高親水中空滌綸短纖維紡絲工藝探討

張 鑫

(中國石化股份有限公司天津分公司化工部，天津 300271)

高親水中空滌綸短纖維紡絲工藝探討

張 鑫

(中國石化股份有限公司天津分公司化工部，天津 300271)

以特性黏數(shù)0.598 dL/g的高親水聚酯切片為原料，采用雙C型噴絲板生產(chǎn)高親水中空滌綸短纖維，探討了生產(chǎn)工藝條件對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響。結(jié)果表明：控制高親水聚酯切片的含水率小于30 μg/g，組件初始?jí)毫?.5～11.0 MPa，紡絲溫度276～282 ℃，環(huán)吹風(fēng)溫度23～25 ℃、速度1.0～1.1 m/s，拉伸槽溫度58～63 ℃，緊張熱定型溫度140～150 ℃，總拉伸倍數(shù)2.20～2.25等工藝條件，紡絲過程穩(wěn)定，后加工順利；上述工藝條件下，生產(chǎn)的2.53 dtex高親水中空滌綸短纖維產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到預(yù)期效果，斷裂強(qiáng)度2.23 cN/dtex，斷裂伸長率22.5%，回潮率1.17%，中空度大于等于20%。

聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯纖維 短纖維 高親水纖維 中空纖維 生產(chǎn)工藝

聚酯纖維(俗稱滌綸)作為世界第一大合成纖維品種，具有成本低、強(qiáng)度高、去污性能好等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于服裝面料以及其他領(lǐng)域。然而滌綸也是一種典型的疏水性纖維,在20 ℃、相對(duì)濕度65%時(shí)的回潮率僅為0.4%[1]，穿著舒適度低，透氣性差。高親水纖維系列產(chǎn)品的研發(fā)更加重視多種差別化、功能性技術(shù)的整合發(fā)揮，強(qiáng)調(diào)聚合、紡絲、織造、染整技術(shù)的相互融合，整體調(diào)控纖維光澤、手感、以及熱濕舒適性能，滿足人類在新技術(shù)時(shí)代的需求[2]。作者以通過化學(xué)改性方法加入親水官能團(tuán)的高親水聚酯切片為原料，利用物理改性方法進(jìn)行中空纖維的紡制，纖維具有彈性好、手感豐滿、抗變形和起毛球能力強(qiáng)、易洗快干、免燙性好等特點(diǎn)，同時(shí)因其親水特性和芯吸效應(yīng)，能將體表濕氣迅速而自然地排出，具有優(yōu)異的柔軟性、保暖性、親膚性、舒適性。

1 試驗(yàn)

1.1 原料

高親水聚酯切片：特性黏數(shù)([η])為0.598dL/g，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度63.91 ℃，熱結(jié)晶溫度152.29 ℃，熔點(diǎn)241 ℃，采用化學(xué)改性方法在對(duì)苯二甲酸、乙二醇中添加第三單體間苯二甲酸乙二酯-5-磺酸鈉(SIPE)、第四單體聚乙二醇(PEG)和第五單體(親水劑)進(jìn)行共聚反應(yīng)，切片表面接觸角為55°～60°，東華大學(xué)提供。

1.2 生產(chǎn)設(shè)備與儀器

干燥設(shè)備：流化床預(yù)結(jié)晶器加充填干燥塔，干燥能力500kg/h，英國Rosin公司制；紡絲卷繞設(shè)備：6紡絲位，螺桿擠壓機(jī)能力480kg/h，牽引機(jī)最大紡速2 000m/min，日本ABE機(jī)械工程公司制；紡絲空調(diào)：瑞士Luwa公司制；后加工設(shè)備：拉伸后絲束總線密度6.67×105dtex，最大生產(chǎn)速度300m/min，生產(chǎn)線PCS自動(dòng)控制，德國Fleissner公司制。

Lenzingskop400線密度儀：奧地利蘭精公司制；Lenzingskop400等速伸長型單纖維強(qiáng)伸度儀：奧地利蘭精公司制；XH-1單纖維熱收縮儀：上海新纖儀器有限公司制。

1.3 生產(chǎn)工藝

高親水聚酯切片經(jīng)脈沖輸送至中間料倉，送至流化床充填干燥，再經(jīng)螺桿擠壓機(jī)、增壓泵、熔體過濾器、紡絲箱體、環(huán)吹風(fēng)冷卻、卷繞、橫動(dòng)落桶裝置、集束、拉伸、緊張熱定型、冷卻機(jī)、二次上油、卷曲、松弛熱定型、切斷、打包，得到高親水中空滌綸短纖維。

主要工藝參數(shù)如下：

(1)紡絲工藝條件

結(jié)晶器進(jìn)風(fēng)溫度150～155 ℃，干燥時(shí)間5～6h，組件初始?jí)毫?.5～11.0MPa，紡絲溫度為276～282 ℃，環(huán)吹風(fēng)溫度23～25 ℃，單紡絲位環(huán)吹風(fēng)速度1.0～1.1m/s。紡絲速度950～1 050m/min，原絲線密度4.40～4.65dtex。

(2)后加工工藝

拉伸后絲束總線密度為6.67×105dtex，拉伸槽溫度為58～63 ℃，第二拉伸機(jī)溫度為65～75 ℃，第三拉伸機(jī)溫度為105～115 ℃，緊張熱定型溫度140～150 ℃，總拉伸倍數(shù)2.2～2.25，卷曲機(jī)溫度65～75 ℃，松弛熱定型溫度55～65 ℃，生產(chǎn)速度80～110m/min。

1.4 測試方法

力學(xué)性能：從已平衡的試樣中隨機(jī)取出1根纖維，用規(guī)定名義隔距長度和拉伸速度在儀器上拉伸至斷裂時(shí)，得出斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長率。測試50根取得平均值。

回潮率：采用箱內(nèi)熱稱法測試。稱取(50±0.01)g的試樣，在(105±3)℃烘箱烘燥1h后稱重，根據(jù)烘燥前后質(zhì)量差計(jì)算。

中空度：將纖維試樣切斷做成金屬斷面，放置于顯微鏡下，測定一個(gè)視野中該斷面的內(nèi)外直徑，進(jìn)而計(jì)算得出纖維斷面空腔的面積占纖維斷面周界內(nèi)面積的百分?jǐn)?shù)即為中空度。

干熱收縮率：隨機(jī)取平衡后纖維約5g，隨機(jī)取出6小束，每束取5根，用熱收縮率測定儀測定單根纖維經(jīng)干熱空氣處理前后的長度變化，最后取其平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 噴絲板的設(shè)計(jì)

改變噴絲孔形狀是對(duì)纖維物理改性最直觀和行之有效的方法，而紡制中空纖維，噴絲板的設(shè)計(jì)和選擇直接影響到中空纖維的成形和紡絲能否順利進(jìn)行。中空噴絲板截面設(shè)計(jì)包括：單C、雙C、八角、多弧等，以孤型設(shè)計(jì)居多。一般來說，噴絲板圓弧形狹縫設(shè)計(jì)越多，熔體經(jīng)擠出、膨化、粘合后，所形成的中空腔體形狀越規(guī)整，但過多的圓弧和縫隙設(shè)計(jì)對(duì)加工精度要求極高，導(dǎo)致噴絲板強(qiáng)度變低，易損壞，清洗困難[3]。

噴絲板的結(jié)構(gòu)參數(shù)(如孔數(shù)、孔排列方式、孔的間距形狀等)也是噴絲板設(shè)計(jì)的技術(shù)關(guān)鍵。這些參數(shù)的制定，受裝置生產(chǎn)能力、工藝空調(diào)冷卻能力、卷繞機(jī)速度、噴絲板的直徑及纖維成形效果和質(zhì)量要求等綜合因素的影響。

綜合考慮生產(chǎn)能力、成形效果、板面面積、冷卻能力、加工和清洗難易等因素，選用雙C型噴絲板，孔數(shù)為1 800，同心圓排布，共8圈，孔與孔間距不小于2.2mm，以保證絲束有良好的成形效果和冷卻效果。

2.2 組件初始?jí)毫徒M件溫度

組件初始?jí)毫Φ拇笮∪Q于組件過濾層結(jié)構(gòu)及流經(jīng)熔體的溫度，不同的品種要求組件初始?jí)毫Σ煌?。中空截面形狀滌綸要求組件初始?jí)毫^常規(guī)滌綸高，提高組件中砂腔金屬砂的添加量能夠改善熔體的流動(dòng)性，增強(qiáng)過濾效果，減少微量雜質(zhì)進(jìn)入噴絲孔，有利于纖維截面的形成。同時(shí)，親水單體的加入使熔體的熱穩(wěn)定性變差，易產(chǎn)生降解，導(dǎo)致大分子鏈斷裂，易產(chǎn)生毛絲、飄絲、斷頭、粘板等現(xiàn)象。控制組件初始?jí)毫υ?.5～11.0MPa，組件溫度在276～280 ℃，紡絲能夠順利進(jìn)行，中空成形良好，原絲中空度大于等于25%。

2.3 切片干燥

親水單體的加入破壞了親水聚酯中鏈段的規(guī)整性，使得共聚酯的結(jié)晶能力下降，同時(shí)由于第三單體磺酸基團(tuán)的極性和空間位阻，使晶體的生長受到影響，形成的晶粒尺寸較小，導(dǎo)致其在較低的溫度下即可熔融，結(jié)晶溫度以及切片的軟化點(diǎn)偏低[4]。由于原料的親水特性以及紡制中空纖維對(duì)干燥后切片含水率更高的要求(切片含水率在30μg/g以下)，需要對(duì)干燥工藝控制更加精確。試驗(yàn)初期曾出現(xiàn)堵料、粘連現(xiàn)象，采取適當(dāng)降低干燥風(fēng)溫、減少喂入量、延長干燥時(shí)間的方法，壓縮空氣露點(diǎn)降至-77 ℃，結(jié)晶器與干燥塔進(jìn)風(fēng)溫度控制150～155℃，干燥時(shí)間5～6h，干燥過程恢復(fù)平穩(wěn)，干切片的含水率達(dá)到30μg/g以下，黏度降小于0.015dL/g。

2.4 紡絲溫度

紡絲溫度的設(shè)定關(guān)系到高親水纖維紡絲能否順利進(jìn)行。親水切片因第三單體、第四單體和親水單體的加入，破壞了大分子鏈結(jié)構(gòu)的規(guī)整性，在較低的溫度下即可熔融。一方面，切片的可紡性變差，導(dǎo)致原絲的拉伸性能變差，需要適當(dāng)提高紡絲溫度，降低熔體黏度，改善其流動(dòng)性能，提高初生纖維剩余拉伸倍數(shù)，保證后加工拉伸工序順利進(jìn)行；另一方面，熔體的熱穩(wěn)定性變差，易產(chǎn)生降解，導(dǎo)致大分子鏈斷裂，產(chǎn)生毛絲、飄絲、斷頭、粘板等現(xiàn)象。

紡絲溫度對(duì)中空纖維的成形也有很大影響。紡絲溫度高，熔體黏度小，熔體出噴絲孔后膨化現(xiàn)象大大降低，熔體形變阻力下降，表面張力隨之下降，熔體細(xì)流產(chǎn)生表面萎縮，從而使空腔部分變小，原絲中空度減少；紡絲溫度低，熔體黏度增大，熔體形變阻力和表面張力大，有利于中空的形成，但熔體溫度太低、熔體流動(dòng)性差、紡絲成形不好，同時(shí)黏度增高使熔體在噴絲孔中切應(yīng)力增大，熔體與毛細(xì)孔管壁之間的粘附力減弱，在壁上產(chǎn)生滑移，引起不穩(wěn)定流動(dòng)，造成熔體破裂，出現(xiàn)硬頭絲等現(xiàn)象。根據(jù)親水聚酯切片原料性質(zhì)和生產(chǎn)中空截面纖維工藝要求，紡絲溫度選擇在276～282 ℃為宜。

2.5 冷卻成形條件

親水單體的加入破壞了大分子鏈結(jié)構(gòu)的規(guī)整性，纖維可紡性變差，相對(duì)緩和的冷卻條件，可以降低原絲預(yù)取向度，提高剩余拉伸倍數(shù)，有利于后加工的順利進(jìn)行。然而過于緩和的冷卻條件極易使絲束冷卻不透，或者導(dǎo)致中空度降低，截面內(nèi)圓偏小、壁偏厚。一般來說提高環(huán)吹風(fēng)速度，冷卻條件加劇，熔體細(xì)流的固化速率加快，使得在紡程上形成的空腔部分來不及萎縮而加快固化，有利于中空纖維內(nèi)空腔的形成，但環(huán)吹風(fēng)速度太高會(huì)造成絲條搖晃抖動(dòng)，使噴絲板板面的溫度下降，出絲不暢，易產(chǎn)生硬絲、并絲、斷頭等現(xiàn)象[5]。降低環(huán)吹風(fēng)溫度，冷卻成形條件加劇，提高熔體細(xì)流的固化速率，有利于中空度的提高，但是降低環(huán)吹風(fēng)溫度的同時(shí)，原絲剩余拉伸倍數(shù)降低，給后加工帶來困難。綜合考慮各項(xiàng)因素，選擇環(huán)吹風(fēng)溫度為23～25 ℃、速度為1.0～1.1m/s。

2.6 后加工工藝條件的控制

2.6.1 拉伸與緊張熱定型溫度

高親水聚酯玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為63.91 ℃，在第一道油水浴拉伸中油劑的增塑作用下控制拉伸槽內(nèi)溫度為58～63 ℃即可滿足順利拉伸的要求。拉伸工序與緊張熱定型溫度的選擇應(yīng)比常規(guī)棉型滌綸后加工時(shí)要低些，在滿足拉伸過程不產(chǎn)生毛絲、繞輥的前提下，適當(dāng)提高緊張熱定型溫度對(duì)成品纖維的斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長率、180 ℃干熱收縮率等指標(biāo)有一定貢獻(xiàn)，但親水中空滌綸短纖維的目的不在于追求高強(qiáng)高模，緊張定型溫度越高會(huì)使成品纖維的中空度損失更多。因此，綜合考慮各項(xiàng)因素的影響，控制緊張熱定型的溫度在140～150 ℃為宜。

2.6.2 拉伸倍數(shù)

高親水聚酯中鏈段的規(guī)整性降低，結(jié)晶能力下降，可拉伸性能降低，拉伸倍數(shù)的選擇對(duì)纖維拉伸的穩(wěn)定運(yùn)行有重要影響，同時(shí)還要兼顧成品絲中空度、手感等影響。在實(shí)際生產(chǎn)中，總拉伸倍數(shù)為2.20～2.25，選擇一次拉伸成形的方法，即所有的拉伸基本在一級(jí)油浴拉伸完成，能夠提高生產(chǎn)的穩(wěn)定性，有效減少纏絲、繞輥等現(xiàn)象，拉伸、生產(chǎn)過程較為順利。

2.7 產(chǎn)品測試結(jié)果

應(yīng)用以上工藝生產(chǎn)的高親水中空短纖維，線密度為2.53dtex，斷裂強(qiáng)度為2.23cN/dtex，斷裂伸長率為22.5%，180 ℃干熱收縮率為9.6%，回潮率為1.17%(普通纖維回潮率為0.4%～0.8%)，中空度大于等于20%，相關(guān)物性指標(biāo)和截面形狀見表1與圖1。

表1 親水中空滌綸短纖維質(zhì)量指標(biāo)Tab.1 Quality index of hydrophilic hollow PET staple fiber

圖1 高親水中空滌綸短纖維截面示意Fig.1 Cross section diagram of high-hydrophilicity hollow PET staple fiber

產(chǎn)品應(yīng)用表明，高親水中空滌綸短纖維具有常規(guī)滌綸良好的力學(xué)性能、耐熱性的同時(shí)，利用聚酯分子結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性和中空的芯吸效應(yīng)，提高了其親水和透氣性能，具有保暖親膚、舒適性高等特點(diǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到預(yù)期效果。

3 結(jié)論

a. 生產(chǎn)高親水中空滌綸短纖維時(shí),根據(jù)裝置的具體情況選擇合適的噴絲板(雙C型)，控制組件初始?jí)毫?.5～11.0 MPa，紡絲溫度為276～282 ℃，紡絲過程穩(wěn)定。

b. 采取適當(dāng)降低干燥風(fēng)溫、減少喂入量、延長干燥時(shí)間的方法，可以減少親水聚酯切片堵料、粘連現(xiàn)象。

c. 冷卻工藝的設(shè)定在保證中空纖維成形的同時(shí)，應(yīng)盡量提高剩余拉伸倍數(shù)，有利于后加工工序的順利進(jìn)行。

d. 選擇適當(dāng)?shù)睦旌蜔岫ㄐ蜏囟?，在保證拉伸過程穩(wěn)定的基礎(chǔ)上兼顧纖維手感、中空度等物性指標(biāo)，油浴階段一次拉伸完成的辦法，能夠提高生產(chǎn)的穩(wěn)定性，有效減少纏絲、繞輥等。

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Discussion of spinning process of high-hydrophilicity hollow polyester staple fiber

Zhang Xin

(ChemicalEngineeringDivision,SINOPECTianjinCompany,Tianjin300271)

A high-hydrophilicity hollow polyester staple fiber was prepared from a high-hydrophilicity polyester chip with the intrinsic viscosity of 0.598 dL/g by using a double C-shaped spinneret. The effect of process conditions on the product quality was discussed. The results showed that the spinning process was stable and the post-processing process was smooth under the conditions as followed: water content of high-hydrophilicity polyester chip below 30 μg/g, initial pressure of spin pack 9.5-11.0 MPa, spinning temperature 276-282 ℃, cross air blow temperature 23-25 ℃ and speed 1.0-1.1 m/s, drawing temperature 58-63 ℃, heat setting temperature 140-150 ℃ under tension, total draw ratio 2.20-2.25; the produced 2.53 dtex high-hydrophilicity hollow polyester staple fiber was of the quality satisfying the desired level with the breaking strength of 2.23 cN/dtex, elongation at break 22.5%, moisture regain 1.17% and hollowness not less than 20% under the above process conditions.

polyethylene terephthalate fiber; staple fiber; high-hydrophilicity fiber; hollow fiber; production process

2017- 01-13； 修改稿收到日期：2017- 03-01。

張鑫(1980—)，男，工程師，主要從事差別化化纖的研究與開發(fā)工作。E-mail：alaxin@sina.com。

TQ342+.21

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1001- 0041(2017)02- 0059- 04