自發(fā)伸長滌綸復合絲的制備及其影響因素

蔡東照 秦兆瓊 徐建峰 黃機質(zhì) 潘濤

摘要： 以高收縮紗線33T-12-FDY為芯紗、超細預取向絲35T-96-POY為鞘紗，設計制備出自發(fā)伸長滌綸復合絲，并對鞘紗松弛熱處理溫度、超喂率及牽伸倍率進行探討。結果表明，即使熱處理的溫度不同，沸水收縮率也會隨著超喂率的提高而呈逐漸減小的趨勢，沸收后的自發(fā)伸長率均會隨著超喂率的提高而呈逐漸增大的趨勢。而在相同的超喂率下，溫度越高沸水收縮率越小，自發(fā)伸長率越低。根據(jù)總體伸長率情況，最終確定選用溫度為185℃、超喂率40%、POY不延伸的加工工藝。

關鍵詞： 自發(fā)伸長復合絲；超喂率；牽伸倍率；沸水收縮率；自發(fā)伸長率

中圖分類號： TS102.522

文獻標志碼： A

文章編號： 1001-7003（2018）06-0014-05

引用頁碼： 061103

Abstract： The self-extensible polyester composite filament was prepared by using the high-shrinkage yarn （33T-12-FDY） as the core yarn and the superfine POY （35T-96-POY） as the sheath yarn. The shrinkage temperature， over feeding ratio and drafting ratio were discussed. And the results showed that， 1.boiling water shrinkage reduced gradually with the increase of over-feeding ratio even if heat treatment temperature was different； 2.the self-extensible ratio of the composite filament after boiling processing increased gradually with the increase of over-feeding ratio； 3.under the same over-feeding ratio， the higher temperature， the less shrinkage ratio and the lower self-extensible ratio. The optimal parameters （185℃， 40% over-feeding rate and no stretching of POY） were established by analyzing the experimental results.

Key words： self-extensible composite filament； over feeding rate； drafting ratio； boiling water shrinkage； self-extensible rate

自發(fā)伸長滌綸纖維（self-elongation filament）是一種功能性高分子纖維材料。目前還沒有正式的定義，一般認為，這種纖維具有一定的取向、結晶度，在纖維染色、定型過程中由于高溫作用，導致進一步結晶和結晶完整化，晶體的增大從而使纖維自行伸長[1]。自發(fā)伸長纖維主要用以和其他纖維復合，普通異收縮混纖紗是通過復合紗線收縮差異的不同，使低收縮的纖維凸出在織物表面，形成微小紗圈，使織物膨松和柔軟。自發(fā)伸長纖維的研究開發(fā)是高異收縮復合絲的關鍵技術。普通的異收縮復合絲受織物交織的影響，纖維受到阻礙不能充分收縮，則產(chǎn)生的長度差異效果就差[2]。而自發(fā)伸長長絲在沸水和高溫干熱下處理時能自動伸長，受交織的影響小。作為復合紗的外層纖維，紗線具有多級微波狀結構，可制得光澤柔和、蓬松柔軟且懸垂性優(yōu)良的“新合纖”織物[3]。

聚酯自發(fā)伸長纖維的開發(fā)，在20世紀50～60年代杜邦公司的專利文獻中有所記載，當時由于它強度差、穩(wěn)定性能差、紡織加工性能不好，以致各國放慢了在這一領域的研究。日本從20世紀80年代以來，進行“新合纖”的研究，采用不同方法開發(fā)出一系列自發(fā)伸長纖維，并且在其應用和進一步加工及改善某些性能方面取得了突出的成績。中國從21世紀初也成功地開發(fā)了聚酯自發(fā)伸長纖維，但對超細聚酯自發(fā)伸長纖維面料的開發(fā)還幾乎是空白[4]。本文采用超細纖維進行實驗，提高織物柔軟的手感和蓬松性。利用超細纖維增加絲的層狀結構，增大比表面積，使纖維內(nèi)部反射光在表面分布更細膩，使之具有真絲般的高雅光澤，并有良好的吸濕導濕性。但超細纖維本身制造難度大，超細纖維自發(fā)伸長紗對原料的結晶取向要求更高，對紗線制備的工藝更難尋找。通常的共聚紡絲、共混紡絲的方法無法制得工業(yè)化用絲。本文利用空氣混纖機通過松弛熱處理對制備超細自發(fā)伸長絲進行了嘗試，制備出具有一定強度、自發(fā)伸長良好、染色穩(wěn)定性較好的紗線，實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。

1 實 驗

為獲得光澤柔和、蓬松柔軟且懸垂性優(yōu)良的織物，一般芯紗采用具有高沸水收縮率的紗線，鞘紗采用低沸水收縮率紗線[5]。在染色過程中，由于沸水收縮的差異，芯紗和鞘紗形成絲長差，獲得蓬松的手感；高溫定型時芯紗進一步收縮，而自發(fā)伸長紗在高溫處理時得到伸長，進一步增大絲長差。而且，采用超細纖維手感會更加柔軟、細膩、蓬松。

1.1 材 料

本實驗采用的原絲材料（恒力合成纖維有限公司）包括35T-96-POY超細預牽伸絲，斷裂強度1.85cN/detx，斷裂伸長120%；33T-12-FDY高收縮全牽伸絲，斷裂強度3.79cN/dtex，斷裂伸長23%，沸水收縮率21.7%。

1.2 儀 器

AT-501型混纖機（日本愛機工業(yè)株式會社），YG086型縷紗測長儀（南通宏大儀器有限公司），Q200型DSC差示掃描量熱儀（美國TA儀器有限公司），EL202型電子天平（梅特勒-托利多儀器有限公司），DZF-6050型真空烘箱（上海三發(fā)科學儀器有限公司），W201型恒溫水浴鍋（上海申生科技有限公司）。

自發(fā)伸長復合絲的加工方法如圖1所示。其中：超喂指牽伸羅拉速度超過第四羅拉速度，讓紗線在熱箱內(nèi)呈松弛狀態(tài)；超喂率=[（牽伸羅拉速度-第4羅拉的速度）/第4羅拉的速度]×100%。

首先通過第1羅拉喂入35T-96-POY，經(jīng)熱輥后進入牽伸羅拉，從牽伸羅拉到出絲羅拉之間在非接觸加熱箱上進行高溫松弛熱處理，得自發(fā)伸長絲。然后將自發(fā)伸長絲與33T-12-FDY高收縮全牽伸絲經(jīng)導絲器一起進入噴嘴進行網(wǎng)絡，得到自發(fā)伸長復合絲。

1.3 設 計

將35T-96-POY在第1喂入羅拉和牽伸羅拉之間牽伸，研究牽伸倍率與自發(fā)伸長率的關系。并在140、155、170、185、200、215℃下進行弛緩熱處理，同時分別加入20%、25%、30%、35%、40%的超喂，探究不同溫度、不同超喂率對自發(fā)伸長率的影響，獲得制備自發(fā)伸長滌綸復合絲的最佳工藝。

1.4 自發(fā)伸長率的計算

紗線的沸水伸長率按GB/T6505—2008《化學纖維 長絲熱收縮率試驗方法》測試，自發(fā)伸長率的測試按照日本東麗株式會社的標準（TRS）進行，每組3個試樣進行測試取平均值。如3個試樣數(shù)據(jù)有明顯誤差時需重新測定。自發(fā)伸長率測試時，紗線樣品施加20mg/dtex的荷重，于水中加熱處理，加熱至100℃并保持30min，從水中取出，在20℃、濕度65%的環(huán)境下自然干燥24h，測量樣品長度L1。然后向樣品施加0.5mg/dtex的荷重，在180℃烘箱中處理5min后冷卻取出，測量出樣品長度L2。自發(fā)伸長率按下式計算：

2 結果與分析

2.1 在不同熱箱溫度下、牽伸倍率對沸水收縮率的影響

通?？椢锛庸ひ?jīng)過精練、染色、定型的工序，因此，首先對紗線的沸水收縮率影響因素進行探討。由于采用的35T-96-POY為超細纖維，牽伸及加工過程中易產(chǎn)生毛羽，為保證生產(chǎn)品質(zhì)，不宜采用過高的加工速度進行實驗。優(yōu)選的加工速度為400m/min，同時考慮到松弛熱處理超喂率太大可能導致松弛不勻，容易造成紗線接觸熱箱內(nèi)壁，導致紗線的受熱不勻。因此設定超喂率為20%，探究在不同熱箱溫度下，牽伸倍率對自發(fā)伸長滌綸紗線沸水收縮率的影響。為了更直觀地看清趨勢，本文作出以上各數(shù)據(jù)點的擬合曲線，如圖2所示。

從圖2可以看出，熱箱溫度低于185℃時，隨著牽伸倍率的提高，紗線的沸水收縮率呈下降的趨勢。溫度高于185℃時，紗線雖經(jīng)過牽伸，但沸水收縮率基本不受牽伸倍率大小的影響。

2.2 在不同熱箱溫度下、牽伸倍率對沸水收縮后自發(fā)伸長率的影響

比較不同溫度下，牽伸倍率對沸水收縮后自發(fā)伸長率的影響，得到如圖3所示曲線。

從圖3可以看出，不同熱箱溫度下，隨著牽伸倍率提高，沸水收縮后的自發(fā)伸長率基本呈現(xiàn)下降趨勢，在不牽伸情況下，自發(fā)伸長率均達到最高值。

2.3 自發(fā)伸長率與熱箱溫度、牽伸倍率關系的理論解釋

通過以上實驗看出，一定超喂下，隨著熱箱溫度提高，沸水收縮率降低；隨著牽伸倍率提高，自發(fā)伸長率降低。一般認為，熱處理過程PET纖維內(nèi)部會發(fā)生兩種變化：1）取向松弛或分子卷縮；2）結晶。從宏觀角度分析，取向松弛或分子卷縮是收縮過程，而結晶應該是一個伸長的過程。纖維的自發(fā)伸長與其超分子結構密切相關[6]。根據(jù)自發(fā)伸長纖維的結晶度、晶粒尺寸、取向度等超分子結構及其在不同條件下的伸長行為，提出如圖4所示結構模型。

35T-96-POY已有一定取向，經(jīng)過低溫熱延伸，產(chǎn)生一些微小的冷結晶。同時取向度也越來越大，這時將絲條以松弛狀態(tài)喂入熱箱，通過結晶區(qū)的形成及解取向作用的發(fā)生使紗線收縮，形成自發(fā)伸長絲，再經(jīng)染色和高溫定型產(chǎn)生伸長。

研究表明，預牽伸絲已有一定取向，加熱處理該纖維，會使其產(chǎn)生回縮。因此，本文首先對紗線進行定長松弛熱處理，同時控制牽伸羅拉和第4羅拉的速度，保持牽伸羅拉的速度是第4羅拉速度的1.2倍。POY的熱收縮率高達50%以上，因此需要在第4羅拉處設置一定的張力，使纖維保持穩(wěn)定，不發(fā)生回縮，不接觸熱箱，同時將原有的一部分取向保留下來；此外，這也有助于高溫熱處理過程中誘導結晶的產(chǎn)生。在定長松弛熱處理時，纖維內(nèi)部產(chǎn)生的晶點數(shù)逐漸增大[5]。這些晶點像一個個網(wǎng)絡點，阻止纖維大分子的回縮，使纖維在后面的熱定型處理中不再發(fā)生收縮，而是在自由熱處理結晶過程中得到伸長。

此外，定長松弛熱處理過程中，纖維產(chǎn)生具有一定取向排列的小晶核[7]。在結晶過程中，無定形區(qū)分子沿纖維軸方向的小晶核生長變大，成為大晶體，使晶區(qū)取向提高。而無定形區(qū)的分子在進入晶格的過程中得到牽動，分子更好地沿纖維軸取向[8]。這一結晶過程最終導致纖維的縱向長度增加。

根據(jù)以上實驗結果，牽伸倍率越大，纖維的伸長越小。這一事實說明，牽伸太大時，纖維已有較高取向度和一定結晶度，限制了小晶核的產(chǎn)生及晶粒的生長，反而有可能隨著牽伸倍率的增大取向度提高。所以，在后面的干熱處理時解取向產(chǎn)生一定的回縮，在本實驗條件下沒有伸長現(xiàn)象。

2.4 自發(fā)伸長滌綸最優(yōu)條件選擇

結合以上分析，對于具有少量結晶的超細預牽伸絲35T-96-POY而言，隨著牽伸倍率的提高，自發(fā)伸長率降低。因此進一步采用不牽伸方式，直接對紗線進行松弛熱處理，探討超喂率與沸水收縮率、自發(fā)伸長率及總體伸長率的關系，得到如圖5所示曲線。

隨著超喂率的增加，沸水收縮率也呈下降的趨勢，同樣在185℃以上沸水收縮率基本也未有明顯變化。對不同超喂率下的自發(fā)伸長率作了再確認，其結果如圖6所示。

對不同熱箱溫度下，超喂率對復合絲總體伸長率作了再確認，其結果如圖7所示。

在任一熱箱溫度條件下，隨著超喂率的提高，沸水收縮后的自發(fā)伸長率呈逐漸增大的趨勢；在任一超喂率條件下，隨著熱箱溫度的提高，均呈現(xiàn)沸水收縮后自發(fā)伸長率的降低。從熱箱溫度、超喂率對總體伸長率的影響來看，超喂率越大，總體自發(fā)伸長率增加。185℃松弛熱處理下超喂40%，總體伸長率達到最大。另外，提高超喂率到45%時發(fā)現(xiàn)紗線運行后一段時間全部斷紗，可能是由于紗線太松、張力不勻出現(xiàn)斷紗；超喂率45%的紗線染色時明顯染色不勻，推測紗線松弛后與熱箱接觸，造成受熱不勻。綜合以上推論，選用溫度為185℃、超喂率40%、POY不延伸的加工工藝進行了加工。紗線生產(chǎn)性和染色性都沒有問題，織物柔軟細膩、懸垂性良好。

3 結 論

1）自發(fā)伸長滌綸復合絲所使用的超細預牽伸絲35T-96-POY本身具有一定的取向和結晶，進行牽伸不能得到很好的總體伸長效果。因此，本文適合采用不牽伸直接松弛熱處理工藝。

2）熱箱溫度、超喂率對自發(fā)伸長率的影響規(guī)律表明：即使熱處理的溫度不同，沸水收縮后的自發(fā)伸長率依然會隨著超喂率的提高而呈逐漸增大的趨勢，并且沸水收縮率呈現(xiàn)完全相反的趨勢；在相同的超喂率下，溫度越高沸水收縮率越小，自發(fā)伸長率越低。

3）為了獲得柔軟細膩的手感，根據(jù)總體伸長率情況，最終確定選用溫度為185℃、超喂率40%、POY不延伸的加工工藝。

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