仿棉共聚酯異收縮混纖絲的性能

周 蓉,周衡書,王學(xué)利

(1.湖南工程學(xué)院 紡織服裝學(xué)院，湖南 湘潭 411100；2.東華大學(xué) 現(xiàn)代紡織研究院，上海 201620)

0 引 言

棉纖維因其天然手感、吸濕性和獨(dú)特的光澤而被廣泛應(yīng)用于各種紡織領(lǐng)域， 深受消費(fèi)者的青睞[1]。然而，由于棉花資源的有限性，其供需矛盾十分突出， 迫切需要尋找可替代棉花的新材料。隨著全球聚酯市場面臨著產(chǎn)能過剩的挑戰(zhàn)，仿棉合成纖維是解決這一問題的有效途徑。PET因具有優(yōu)良的力學(xué)性能、良好的化學(xué)耐久性、易護(hù)理性且價(jià)格合理而成為紡織工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的合成纖維[2]。同時，它具有刺眼的光澤，手感堅(jiān)硬， 吸濕性差等缺點(diǎn)，限制了其在服裝面料中的應(yīng)用[3-5]。滌綸異收縮混纖絲是將滌綸通過網(wǎng)絡(luò)的方式復(fù)合在一起，在染整后處理加工時， 兩種纖維的熱收縮率不同， 收縮率大的長絲形成混纖絲的芯絲[1-3]，收縮率小的長絲會在混纖絲的表層形成螺旋卷曲，使紗線具有蓬松柔軟的手感， 廣泛用于仿棉、仿毛、仿真絲和高檔針織面料[4-7]。

1 仿棉共聚酯FDY/POY異收縮混纖絲的制備

由于加入改性單體， 使仿棉共聚酯切片大分子的結(jié)構(gòu)和性能較常規(guī)的聚酯發(fā)生變化， 尤其是對其熱性能和流變性能的影響較大， 因此改性共聚酯切片的干燥結(jié)晶條件、 紡絲溫度、 紡絲速度等紡絲工藝條件也與常規(guī)的聚酯切片有一定差別。

采用一步法異收縮混纖絲雙螺桿紡絲設(shè)備(徐州斯?fàn)柨死w維科技股份有限公司)制備仿棉共聚酯長絲，實(shí)驗(yàn)過程中的主要紡絲設(shè)備和型號見表1。

表 1 主要紡絲設(shè)備

1.1 結(jié)晶和干燥

采用中遠(yuǎn)流化床結(jié)晶干燥設(shè)備，對共聚酯切片進(jìn)行干燥處理，預(yù)結(jié)晶利用熱風(fēng)使共聚酯切片翻滾，具有升溫快，粉塵少，不容易產(chǎn)生黏結(jié)的特點(diǎn)。結(jié)晶干燥示意流程圖見圖1所示，干燥熱風(fēng)系統(tǒng)采用的壓縮空氣過濾后，通過除濕機(jī)除濕，再經(jīng)壓力調(diào)節(jié)閥、拉閥爾噴嘴后，經(jīng)干燥電加熱器控制后，從主干燥塔底部進(jìn)入與切片逆向接觸進(jìn)行干燥。

圖 1 共聚酯切片結(jié)晶、干燥流程圖Fig.1 Crystal and drying flow chart of coplyester chip

加入改性單體使得仿棉共聚酯切片的特性改變， 即大分子的規(guī)整性遭到了破壞， 結(jié)晶能力下降， 熔點(diǎn)降低， 親水性得到提升， 容易導(dǎo)致切片在結(jié)晶干燥的過程中發(fā)生黏結(jié)的現(xiàn)象， 因此結(jié)晶干燥溫度和時間要進(jìn)一步優(yōu)化。 根據(jù)前期小試結(jié)果選擇結(jié)晶溫度為138 ℃， 結(jié)晶時間為1 h， 干燥溫度為135 ℃， 時間為24 h。結(jié)晶干燥后切片并未發(fā)生結(jié)塊和黏結(jié)現(xiàn)象。

1.2 紡絲工藝參數(shù)

改性單體的加入導(dǎo)致仿棉共聚酯切片的熔點(diǎn)下降，流變性能也有所改變，并且具有較高的黏度降，因此紡絲過程中溫度和流體流速的控制都是十分重要的。根據(jù)前期小試結(jié)果，確定出改性共聚酯紡絲過程中螺桿區(qū)各個溫度參數(shù)見表2。

表2仿棉共聚酯紡絲溫度

Table 2 Spinning temperature of cotton-like copolyester ℃

本實(shí)驗(yàn)采用的是雙箱體, FDY 和 POY 紡絲位間隔排列、并行紡絲的路線,如圖2所示。制備出2種規(guī)格的改性共聚酯 FDY/POY混纖絲137 dtex/74F和73 dtex/34F, 分別命名為 ENCDP-1 和 ENCDP-2,并制備 137 dtex/74F 純 PET 異收縮混纖絲作為對照樣。

圖 2 FDY/POY異收縮復(fù)合長絲紡絲裝置示意圖Fig.2 Spinning device diagram of FDY/POY different shrinkage filament

如圖1,2所示，仿棉共聚物熔體通過紡絲箱體后，一部分束絲經(jīng)過冷卻、上油、導(dǎo)絲以及預(yù)網(wǎng)絡(luò)裝置后，經(jīng)過熱盤、熱板的充分牽伸進(jìn)入并絲導(dǎo)絲鉤，形成低伸長、低沸水收縮、具有較高結(jié)晶取向的纖維FDY。而另一部分的束絲經(jīng)過冷卻、上油以及導(dǎo)絲盤的張力調(diào)節(jié)后進(jìn)入并絲器導(dǎo)絲鉤，成為高伸長、高沸水收縮、低結(jié)晶的纖維POY。兩部分束絲進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)、合股，實(shí)現(xiàn)一步法同步卷繞，制備出一步法的異收縮POY/FDY長絲。

纖維的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)是決定混纖絲異收縮性能的關(guān)鍵。在POY/FDY一步法生產(chǎn)中，為了保證POY聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，紡絲速度控制在3 300 m/min左右，如采用常規(guī)FDY紡絲技術(shù)，則FDY纖維取向、結(jié)晶低，聚集態(tài)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，無法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的異收縮特性。為此，設(shè)計(jì)專用FDY噴絲板，調(diào)整冷卻工藝、GR1/GR2牽伸比、牽伸速度和溫度，實(shí)現(xiàn)在低速下的纖維高取向、高結(jié)晶，成功制備FDY。并通過牽伸比、牽伸速度和溫度的匹配，改變FDY聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，使混纖絲的異收縮在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)靈活調(diào)節(jié)。

在POY/FDY一步法生產(chǎn)中，通常POY紡絲張力大，F(xiàn)DY紡絲張力小。若在復(fù)合點(diǎn)處兩者張力不匹配，直接影響復(fù)合的穩(wěn)定性和混纖絲收縮率，造成混纖絲生產(chǎn)效率和品質(zhì)低下。通過調(diào)整FDY和POY纖維的集束位置、牽伸比、上油等方式來控制FDY和POY纖維的張力大小和穩(wěn)定性，達(dá)到理想的張力匹配。

混纖絲網(wǎng)絡(luò)度高且均勻性好，纖維后加工性及織物毛絨效果就好。由于一步法網(wǎng)絡(luò)加工速度在3 300 m/min以上，提高網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)及牢度難度較大。為此采用特殊設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)噴嘴，調(diào)整網(wǎng)絡(luò)空氣壓力，并控制氣壓穩(wěn)定，張力大小及穩(wěn)定，將POY/FDY有效復(fù)合，使混纖絲的網(wǎng)絡(luò)度均勻地達(dá)到30 個/m以上。最終得到連續(xù)不斷頭的異收縮POY/FDY長絲，其紡絲速度參數(shù)見表3所示。

表 3 紡絲速度參數(shù)

另外，由于ENCDP-2長絲的噴絲板的孔徑太小，在紡絲過程中，POY組分的噴絲板堵住了兩個孔，因此ENCDP-2長絲的絲束數(shù)量是34個而不是36個，這樣對后續(xù)的長絲性能有一定的影響。

2 仿棉共聚酯FDY/POY混纖絲

的表征

2.1 WAXD測試

為了測試仿棉共聚酯纖維的結(jié)晶度和結(jié)晶結(jié)構(gòu),將仿棉共聚酯纖維樣品制成粉末,在D/Max-2550 PC X射線衍射儀(日本)上進(jìn)行廣角X射線衍射(WAXD)實(shí)驗(yàn)測試。測試條件:發(fā)電機(jī)功率為40 kV×40 mA,輻射源為Cu Kα靶,射線波長λ=0.154 nm,掃描范圍是5～40°。

2.2 聲速取向測試

仿棉共聚酯纖維的聲速取向因子(fs)是通過SCY-Ⅲ數(shù)字聲速取向測試儀上得到的,其公式為

fs=1-(Cu/C)2

(1)

式中：Cu是通過完全無取向的PET纖維的聲速,其值為1.35 km/s;C是通過測試的共聚酯纖維的聲速。

2.3 線密度和力學(xué)性能測試

根據(jù)GB/T14343—1993《合成纖維線密度試驗(yàn)方法》在YG-086型縷紗測長機(jī)上測試,長線線密度在縷紗測長機(jī)上繞出100 m的共聚酯長絲,稱重,重復(fù)3次求取平均值,計(jì)算出共聚酯纖維的線密度。

根據(jù)GB/T 14344—2003《合成纖維長絲拉伸性能試驗(yàn)方法》,在萊州市電子儀器有限公司的YG-601型電子單紗強(qiáng)力測試儀上測試長絲拉伸性能。測試夾距為500 mm,速度為200 mm/min。

2.4 沸水收縮測試

沸水收縮率是體現(xiàn)異收縮混纖絲獨(dú)特風(fēng)格的重要指標(biāo)，使異收縮混纖絲具有蓬松豐滿的結(jié)構(gòu)和手感。參照GB/T 6505—2008《化學(xué)纖維長絲熱收縮率試驗(yàn)方法》對樣品進(jìn)行沸水收縮率的實(shí)驗(yàn)。

2.5 染色性能

首先將異收縮FDY/POY長絲ENCDP-1、ENCDP-2和PET在FZ-5F織襪機(jī)上織成襪筒。采用快速原型染色小樣機(jī)染色。染料選取陽離子藍(lán)X-BL。

染色過程: 稱量 1.00 g 的共聚酯纖維放入 2%(owf)的陽離子染料, 浴比20∶1, 溫度以 1 ℃/min 的速率從 30 ℃ 升至 98 ℃, 停留 60 min, 隨后以 2 ℃/min 的降溫速率降至室溫,染色工藝曲線見圖3。

圖 3 共聚酯纖維的染色工藝曲線Fig.3 Dyeing process curve of copolyester fiber

皂洗工藝:選擇1 g/L中性洗滌劑和0.5 g/L的平平加作為共聚酯纖維的皂洗劑, 浴比為30∶1, 漂洗徹底后,放入 60 ℃ 的烘箱中烘干。

采用 DATA COLOR 650 光譜色彩分析儀測試K/S值。K/S值是指不透明固體物質(zhì)的顏色給予人們的直觀深度感受, 當(dāng)染色制品集采相同時, 其值越大, 表示顏色越深; 相反地值越小, 表示顏色越淺[14-16]。

利用PerkinElmer Lambda 35紫外分光光度計(jì)測量染色前后吸光度,并計(jì)算上染率

D=[(A0-A)/A0]×100%

(2)

式中：A0和A分別為染色前、后的染液吸收值。

3 異收縮FDY/POY長絲性能研究

3.1 結(jié)晶度和聲速取向分析

異收縮FDY/POY長絲的結(jié)晶度和聲速取向測試結(jié)果見表4。

表 4 異收縮FDY/POY長絲結(jié)晶度和聲速取向結(jié)果

從表4可看出，3種長絲結(jié)晶度PET>ENCDP-2>ENCDP-1，分析切片結(jié)晶能力可知，由于改性單體的引入，導(dǎo)致ENCDP共聚酯的大分子鏈規(guī)整性下降，大分子移動，內(nèi)旋需要克服更大的位壘，因此其結(jié)晶能力弱于PET的。理論上ENCDP-1長絲中FDY組分的牽伸倍數(shù)略高于ENCDP-2，導(dǎo)致其結(jié)晶度略高于ENCDP-2長絲，但由表4可知ENCDP-1的結(jié)晶度略小于ENCDP-2，這是因?yàn)榧徑z過程中ENCDP-2中POY絲束少了2根，因此FDY在絲束中占比高一點(diǎn)，而異收縮長絲的物理特性決定了其結(jié)晶度的大小是由FDY和POY 2個組分共同決定的，異收縮FDY/POY長絲的取向因子(fs)和聲速模量(E)與結(jié)晶度呈現(xiàn)了相同的趨勢，由于NPG和PEG單元的嵌入，導(dǎo)致分子鏈的柔性增加，同時NPG中的側(cè)甲基增加了大分子鏈的空間體積使其規(guī)整度下降。楊氏模量是用來表征纖維抵抗外力作用時發(fā)生形變能力的指標(biāo)，它受化學(xué)結(jié)構(gòu)和分子間相互作用力的影響較大[17]?？傮w來看，纖維的取向度越高，則其模量也越大；纖維的取向度越低，則其模量也越小[18]。聲速取向略低于1.2節(jié)中的小試樣品，是因?yàn)樾≡嚇悠返募僃DY長絲，即所有絲束都經(jīng)過了全牽伸這一工序，而異收縮長絲則只有一部分為FDY長絲還有一部分絲束為POY長絲，所以其取向度是較低的。

3.2 力學(xué)性能分析

異收縮FDY/POY長絲的力學(xué)性能見表5。由表5可以看出ENCDP-1和ENCDP-2的斷裂強(qiáng)度比PET明顯下降，但是斷裂伸長率的變化不明顯，說明ENCDP異收縮FDY/POY長絲依然可以滿足后續(xù)的織造需求，ENCDP異收縮FDY/POY長絲初始模量也低于PET，說明改性后的長絲手感更加柔軟，更符合穿著需求。

表 5 異收縮FDY/POY長絲纖度和力學(xué)性能

3.3 沸水收縮分析

經(jīng)沸水收縮測試，PET長絲，ENCDP-1混纖絲，ENCDP-2混纖絲的沸水收縮率分別為30.9%，39.8%，36.7%。

經(jīng)沸水處理后POY組分在混纖絲內(nèi)層FDY組分卷曲在外層，因此混纖絲的收縮率主要取決于的POY組分的收縮率。而纖維的熱收縮主要是由于非晶區(qū)大分子的伸直取向態(tài)在受熱得到能量后而發(fā)生解取向，重新形成卷曲態(tài)；其次在牽伸過程中晶區(qū)受外力作用沿著軸向取向排列，而纖維受熱后晶區(qū)也會產(chǎn)生解取向，但是程度較小[19]。因此ENCDP混纖絲的結(jié)晶度更低，無定形區(qū)更多，當(dāng)纖維受熱時大分子解取向的程度較高，因此沸水收縮率更大，而PET中晶區(qū)更多，而晶區(qū)的解取向較小，在一定程度上限制了纖維的收縮。ENCDP-2中的POY絲束相對FDY較少(紡絲中POY噴絲板堵了2個)，因此其沸水收縮率略低于ENCDP-1。

3.4 染色性能分析

滌綸大分子由于缺少染座，并且具有較高的結(jié)晶度和結(jié)構(gòu)緊密的無定形區(qū)，導(dǎo)致其很難與染料分子結(jié)合，為了改善這個問題，杜邦公司發(fā)明了陽離子可染的滌綸(CDP),但是依然需要較高的溫度(120～130 ℃)。本文是在CDP的基礎(chǔ)上加入改性單體A和B進(jìn)行的共聚改性，系統(tǒng)的研究染料濃度和時間對ENCDP長絲染色性能的影響。

3.4.1 染料濃度對染色性能的影響 采用濃度分別為0.5%，1%，2%，5%，8%的染液對3個樣品進(jìn)行染色，最終樣品染色后的照片見圖4。

由圖4可以明顯觀察到，隨著染液濃度的升高，樣品的染色程度越深，但是對于PET樣品來說，即使?jié)舛冗_(dá)到了8%，樣品依然是淺藍(lán)色的，無法深染，這是因?yàn)檫x擇的陽離子染料對于缺乏陽離子染座的PET來說，沒有辦法進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，只能擴(kuò)散在PET樣品的無定形區(qū)中，與大分子的表面形成范德華力這種次級鍵，很容易斷裂，染料與樣品結(jié)合的不緊密，上色很難。而ENCDP樣品的染色效果很好，這是因?yàn)槠渲泻蠸IPE單元，可以提供磺酸鈉作為染座與染料的結(jié)合是離子鍵，這是一種靜電作用形成的化學(xué)鍵，不易斷裂，因此濃度為0.5%的ENCDP的顏色也比濃度為8%的PET要深。視覺上相同濃度的ENCDP-1樣品顏色要比ENCDP-2樣品深。之前的研究表明染料只能在共聚酯的無定形區(qū)進(jìn)行擴(kuò)散，即結(jié)晶度越低，無定形區(qū)越多，染色性越好，而由于紡絲過程中噴絲板的堵塞，ENCDP-2樣品的POY組分沒有占到整個混纖絲的50%，POY組分的結(jié)晶度和取向度是遠(yuǎn)低于FDY組分的，因此POY組分相對較多的ENCDP-1的染色性能會更好。染色后各樣品的K/S和Integ值見圖5。

圖 4 不同染料濃度樣品的染色圖Fig.4 Dyeing picture of samples with different dye strength

K/S和Integ值都是用來表征色深度的指標(biāo)，當(dāng)染色制品基材相同時，K/S越大，表示物體表面顏色越深，可以看出隨著濃度的上升，K/S值呈現(xiàn)上升趨勢，但是在大于1%后的增幅穩(wěn)定，可以認(rèn)定濃度為1%時便可達(dá)到ENCDP樣品能吸收的最大值。通過圖5可以看出Integ值也是隨著濃度的增加而上升的，并且ENCDP樣品在濃度為5%時達(dá)到最大值，也就是說濃度在5%即可達(dá)到最深的效果，說明染料有效濃度最大為5%，高于5%，ENCDP樣品不與染料發(fā)生反應(yīng)。

圖 5 ENCDP纖維的K/S,Integ值與染料濃度的關(guān)系

3.4.2 染色時間對于染色性能的影響 ENCDP-1及ENCDP-2的染色效果隨時間變化情況如圖6所增。通過圖6可以看出在相同時間下，ENCDP-2樣品的顏色明顯比ENCDP-1樣品淺，這與面料的密度有關(guān)，ENCDP-2樣品的混纖絲細(xì)度小于ENCDP-1樣品，導(dǎo)致其相應(yīng)面料較為稀疏，肉眼觀察區(qū)別較為明顯。并且隨著時間的增加，樣品的顏色也逐漸加深，當(dāng)時間超過68 min時，用肉眼很難判斷樣品的顏色深淺，因此測試ENCDP樣品的上染率，K/S和Integ值與時間的關(guān)系。

圖 6 染色效果隨時間變化圖(2%(owf))Fig.6 Graph of dyeing effect changing with time(2%(owf))

在染色過程中，通常用上染速率或者染色速率來表示上染或染色的快慢，染色速率通常用半染時間(t/2)來衡量，即染色過程中染料的上染量達(dá)到平衡上染量一半所需的時間。半染時間越小染色速率越大，染色越快。ENCDP樣品的上染速率如圖7所示。

圖 7 ENCDP纖維的上染速率圖Fig.7 The dyeing isotherm rate diagram of ENCDP fibers

通過圖8可以得出ENCDP-1樣品和ENCDP-2樣品的半染時間分別為60 min和39 min，這應(yīng)該是由于ENCDP-2樣品纖維的細(xì)度較小，比表面積相對較大，有利于染料的擴(kuò)散。然而最終ENCDP-1的上染率高于ENCDP-2，說明雖然ENCDP-1的上染速度比ENCDP-2慢，但是最終與染料結(jié)合更多。染色速率大并不代表染色程度深，ENCDP樣品的K/S和Integ值和時間的關(guān)系如圖8所示。

圖 8 ENCDP纖維的K/S,Integ值與上染時間的關(guān)系

Fig.8 The connection betweenK/S,integ value and dyeing time of ENCDP fibers

圖8可以明顯地看出，與染色速率的趨勢相同，ENCDP-1更快地達(dá)到了平衡染色深度。另外，在相同的染色時間內(nèi)ENCDP-1的染色深度(K/S和Integ值)是大于ENCDP-2的，也是因?yàn)镋NCDP-1中的POY組分比例更多，POY的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)(低結(jié)晶度，高無定形區(qū)，低取向度)導(dǎo)致染料更容易擴(kuò)散進(jìn)入纖維內(nèi)部，因此ENCDP-2的染色速率更快，但是ENCDP-2的上染率更高，染色深度更深。

綜上，對于ENCDP-1，染色速率較慢因此染色時間較長，延長時間可使染色效果更好，但時間過長會引發(fā)面料變硬手感降低，同時根據(jù)染色深度與時間的關(guān)系，可以確定最佳的染色時間為78 min～88 min；而對于ENCDP-2，因?yàn)槠淙旧俾瘦^快，確定最佳的染色時間為68 min～73 min。

4 結(jié) 論

(1) 調(diào)節(jié)紡絲溫度和紡絲速率等工藝參數(shù)，在萬噸大型紡絲生產(chǎn)線上成功試制出了137 dtex/74F(ENCDP-1)和73 dtex/34F(ENCDP-2)規(guī)格的ENCDP共聚酯POY/FDY異收縮混纖絲。

(2) ENCDP混纖絲的結(jié)晶和取向度均低于PET混纖絲，由于紡絲時ENCDP-2的POY組分的噴絲板堵住了2個，導(dǎo)致ENCDP-1的結(jié)晶度和取向度略低于ENCDP-2；相應(yīng)的力學(xué)性能也有相似的趨勢：PET>ENCDP-2>ENCDP-1。沸水收縮率的大小為：PET

(3) 對比不同染液濃度對樣品染色性能，發(fā)現(xiàn)濃度對PET樣品的染色性能影響不大，這是因?yàn)槌Ｒ?guī)PET需要高溫高壓才能實(shí)現(xiàn)染色。而ENCDP樣品隨著濃度的增加，染色深度增加，并且在濃度為1%時K/S值基本已經(jīng)達(dá)到飽和，濃度為5%時的Integ值也達(dá)到最大平衡，說明染料有效濃度最大為5%，高于5%時，ENCDP樣品不與染料發(fā)生反應(yīng)。隨著染色時間延長，ENCDP樣品的上染率和染色深度都有上升的趨勢，并且在一定的時間達(dá)到平衡。ENCDP-1樣品的染色速率是大于ENCDP-2的，但是最終上染率是小于ENCDP-2樣品的。確定出了ENCDP-1和ENCDP-2的最佳染色時間分別為78～88 min和68～73 min。