的開纖。

(3)在小樣試驗條件下與在工廠生產(chǎn)加工條件下，PPS/PET海島型復(fù)合纖維針刺氈的開纖效果會有很大區(qū)別，對于在不同設(shè)備中的開纖工藝還需要進行更深入的研究，以合理選擇開纖工藝，使纖維內(nèi)外的海組分充分水解剝離，達到完全開纖。

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