LDPE/PA6海島復(fù)合超細(xì)纖維的可紡性及性能研究

董振峰，王 銳*，李 革，馬文娟

(1.北京服裝學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100029;2.泉州萬(wàn)華世旺超纖有限責(zé)任公司，福建泉州362100)

相比于共混海島超細(xì)纖維，復(fù)合海島超細(xì)纖維的島與海的分布均勻性好，超細(xì)纖維直徑均勻，線密度一致，染色均勻性好，產(chǎn)品主要用于絨面革，手感更接近真皮，附加值較高［1－4］。目前海島復(fù)合纖維的海組分主要為易水解聚酯［5－9］，在開纖過程中需將其溶除。易水解聚酯難以回收再利用，且開纖過程需要消耗大量的強(qiáng)堿溶液［10－11］。目前，北京服裝學(xué)院采用低密度聚乙烯(LDPE)為海組分開發(fā)出的共混PA6超細(xì)纖維(300～500 nm)制備技術(shù)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，成功解決了溶劑和LDPE的回收再利用［12］。

與共混海島超細(xì)纖維相比，海島復(fù)合超細(xì)纖維的生產(chǎn)工藝及設(shè)備截然不同，因此需要進(jìn)一步研究其可紡性及超細(xì)纖維的性能。作者從紡絲溫度、LDPE/PA6質(zhì)量比和紡絲速度等方面研究LDPE/PA6海島復(fù)合超細(xì)纖維的可紡性及纖維性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

LDPE:牌號(hào)1I50A，熔體流動(dòng)指數(shù)為每10 min 50 g，中國(guó)石化股份有限公司北京燕山分公司產(chǎn);PA6:相對(duì)黏度2.8，岳陽(yáng)巴陵石化化工化纖有限公司產(chǎn)，在真空轉(zhuǎn)鼓干燥機(jī)中120℃干燥10 h，冷卻后取出置于密閉容器中待用。

1.2 紡絲設(shè)備

單螺桿雙箱體熔融復(fù)合紡絲機(jī):大連合成纖維研究所制造，螺桿直徑均為30 mm，長(zhǎng)徑比為30;噴絲組件為日本卡森36孔37島組件，噴絲板微孔直徑 0.25 mm，長(zhǎng)徑比為2.5。

1.3 紡絲工藝

PA6切片和LDPE切片經(jīng)各自螺桿擠壓機(jī)加熱熔融后輸送至各自紡絲計(jì)量泵，再經(jīng)紡絲計(jì)量泵輸送至紡絲組件。熔體在紡絲組件內(nèi)經(jīng)熔體轉(zhuǎn)換板形成海島結(jié)構(gòu)從噴絲板微孔擠出成絲條。絲條在側(cè)吹風(fēng)冷卻后上油經(jīng)導(dǎo)絲盤導(dǎo)絲由卷繞裝置卷繞得到卷繞絲。螺桿擠壓機(jī)一區(qū)、二區(qū)、三區(qū)、四區(qū)溫度和紡絲箱溫度設(shè)置如下:PA6分別為250，275，278，278 ℃，LDPE 分別為 170，200，210，210，278 ℃。

通過調(diào)整紡絲計(jì)量泵轉(zhuǎn)速和卷繞速度得到不同海島比例和紡絲速度的卷繞絲，實(shí)驗(yàn)選取LDPE/PA6的質(zhì)量比為45/55進(jìn)行不同紡絲速度的對(duì)比分析。不同工藝條件下得到的初生纖維試樣見表1。

表1 初生纖維試樣Tab.1 Nascent fiber samples

1.4 拉伸工藝

采用蘇州特發(fā)公司的TF100-08撥叉式平行牽伸機(jī)進(jìn)行拉伸熱定型。將初生纖維以300 m/min的速度拉伸2.5倍，第一熱輥溫度為50℃，第二熱輥溫度為55℃，熱箱溫度為90℃。1#～7#初生纖維的拉伸絲分別為Q1#～Q7#。

1.5 剝離工藝

將拉伸絲在120℃(油浴溫度125℃)的二甲苯中剝離，浴比(質(zhì)量)為1∶300，將超細(xì)纖維用乙醇洗去溶劑二甲苯，并在鼓風(fēng)烘箱50℃烘除乙醇。1#～7#復(fù)合纖維的超細(xì)纖維分別命名為S1#～S7#。

1.6 分析測(cè)試

線密度:采用常州紡織儀器廠YG086C型縷紗測(cè)長(zhǎng)儀測(cè)試。

形態(tài)結(jié)構(gòu):用KYKY SBC-12離子濺射儀對(duì)纖維試樣進(jìn)行鍍金處理，然后置于JSM-7500F型場(chǎng)發(fā)射型掃描電子顯微鏡下觀察。

熱性能:采用PerkinElmer公司Diamond DSC測(cè)試?yán)w維的熔融溫度，升溫速度為20℃/min

力學(xué)性能:采用美國(guó)英斯特朗公司的Instron 5969力學(xué)性能測(cè)試儀按照GB/T14337—93進(jìn)行測(cè)試，拉伸速度為40 mm/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 紡絲溫度

海島復(fù)合纖維兩組分的熔體黏度比是影響其截面海、島形態(tài)的重要因素之一［13］。當(dāng)兩組分的分子量確定后，兩組分的黏度比主要受紡絲溫度的影響［14－15］。從表2可看出，在 270～285 ℃進(jìn)行海島復(fù)合紡絲，在所研究的海島復(fù)合比下，均可形成穩(wěn)定的初生纖維。由于LDPE的凝固點(diǎn)較低，較高的紡絲溫度會(huì)導(dǎo)致纖維的凝固點(diǎn)位置下降，使得紡絲升頭困難。由于熔體黏度隨著熔體溫度的降低而增大，較低的紡絲溫度會(huì)使組件壓力增大。紡絲溫度為278℃時(shí)，PA6和LDPE兩組分的組件壓力分別為15 MPa和11 MPa，可以形成穩(wěn)定的初生纖維，可紡性好。

圖1 初生纖維試樣截面的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM photos of nascent fiber samples'cross-section

表2 不同紡絲溫度下復(fù)合纖維的可紡性Tab.2 Spinnability of composite fiber at different spinning temperature

2.2 紡絲速度

LDPE/PA6非相容體系共混海島紡絲由于其共混熔體的性質(zhì)決定其紡絲速度不超過400 m/min，而復(fù)合海島紡絲的紡絲速度可以更高［15］。由于LDPE的熔點(diǎn)為109℃，其纖維相比于聚酯纖維和聚酰胺纖維難以冷卻，且凝固點(diǎn)隨著紡絲速度的提高而下移，因此需要延長(zhǎng)冷卻長(zhǎng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，LDPE/PA6復(fù)合纖維可紡性良好的紡絲速度與冷卻長(zhǎng)度的關(guān)系見表3。

表3 紡絲速度與冷卻長(zhǎng)度的關(guān)系Tab.3 Relationship between spinning speed and cooling length

2.3 海島比例

由復(fù)合法制備的超細(xì)纖維需要溶除海的組分方能得到超細(xì)纖維，需要考慮海組分的回收和再利用，若海組分比例較高，回收的成本增加;但海組分比例過小，會(huì)出現(xiàn)島纖維大片粘連，因此，海島比的選擇關(guān)系到可行性和成本的高低［16］。

從圖1可看出，初生纖維中島相排列跟組件設(shè)計(jì)排列完全相同，并未發(fā)生粘連或凝聚，這說明在研究的海島比例范圍內(nèi)，可紡性均較好。從表4可看出，島直徑隨著島組分比例的增加而增加。

表4 初生纖維島直徑Tab.4 Diameter of nascent fibers

2.4 復(fù)合纖維的剝離

將1 000 m/min紡制的初生纖維在平行拉伸機(jī)上拉伸2.5倍得到拉伸絲，2 000 m/min紡制的初生纖維拉伸1.5倍，而3 000 m/min紡制的初生纖維無法進(jìn)行再拉伸，將其溶除海組分得到超細(xì)纖維，以差示掃描量熱(DSC)測(cè)試來表征剝離效果。

從圖2可以看出，試樣Q2#曲線1中出現(xiàn)了LDPE和 PA6的熔融峰，而試樣 S2#曲線2中LDPE的熔融峰已經(jīng)消失，這說明復(fù)合纖維海相的溶除比較完全。

圖2 復(fù)合超細(xì)纖維試樣的DSC曲線Fig.2 DSC curves of superfine composite fiber samples

2.5 纖維形態(tài)

從圖3可以看出，超細(xì)纖維的島相纖維粗細(xì)均勻，未發(fā)生粘連或凝聚現(xiàn)象.用SEM軟件測(cè)得超細(xì)纖維的島直徑及根據(jù)文獻(xiàn)［1］的計(jì)算方法得到超細(xì)纖維的線密度列于表5。

圖3 超細(xì)纖維試樣SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM images of superfine fiber samples

表5 超細(xì)纖維試樣的直徑及線密度Tab.5 Diameter and linear density of superfine fiber samples

從表5可以看出，紡絲速度相同時(shí)，超細(xì)纖維直徑隨著島比例的增加而增加。S6#和S7#的纖度相當(dāng)于Q2#拉伸3倍后超細(xì)纖維的線密度，主要是由于二者的紡絲速度差產(chǎn)生。

2.6 力學(xué)性能

從表6可看出，Q1#～Q5#的斷裂強(qiáng)度隨著PA6比例的增加而增加。由于紡絲速度增加，大分子取向度，相比于Q2#，Q6#的斷裂強(qiáng)度明顯增加。但隨著紡絲速度的增加，冷卻長(zhǎng)度增加，纖維力學(xué)性能的不勻率迅速上升。

表6 拉伸絲力學(xué)性能Tab.6 Mechanical properties of stretched fibers

3 結(jié)論

a.在紡絲溫度為278℃，LDPE/PA6質(zhì)量比為 50/50，45/55，40/60，35/65，30/70，冷卻長(zhǎng)度為140 mm，紡絲速度為1 000 m/min時(shí)，海島復(fù)合纖維具有良好的可紡性，其超細(xì)纖維的線密度為 0.077 ～0.110 dtex。

b.LDPE/PA6復(fù)合纖維紡絲的過程中，冷卻長(zhǎng)度應(yīng)隨著紡絲速度的增加而適當(dāng)延長(zhǎng)。

c.拉伸絲的強(qiáng)度隨著PA6比例和紡絲速度的增加而增加。但隨著紡絲速度和冷卻長(zhǎng)度的增加，纖維力學(xué)性能不勻率上升。

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