C型截面中空滌綸長(zhǎng)絲的堿減量加工工藝研究*

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1. 上海新紡聯(lián)汽車內(nèi)飾有限公司，上海 201805；2. 東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海 201620；3. 上海題橋紡織染紗有限公司，上海 201114；4. 東華大學(xué)產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心，上海 201620

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對(duì)紡織品的舒適性和功能性要求也逐步提高。中空滌綸長(zhǎng)絲因具有保暖、質(zhì)輕、蓬松等特性，越來(lái)越受到研究者的關(guān)注和消費(fèi)者的喜愛[1]。

中空滌綸長(zhǎng)絲是一種異形聚酯纖維，其特征為橫截面沿軸向具有空腔結(jié)構(gòu)。該空腔結(jié)構(gòu)因具有儲(chǔ)存靜止空氣的功能而使纖維的保暖性得到提高[2-3]，同時(shí)，纖維比表面積的增加使得纖維材料的蓬松性得以改善。中空滌綸長(zhǎng)絲對(duì)外部介質(zhì)具有良好的吸附能力，在用于加工復(fù)合材料時(shí)，滌綸長(zhǎng)絲與復(fù)合基體材料之間的結(jié)合力可有很大的提高。中空滌綸長(zhǎng)絲的異形截面形態(tài)包括圓形、三角形、四邊形、梅花形等[4]。日本東麗公司采用堿液溶解的方法制備中空滌綸長(zhǎng)絲，即利用耐堿程度不同的兩種聚合物材料紡為芯鞘結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)絲，然后采用一定濃度的堿液進(jìn)行溶解處理，將長(zhǎng)絲的芯部去掉從而得到具有空腔結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)絲[5-6]，開發(fā)出一種新型的C型截面中空滌綸長(zhǎng)絲[7]，其中空度高達(dá)50%，該產(chǎn)品目前已成功應(yīng)用并產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中選擇有代表性的點(diǎn)來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)，是一種研究多因素和多水平的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，其可顯著提高試驗(yàn)效率，在新品種研發(fā)和新工藝研究方面具有顯著優(yōu)勢(shì)[8]。

本文對(duì)中空滌綸長(zhǎng)絲的考核指標(biāo)進(jìn)行細(xì)化，通過(guò)單因子試驗(yàn)初步摸索加工工藝，然后結(jié)合正交試驗(yàn)獲得最佳加工工藝方案，制備出具有較好C型截面結(jié)構(gòu)的中空滌綸長(zhǎng)絲，從而使滌綸長(zhǎng)絲向特種滌綸和異形滌綸發(fā)展。該研究對(duì)企業(yè)功能性新產(chǎn)品的開發(fā)及提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力有著顯著的意義。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

滌綸原絲(日本東麗公司，90T36-CB2AA N738)，氫氧化鈉(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，分析純)。

1.2 試驗(yàn)儀器

SHGD0103A-2型精密絡(luò)筒機(jī)(上海天佑紡織機(jī)械有限公司)，Dos & Dye Jetflow型小樣化驗(yàn)室調(diào)色滴液機(jī)(意大利Tecnoorama公司)，XQB45-188SA型全自動(dòng)洗衣機(jī)(TCL集團(tuán)股份有限公司)，101-OEBS型電熱鼓風(fēng)干燥箱(北京市永光明醫(yī)療廠)，JJ623BC型精密電子天平(美國(guó)雙杰公司)，52-01000型數(shù)碼顯微鏡(德國(guó)BRESSER公司)，YG086C型縷紗測(cè)長(zhǎng)機(jī)，YG061f型電子單紗強(qiáng)力儀。

1.3 試驗(yàn)原理及流程

堿減量技術(shù)是指利用堿溶液對(duì)滌綸進(jìn)行水解處理，即在氫氧化鈉水溶液中，滌綸纖維分子鏈中的酯鍵水解斷裂，形成具有不同聚合度的水解產(chǎn)物，最終水解為乙二醇和對(duì)苯二甲酸鈉并溶于水中。基于堿減量技術(shù)，選擇由耐堿程度不同的兩種聚合物構(gòu)成的具有芯鞘型結(jié)構(gòu)的滌綸長(zhǎng)絲原絲，然后采用適當(dāng)濃度的堿溶液將原絲芯部的聚酯水解掉，從而獲得C型截面中空滌綸長(zhǎng)絲。

試驗(yàn)流程可歸納為：絡(luò)絲→烘干→稱重、記錄→堿減量處理→洗滌、甩干→烘干→稱重、記錄→測(cè)試、表征。試驗(yàn)過(guò)程中浴比為1 ∶10。

1.4 測(cè)試與表征

滌綸長(zhǎng)絲減重率：在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)環(huán)境下[相對(duì)濕度為(65±2)%、溫度為(20±2)℃]，將堿減量加工后的中空滌綸長(zhǎng)絲和滌綸原絲置于烘箱中烘干。根據(jù)紡織品回潮率中對(duì)稱重質(zhì)量的定義，當(dāng)前后兩次烘干稱重質(zhì)量之差與后一次稱重質(zhì)量的比值小于0.05%時(shí)，即認(rèn)定后一次稱重質(zhì)量為烘干質(zhì)量，并計(jì)算減重率(Rm)[9]：

Rm=(m0-m1)/m1×100%

(1)

式中：m0——滌綸原絲質(zhì)量，g；

m1——堿減量加工后中空滌綸長(zhǎng)絲質(zhì)量，g。

滌綸長(zhǎng)絲表觀形貌表征：(1)中空滌綸長(zhǎng)絲縱向結(jié)構(gòu)，分別將經(jīng)不同濃度堿液處理后的中空滌綸長(zhǎng)絲和絳綸原絲平鋪在載玻片上，并置于顯微鏡樣品觀察臺(tái)上，選擇合適的放大倍數(shù)(約40～1 600倍)，通過(guò)計(jì)算機(jī)顯示屏觀察并對(duì)中空滌綸長(zhǎng)絲縱向結(jié)構(gòu)進(jìn)行拍攝；(2)中空滌綸長(zhǎng)絲橫向結(jié)構(gòu)，由日本東麗公司對(duì)中空滌綸長(zhǎng)絲的C型截面進(jìn)行觀察并采用顯微鏡對(duì)其形貌進(jìn)行拍照。

滌綸長(zhǎng)絲線密度測(cè)試：參照GB/T 4743—2009，在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，搖紗張力為(0.500±0.100) cN/tex，絞紗長(zhǎng)度為200 m，共測(cè)試20次。

滌綸長(zhǎng)絲拉伸性能測(cè)試：參照GB/T 14344—2008，在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行拉伸測(cè)試，預(yù)加張力為(0.500±0.050)cN/tex，拉伸速度為500 mm/min，夾持隔距為500 mm，共測(cè)試20次。

滌綸長(zhǎng)絲耐摩性能測(cè)試：采用筆者團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的紗線摩擦模擬分析儀(圖1)在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)環(huán)境下對(duì)滌綸長(zhǎng)絲的耐摩性能進(jìn)行測(cè)試[10]，預(yù)加張力為0.49 N，圓盤轉(zhuǎn)速為120 r/min，測(cè)試次數(shù)不少于10。

1—電機(jī)連接桿； 2—摩擦部分(測(cè)試時(shí)往復(fù)運(yùn)動(dòng))； 3，4，5—滑輪； 6—固定螺母； F—彈簧(用來(lái)給紗線施加一定的預(yù)加張力)圖1 筆者團(tuán)隊(duì)自主研制的紗線摩擦模擬分析儀結(jié)構(gòu)示意

為了得到性能優(yōu)異且滌綸強(qiáng)力損失在可控范圍內(nèi)的C型截面中空滌綸長(zhǎng)絲，結(jié)合前人研究[5-7]，將C型截面中空滌綸長(zhǎng)絲的堿減量加工指標(biāo)確定為：(1)減重率約為40.00%；(2)滌綸長(zhǎng)絲縱向在顯微鏡下觀察沒有明顯損傷；(3)滌綸長(zhǎng)絲橫向在顯微鏡下觀察應(yīng)有明顯的C型截面；(4)滌綸長(zhǎng)絲的強(qiáng)力損失率不能超過(guò)45.00%；(5)滌綸長(zhǎng)絲的耐磨次數(shù)應(yīng)大于150。其中減重率是堿減量加工考核最重要的指標(biāo)。

2 結(jié)果與討論

鑒于本文將減重率作為堿減量加工考核最重要的指標(biāo)，因此以40.00%減重率為衡量指標(biāo)，分別進(jìn)行堿液質(zhì)量濃度、處理浴溫度和保溫時(shí)間的單因子試驗(yàn)和正交試驗(yàn)。

2.1 單因子試驗(yàn)

2.1.1 堿液質(zhì)量濃度的選擇

根據(jù)減重率的理論計(jì)算公式[11]，在處理浴溫度為130 ℃、保溫時(shí)間為30 min保持不變的情況下，堿液質(zhì)量濃度與減重率的關(guān)系曲線如圖2所示。由圖2可以看出：堿液質(zhì)量濃度與減重率呈正相關(guān)，且具有較好的線性關(guān)系；當(dāng)堿液質(zhì)量濃度達(dá)到15.0 g/L以上時(shí)，減重率超過(guò)40.00%。

圖2 堿液質(zhì)量濃度與減重率的關(guān)系曲線

2.1.2 處理浴溫度的選擇

在堿液質(zhì)量濃度為16.0 g/L、保溫時(shí)間為30 min并保持不變的情況下，處理浴溫度與減重率的關(guān)系曲線如圖3所示。由圖3可以得出：經(jīng)堿液處理后的滌綸長(zhǎng)絲的減重率與處理浴溫度呈正相關(guān)；當(dāng)處理浴溫度為100 ℃時(shí)，減重率超過(guò)40.00%，而當(dāng)處理浴溫度超過(guò)100 ℃后，其對(duì)滌綸長(zhǎng)絲減重率的影響變小。

圖3 處理浴溫度與減重率的關(guān)系曲線

2.1.3 保溫時(shí)間的選擇

在堿液質(zhì)量濃度為16.0 g/L、處理浴溫度為90 ℃并保持不變的情況下，保溫時(shí)間與減重率的關(guān)系曲線如圖4所示。由圖4可以看出：經(jīng)堿液處理后的滌綸長(zhǎng)絲減重率和保溫時(shí)間呈正相關(guān)；在保溫時(shí)間為30 min之前，減重率的增速較快，而當(dāng)保溫時(shí)間超過(guò)30 min后，減重率的增速明顯放緩。

圖4 保溫時(shí)間與減重率的關(guān)系曲線

2.2 正交試驗(yàn)

通過(guò)2.1節(jié)的單因子試驗(yàn)獲得了符合設(shè)計(jì)要求的初始工藝參數(shù)。為獲得最佳的工藝參數(shù)，進(jìn)行正交試驗(yàn)。本論文利用三因素四水平的正交試驗(yàn)方案，如表1所示。

表1 三因素四水平的正交試驗(yàn)方案

2.2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果和分析

圖5所示為正交試驗(yàn)效應(yīng)曲線，橫坐標(biāo)為3個(gè)試驗(yàn)因素及其所對(duì)應(yīng)的4個(gè)水平，縱坐標(biāo)為每個(gè)水平下得到的滌綸長(zhǎng)絲減重率。從圖5可以看出：堿液質(zhì)量濃度、處理浴溫度與保溫時(shí)間均和滌綸長(zhǎng)絲減重率呈正相關(guān)，且這種相關(guān)程度依次減弱。3個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)應(yīng)的數(shù)值分別為15.5 g/L、 100 ℃和25 min，即最佳工藝方案為堿液質(zhì)量濃度15.5 g/L、處理浴溫度100 ℃和保溫時(shí)間25 min，且所獲得的C型截面中空滌綸長(zhǎng)絲的減重率為40.07%。

圖5 正交試驗(yàn)效應(yīng)曲線

2.2.2 最佳工藝方案的驗(yàn)證

根據(jù)最佳工藝方案進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行歸納與分析。

(1) 減重率。對(duì)最佳工藝方案進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，滌綸原絲加工前質(zhì)量為50.392 g，堿減量處理后質(zhì)量為30.181 g，減重率為40.07%，最佳工藝方案下C型截面中空滌綸長(zhǎng)絲的減重率非常接近40.00%的理論值。

(2) 顯微鏡觀察。圖6和圖7所示分別為顯微鏡觀察到的最佳方案下C型截面中空滌綸長(zhǎng)絲的縱向和橫向形貌。

圖6 C型截面中空滌綸長(zhǎng)絲縱向形貌

圖7 C型截面中空滌綸長(zhǎng)絲橫向形貌

從圖6和圖7可以看出：在顯微鏡下能很好地觀察到C型截面中空滌綸長(zhǎng)絲的中空結(jié)構(gòu)，即C型截面中空滌綸長(zhǎng)絲的中間部分相對(duì)明亮而兩側(cè)稍暗，且表面光滑；減重率為40.07%的中空滌綸長(zhǎng)絲具有較好的C型截面。

(3) 線密度、拉伸性能和耐磨性能。表2為最佳工藝方案下中空滌綸長(zhǎng)絲和滌綸原絲的線密度、拉伸性能與耐磨性能測(cè)試結(jié)果。

表2 滌綸長(zhǎng)絲結(jié)構(gòu)與性能測(cè)試結(jié)果

由表2可以看出：由最佳工藝方案得到的C型截面中空滌綸長(zhǎng)絲，在減重率為40.07%時(shí)，其斷裂強(qiáng)力損失率為42.10%(小于45.00%)，磨擦次數(shù)為190(大于150)，拉伸性能和耐磨性能符合設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

為制備出具有較好C型截面結(jié)構(gòu)的中空滌綸長(zhǎng)絲并獲得最佳加工工藝，分別進(jìn)行單因子試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，對(duì)制得的C型截面中空滌綸長(zhǎng)絲的結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行測(cè)試表征，得出以下結(jié)論：

(1) 堿液質(zhì)量濃度、處理浴溫度與保溫時(shí)間均和C型截面中空滌綸長(zhǎng)絲減重率呈正相關(guān)，并且相關(guān)程度由強(qiáng)至弱依次為堿液質(zhì)量濃度、處理浴溫度和保溫時(shí)間。

(2) C型截面中空滌綸長(zhǎng)絲的最佳堿減量加工工藝為堿液質(zhì)量濃度15.5 g/L、處理浴溫度100 ℃、保溫時(shí)間25 min。

(3) 本試驗(yàn)制備的C型截面中空滌綸長(zhǎng)絲的拉伸性能和耐摩性能均合格，滿足設(shè)計(jì)要求。