紡絲工藝對并列復(fù)合聚酯纖維性能的影響

李明明， 陳 燁， 李 夏， 王華平,2

(1. 東華大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 201620； 2. 東華大學(xué) 研究院， 上海 201620)

并列復(fù)合型彈性纖維是一類具有潛在彈性的纖維，采用相容性好而熱收縮差較大的2種組分通過并列復(fù)合紡絲制得，對其進(jìn)行牽伸和熱處理使纖維產(chǎn)生熱收縮和不對稱應(yīng)力，可使并列復(fù)合纖維形成三維立體卷曲結(jié)構(gòu)[1-2]。

聚酯纖維作為目前國內(nèi)生產(chǎn)與使用量最多的合成纖維品種，具有高強(qiáng)高模、抗皺、質(zhì)輕及易洗快干等優(yōu)點。將聚酯材料制備成并列復(fù)合纖維進(jìn)一步賦予聚酯纖維優(yōu)異的三維卷曲和彈性性能，可廣泛用于緊身內(nèi)衣、絲襪、織帶等彈性織物以及蓬松填充材料等領(lǐng)域。并列復(fù)合纖維的紡制一般采用二步法工藝，首先在高速紡絲條件下得到預(yù)取向絲(POY)，然后經(jīng)過牽伸加捻(DT)等工藝使纖維內(nèi)大分子進(jìn)行取向和產(chǎn)生卷曲。為探索并列復(fù)合纖維的紡絲工藝以滿足不同彈性要求的產(chǎn)品，可研究通過一步法制備彈性纖維，以便工業(yè)上進(jìn)一步取代拉伸變形絲(DTY)，省去加捻等二步處理工藝，節(jié)約成本，簡化操作，避免了纖維在變形加工過程中對其結(jié)構(gòu)的損傷，以及纖維在后期使用過程中彈性不穩(wěn)定，易變形的缺點[3]。

本文以2種黏度的聚酯(PET)為原料，分別采用預(yù)取向絲經(jīng)牽伸加捻制備POY-DT，經(jīng)一步法制備全拉伸絲(FDY)。通過在相同牽伸倍數(shù)和溫度下，對2種工藝制備的并列復(fù)合纖維的卷曲性能、力學(xué)性能、熱處理方式等進(jìn)行比較，研究2種纖維的尺寸穩(wěn)定性。

1 實驗部分

1.1 主要原料及性能

常規(guī)PET、瓶級PET，均購自中國石化儀征化纖股份有限公司。原料的黏度([η])、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)、結(jié)晶溫度(Tc)及熔融溫度(Tm)如表1所示。

表1 樣品原料性能Tab.1 Sample raw material properties

1.2 并列復(fù)合聚酯纖維的制備工藝

紡絲前常規(guī)PET和瓶級PET均在(180±2)℃下預(yù)結(jié)晶8 h，并在130 ℃下干燥24 h，將水分含量控制在0.003%以下。

1.2.1 牽伸加捻工藝制備并列復(fù)合纖維

將干燥結(jié)晶后的常規(guī)PET與瓶級PET在東華大學(xué)自制的雙螺桿并列復(fù)合紡絲機(jī)上以1∶1的進(jìn)料速度進(jìn)行并列復(fù)合紡絲。噴絲板的規(guī)格為并列雙組分72孔，噴絲孔長徑比為3∶1，“8”字型噴絲板結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。制備得到預(yù)取向絲(POY)，紡絲速度為2 780 m/min，紡絲工藝如表2所示。

圖1 “8”字型噴絲孔的參數(shù)示意圖Fig.1 Schematic diagram of parameters of 8-shaped orifice

表2 初生POY纖維紡絲工藝參數(shù)
Tab.2 Process parameters of primary POY
fiber spinning ℃

原料名稱紡絲溫度一區(qū)二區(qū)三區(qū)四區(qū)箱溫聯(lián)苯氣相溫度聯(lián)苯液相溫度冷凝溫度常規(guī)PET290295295290瓶級PET291299300303294295297293

將制備的并列復(fù)合纖維POY初生纖維采用TF-100型平行牽伸機(jī)盤熱板拉伸，選擇熱盤溫度為100 ℃，熱板溫度為 140 ℃，牽伸倍數(shù)為1.9。

1.2.2 一步法工藝制備并列復(fù)合纖維

將干燥結(jié)晶后的常規(guī)PET與瓶級PET在雙螺桿并列復(fù)合紡絲機(jī)中紡絲，并利用一步法牽伸設(shè)備進(jìn)行牽伸，根據(jù)FDY工藝紡絲經(jīng)驗[4]，第1輥轉(zhuǎn)速選為1 800 m/min，具體紡絲及牽伸工藝如表3、4所示。

表3 FDY紡絲工藝Tab.3 FDY spinning process ℃

1.3 纖維結(jié)構(gòu)和性能測試

1.3.1 熱性能測試

采用Q-20型差示掃描量熱儀，在N2氛圍下，以10 ℃/min的升溫速率，對共聚酯熱性能進(jìn)行測試。

表4 FDY牽伸工藝Tab.4 FDY drafting process

1.3.2 結(jié)構(gòu)形態(tài)觀察

采用VHX-1000型超景深顯微鏡以及數(shù)碼相機(jī)拍攝纖維的縱向卷曲形態(tài)。

1.3.3 力學(xué)性能測試

將纖維在100 ℃下干熱處理10 min，以及在沸水濕熱處理10 min后，采用XL-I型復(fù)絲強(qiáng)力儀對未經(jīng)熱處理、干熱處理、濕熱處理纖維進(jìn)行力學(xué)性能測試。預(yù)加張力為0.05 cN/dtex，拉伸速度為 200 mm/min，夾持距離為200 mm。

1.3.4 結(jié)晶和取向結(jié)構(gòu)測試

采用廣角X射線衍射法測定纖維的結(jié)晶度。將纖維樣品剪碎后，利用D/max-B型X射線衍射儀進(jìn)行測試。實驗采用管電流為50 mA，管電壓為 40 kV，掃描速度為5(°)/min。

采用東華大學(xué)材料學(xué)院自制的SCY-Ⅲ型聲速取向儀測定纖維的取向性能。根據(jù)樣品線密度施加張力，張力大小按照0.1 cN/dtex計算。

1.3.5 收縮性能測試

參照GB/T 6505—2008《化學(xué)纖維 長絲熱收縮率試驗方法》測定纖維的沸水收縮率，將纖維用紗布包好，放置在恒溫水浴鍋中沸水處理30 min，取出自然干燥后在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下放置24 h。沸水收縮率按下式進(jìn)行計算。

式中：S為沸水收縮率，%；L0為沸水處理前的絲絞長度，mm；L1為沸水處理后的絲絞長度，mm。

采用相同方法進(jìn)一步測試?yán)w維在經(jīng)沸水處理30 min后的即時收縮率和放置12、24、72、168 h的長期收縮率。

1.3.6 卷曲性能測試

由于FDY纖維在熱處理前不具有卷曲結(jié)構(gòu)，因此，對2種樣品經(jīng)過100 ℃、10 min的濕熱處理工藝后進(jìn)行卷曲性能的評價。

參照GB/T 14338—2008《化學(xué)纖維 短纖維卷曲性能試驗方法》測定纖維的卷曲性能，包括卷曲率(J)、卷曲回復(fù)率(Jw)和卷曲彈性率(Jd)，分別按照下式進(jìn)行計算：

式中：L2為纖維在輕負(fù)荷下測得的長度，mm；L3為纖維在重負(fù)荷下測得的長度，mm；L4為纖維在重負(fù)荷釋放后經(jīng)2 min回復(fù)，再在輕負(fù)荷下測得的長度，mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 卷曲形態(tài)分析

圖2示出并列復(fù)合纖維卷曲結(jié)構(gòu)。

圖2 2種并列復(fù)合纖維的卷曲結(jié)構(gòu)Fig.2 Two kinds of parallel composite fiber crimped structure.(a)POY-DT without boiling water treatment；(b)FDY without boiling water treatment；(c)POY-DT in boiling water treatment；(d)FDY in boiling water treatment；(e)POY-DT microstructure(×30)；(f)FDY microstructure(×30)

由圖2(a)、(b)可知，未經(jīng)沸水處理的POY-DT和FDY工藝制備的復(fù)合纖維卷曲均大而稀疏，但FDY工藝制備得到的并列復(fù)合纖維較POY-DT工藝制備得到的復(fù)合纖維卷曲稍微稠密。由圖2(c)、(d) 可知，POY-DT和FDY工藝制備的復(fù)合纖維經(jīng)沸水處理后，相較于沸水處理前，纖維的卷曲結(jié)構(gòu)有了明顯改變，卷曲更加充分，卷曲半徑更小。通過觀察對比圖2(c)、(d)和圖2(e)、(f)可知，通過FDY工藝制備的復(fù)合纖維在沸水處理后纖維的卷曲更加稠密和細(xì)致，在一定程度上說明了FDY成型工藝更加利于并列復(fù)合纖維三維卷曲結(jié)構(gòu)的形成。

2.2 取向和結(jié)晶結(jié)構(gòu)分析

通過對POY-DT和FDY工藝制備的并列復(fù)合纖維的結(jié)晶度和取向度進(jìn)行測試比較可知： 2種工藝制備的纖維結(jié)晶性能接近，結(jié)晶度分別為31.6%和30.8%；而纖維的聲速取向因子相差較大，F(xiàn)DY的聲速取向因子(0.87)是POY-DT(0.43)的2倍多，F(xiàn)DY的晶區(qū)取向度和整體取向度都較高。FDY工藝具有高效快速的特點[5-6]，紡絲牽伸一步完成，纖維在牽伸時由于纖維表面和芯部均處在較高的溫度，使纖維表面和芯部的晶區(qū)和分子鏈段都能得到取向；而對于POY-DT工藝，纖維在牽伸時熱量從表面?zhèn)鬟f到芯部需要一定的時間，在較高的卷繞速度下，纖維表面的溫度要高于芯部，導(dǎo)致纖維的芯部分子鏈運動能力較差，進(jìn)而導(dǎo)致纖維的整體取向下降。結(jié)晶的過程主要在紡絲階段，因此，在相同的紡絲溫度和紡絲速度下，2種工藝制備的纖維具有相近的結(jié)晶度。

2.3 卷曲性能分析

表5示出2種并列復(fù)合纖維樣品經(jīng)熱處理后卷曲性能測試結(jié)果。可知：FDY纖維的整體卷曲性能較POY-DT纖維的卷曲性能優(yōu)異，但二者相差不大，卷曲率、卷曲彈性率和卷曲回復(fù)率差距均在10%以內(nèi)；而二者的卷曲彈性率均達(dá)到80%以上，表明2種纖維的卷曲穩(wěn)定性都比較好。并列復(fù)合纖維的卷曲來自于2個方面[7-9]：一是并列雙組分在熱處理工藝中具有不同的收縮率，從而在宏觀上表現(xiàn)為卷曲的產(chǎn)生；二是纖維在牽伸工藝中大分子發(fā)生取向，取向的同時伴隨內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生，雙組分高聚物內(nèi)應(yīng)力大小差異賦予了纖維卷曲結(jié)構(gòu)。FDY與POY-DT纖維在相同的熱處理條件下，由于組分相同，因此，具有相同的熱收縮率；而2種工藝制備纖維的取向性能差異進(jìn)一步表明，F(xiàn)DY較POY-DT的雙組分高聚物內(nèi)應(yīng)力差異大。

表5 2種纖維樣品經(jīng)熱處理后卷曲性能Tab.5 Crimp properties of two kinds of fiber after heat treatment %

2.4 沸水收縮率和卷曲結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

將POY-DT與FDY纖維經(jīng)過沸水處理30 min后，其沸水收縮率分別為12.9%和8.3%，POY-DT的沸水收縮率比FDY的高約55%。2種纖維的即時收縮率與長期收縮率差值結(jié)果如表6所示。可知：POY-DT試樣即時收縮率和放置12、24、72、168 h 后的長期收縮率差值較大，表明經(jīng)過沸水處理后，卷曲試樣仍在繼續(xù)收縮；FDY試樣的即時收縮率和放置12、24、72、168 h后的收縮率差值比POY-DT試樣更大，說明其在熱處理后卷曲結(jié)構(gòu)的收縮勢能更大，結(jié)構(gòu)更不穩(wěn)定[10-11]；通過對纖維的即時收縮率和長期收縮率研究可知，F(xiàn)DY纖維的即時收縮率較小，但隨著時間的延長，其收縮仍在繼續(xù)，而POY-DT的長期收縮率較低，經(jīng)過沸水處理后，可得到尺寸相對較穩(wěn)定的纖維長絲。

表6 2種纖維的即時收縮率與長期收縮率差值Tab.6 Difference between immediate shrinkage ratio and long-term shrinkage ratio of two kinds of fibers %

2.5 力學(xué)性能分析

表7示出纖維在未經(jīng)過熱處理、干熱處理以及濕熱處理3種情況下的力學(xué)性能。可知：纖維經(jīng)過熱處理會導(dǎo)致其斷裂強(qiáng)度下降，斷裂伸長率提高；FDY纖維經(jīng)過干熱處理會導(dǎo)致斷裂強(qiáng)度下降幅度更大，在后續(xù)處理工藝中更適合采用濕熱處理以保證纖維的強(qiáng)度；POY-DT纖維經(jīng)過濕熱處理會導(dǎo)致其斷裂強(qiáng)度下降，而干熱處理對纖維斷裂強(qiáng)度的影響很小。纖維經(jīng)過熱處理會導(dǎo)致其內(nèi)部分子鏈段解取向的發(fā)生，從而表現(xiàn)為斷裂強(qiáng)度下降，斷裂伸長率的大幅提高。濕熱處理使纖維斷裂伸長率提高較干熱處理明顯，主要是因為纖維吸濕后發(fā)生膨脹，分子鏈間的作用力減弱， 但由于分子鏈間距離變大， 纖維在拉伸時， 其應(yīng)變明顯大于未處理試樣和干熱處理試樣[12]。

表7 未經(jīng)熱處理、經(jīng)過干濕熱處理后的2種纖維力學(xué)性能Tab.7 Mechanical properties of two kinds of fibers after heat treatment, heat and humidity treatment

3 結(jié) 論

1)全牽伸(FDY)并列復(fù)合纖維的整體卷曲性能較預(yù)取向絲進(jìn)行牽伸加捻(POY-DT)得到并列復(fù)合纖維優(yōu)異，主要是由于FDY較POY-DT纖維的雙組分高聚物內(nèi)應(yīng)力差異大，從而賦予其更高的卷曲性能。

2)FDY與POY-DT并列復(fù)合纖維的結(jié)晶性能相近，而POY-DT纖維由于表面向芯部的傳熱過程較緩慢，芯部溫度不高，分子運動受限，在高速牽伸下，主要以表面高分子鏈段的取向為主，芯部取向較差，從而導(dǎo)致POY-DT的取向程度較FDY低。

3)FDY在沸水處理后，隨著時間的延長，其收縮仍會繼續(xù)發(fā)生，而POY-DT經(jīng)過沸水處理后，可得到尺寸相對較穩(wěn)定的纖維長絲。纖維進(jìn)行熱處理可提高其卷曲性能，但同時會影響纖維的力學(xué)性能，POY-DT更適合干熱處理，F(xiàn)DY更適合濕熱處理。