3.33 dtex中空聚酯短纖維生產(chǎn)工藝探討

李 青，張 暉，覃燕杰

(中國石化儀征化纖有限責任公司短纖部，江蘇儀征 211900)

由于三維卷曲中空聚酯短纖維擁有優(yōu)越的膨松性、回彈性以及保暖性，所以被廣泛地應用在填充材料、噴膠棉和人造毛皮等領域，常規(guī)產(chǎn)品一般選擇6.67 dtex中空短纖維。而3.33 dtex中空短纖維除了擁有上述特性外，還具有線密度小、手感柔軟、毛型感強等特點，是理想的毛混紡原料[1]，另外其輕便有利于吸收聲波的特性使其成為吸音棉生產(chǎn)的首選原材料[2]。所以3.33 dtex中空短纖維在市場上很受歡迎，需求量不斷增加。實際生產(chǎn)過程中低密度中空纖維的膨松性會存在波動的問題，影響產(chǎn)品質(zhì)量，所以本文對3.33 dtex中空短纖維生產(chǎn)過程中的關鍵工藝控制點進行了探討，以確保最終產(chǎn)品的質(zhì)量。

1 試 驗

1.1 原料、生產(chǎn)設備

熔體：儀化公司聚酯部1單元聚酯熔體，特性黏度0.670～0.690 dL/g。

紡絲油劑：第一油劑，YCD-1065；第二油劑，硅油YCD501/YCD502。

設備：東洋紡2萬噸/年HV452型紡絲設備，LHV902型后處理聯(lián)合設備，產(chǎn)地均為日本。

1.2 工藝流程

熔體輸送→靜態(tài)混合器→紡絲→卷繞→往復落桶→集束→導絲機→油劑浴槽→第一牽伸機(DF1)→牽伸浴槽(DB)→第二牽伸機(DF2)→蒸汽加熱箱(HBX)→第三牽伸機(DF3)→緊張定型機(HR)→疊絲機(TA)→卷曲機(CP)→冷卻輸送機→曳引機→切斷→松弛熱定型機(SE)→打包[3]

1.3 測試儀器及方法

倍半伸長率EYS1.5：將單根纖維以20 mm的夾持長度和60 mm/min的拉伸速度，在XQ-01單纖維等速伸長型強伸度儀上進行拉伸，在拉伸過程中拉伸應力為屈服應力1.5倍時所對應的伸長讀數(shù)[3]。

卷曲率：使用YG362A卷曲彈性儀，根據(jù)纖維的粗細，在規(guī)定張力條件下、一定的受力時間內(nèi)，測定纖維長度的變化[4]，并根據(jù)下面的公式計算卷曲率：

式中J為卷曲率,%；L0為纖維在輕負荷下測得的長度,mm；L1為纖維在重負荷下測得的長度,mm。

膨松特性：隨機取25 g左右試樣，經(jīng)過梳棉機梳理，按照樣板面積剪成厚度均勻的4塊正方形(10 cm×10 cm)的中空棉塊，靜置10 min以上，在試樣上加輕負荷壓塊(60 g)，1 min后讀取試樣塊高度h1，繼續(xù)在試樣上加重負荷壓塊(500 g)，1 min后讀取試樣塊高度h2，按下式計算膨松特性：

式中A為樣板面積,cm2；V2為在重負載下纖維的膨松度，cm3/g；h2為重負載下試樣塊的高度，cm；G為4塊中空棉塊的重量，g。

滑爽性：經(jīng)過梳棉機梳理的試樣與滑爽級數(shù)為4.0級的標準樣品進行手摸比較，若手感與標樣一樣則滑爽性定為4.0級，若比標樣差，則根據(jù)實際手感，以0.5級依次遞減進行定級。

結晶度測試：采用日本理學電機 SmartLab X射線衍射儀，角度為(6～36)°，Ni濾波片，銅靶。

1.4 主要參數(shù)

根據(jù)實際生產(chǎn)情況，3.33 dtex中空聚酯短纖維的工藝參數(shù)設定見表1。

表1 主要工藝參數(shù)

1.5 中空纖維成形原理

從噴絲板“C”型孔擠出的熔體細流，由于熔體出口脹大效應使開口閉合，再經(jīng)低溫高速環(huán)吹風冷卻形成中空初生纖維。中空初生纖維由于迎風面和背風面冷卻差異大導致其徑向上的分子鏈預取向度不同，經(jīng)過牽伸后，徑向上纖維的結晶度、取向度和非結晶區(qū)的高彈形變差異較大，最終導致纖維徑向的內(nèi)應力不一致。纖維出卷曲機后失去拉伸外力，這種內(nèi)應力的差異導致纖維內(nèi)部高彈形變回復程度不同，從而形成三維卷曲的形態(tài)。最后經(jīng)過松弛熱定型的作用，使得纖維的結晶度進一步提升，消除分子間內(nèi)應力，固定纖維的三維卷曲，得到穩(wěn)定的中空聚酯短纖維[5]。

2 結果與討論

2.1 熔體特性黏度

熔體特性黏度對成品的指標有著重要的影響，在其他工藝相同的條件下，對不同熔體黏度進行了工藝試驗，結果見表2。

表2 熔體黏度對纖維指標的影響

由表2可以看出，隨著熔體黏度的提高，纖維的膨松指標逐漸提高，但是牽伸運行變差，所以熔體黏度不能太高，工藝上控制熔體黏度在0.675～0.685 dL/g，可以得到滿足要求的產(chǎn)品。這是因為根據(jù)公式:[η]=K·(Mn)a，熔體的特性黏度與高聚物的分子量成正比。隨著熔體黏度的增加，高聚物的相對分子量會提高，而相對分子量提高使得大分子鏈間作用力增加，不利于鏈段的運動，難以實現(xiàn)塑性形變[6]，纖維拉伸困難。所以，適當提高熔體黏度，相對分子量高有利于加強原絲的骨架，最終的成品纖維膨松性好，但是熔體黏度過高，分子量增加反而會使纖維的可拉伸性降低，不利于牽伸，纏輥增加，運轉率下降，疵點含量增加。

2.2 冷卻工藝條件

3.33 dtex中空原絲由于線密度較小，比表面積增大，同時噴絲孔數(shù)較常規(guī)中空有所增加，因此，冷卻工藝條件對紡絲的穩(wěn)定性和膨松指標有較大的影響。本生產(chǎn)中冷卻工藝采用的是低阻尼敞開式環(huán)吹裝置，影響冷卻工藝的參數(shù)主要有風溫、風濕、風速、冷卻吹風區(qū)的位置[7]，聚酯纖維實際生產(chǎn)中風濕一般要求不低于65%。生產(chǎn)經(jīng)驗表明，隨著冷卻吹風區(qū)離噴絲板距離的增大，原絲的斷面不勻率會增加，但如果吹風口頂部離噴絲板太近，會使板面溫度下降，影響噴絲板的出絲狀態(tài)，形成僵絲、注頭絲等異常原絲，均會導致牽伸纏輥增加，影響成品指標。中空產(chǎn)品為了達到初生纖維截面徑向上的不對稱，要求冷卻吹風區(qū)的位置距離噴絲板不能太遠，以達到驟冷的效果，穩(wěn)定原絲中空率，同時為了降低原絲的斷面不勻率，所以生產(chǎn)中將環(huán)吹上蓋高度適當降低2～4 mm。

冷卻風溫對中空纖維的生產(chǎn)比較重要。風溫過高，熔體出絲冷卻不充分，熱量不能被帶走，可能產(chǎn)生并絲、粘連絲，原絲中空率下降，初生纖維截面徑向上的不對稱性減小，從而降低成品纖維的膨松性；風溫過低，熔體在噴絲孔處快速冷卻，初生纖維徑向雙折射差異大，后牽伸性能降低，纏輥多、斷絲增加造成疵點降等。常規(guī)中空纖維生產(chǎn)時環(huán)吹風溫可控制在16～24℃，由于3.33 dtex中空原絲的線密度小，噴絲孔數(shù)增加，絲束冷卻熱交換量提高，所以控制風溫在16～21℃。

冷卻風速是影響中空纖維指標的重要工藝參數(shù)，合適的風速是形成原絲潛在卷曲的前提條件。在其他工藝相同的條件下，進行了冷卻風速的工藝試驗，結果見表3。

表3 環(huán)吹風速對纖維指標的影響

由表3可以看出，風速在3.2～3.4 m/s之間時，牽伸性能較好，同時纖維的膨松性指標高，所以生產(chǎn)3.33 dtex中空產(chǎn)品的風速一般控制在3.2～3.4 m/s。這是因為風速過小，原絲截面徑向上的不對稱性減小，后牽伸過程中潛在的卷曲性降低，膨松性差。風速過大，不僅會引起絲條擾動大，還會導致原絲的預取向度增加，EYS1.5減小，破裂絲增多，牽伸性能變差，纏輥多，疵點增加。

2.3 牽伸倍率的分配

中空纖維后牽伸有兩段拉伸[8]，一段由第二牽伸機與第一牽伸機共同完成，拉伸區(qū)域發(fā)生在DB槽內(nèi)；第二段由第三牽伸機與第二牽伸機共同完成，拉伸區(qū)域發(fā)生在蒸汽加熱箱內(nèi)。拉伸倍率是由牽伸機采用不同的速比來控制的。實際生產(chǎn)中需要合理分配兩段倍率，并使總倍率大于自然拉伸倍率。在總倍率保持不變的條件下，對同一批原絲進行了拉伸倍率的工藝試驗，結果見表4。

表4 不同的牽伸倍率分配對纖維指標的影響

由表4可以看出，隨著一段倍率的提高，二段倍率的降低，纖維的牽伸性能變差，膨松指標也降低，其中一段倍率為2.83，二段倍率為1.06時，成品纖維的膨松性和牽伸性能最好。這是由于一段倍率過高，纖維所受的外力太大，纖維內(nèi)部結構缺陷增多，性能變差，導致斷絲、毛絲增多，所以二牽的纏輥增加，牽伸運行變差，疵點上升。另一方面，有研究證實[6]經(jīng)過第一道拉伸后纖維內(nèi)部分子僅產(chǎn)生軸向取向，沒有形成結晶結構，而經(jīng)過HBX以后纖維的結晶結構得以明顯地形成。所以適當提高二段倍率有利于穩(wěn)定纖維的骨架，提高纖維的膨松，實際生產(chǎn)中為了增加纖維的膨松性，在總倍率保持一致的情況下可以適當提高二段倍率，降低一段倍率。

2.4 蒸汽加熱箱溫度的控制

當纖維經(jīng)過第一段拉伸后，就會發(fā)生一定程度的取向，纖維的玻璃化溫度會有所提高，所以在第二段拉伸時，就必須采用更高的拉伸溫度，以滿足纖維拉伸的需要，而二段拉伸主要發(fā)生在蒸汽加熱箱內(nèi)。在生產(chǎn)中，保持其他工藝不變，對蒸汽加熱箱的溫度進行調(diào)整試驗，結果見表5。

表5 蒸汽加熱箱的溫度對成品纖維指標的影響

由表5可以看出，蒸汽加熱箱溫度在90～100℃時，成品纖維的膨松性較好，這是由于纖維經(jīng)過蒸汽加熱箱的加熱拉伸，大分子被進一步取向并結晶，同時還有定型作用，有利于中空纖維潛在卷曲的釋放和固定，保證成品纖維的膨松性。中空纖維的結晶主要在DF2和DF3之間形成，較高的蒸汽加熱箱溫度有利于纖維結晶，從而保證了成品纖維的卷曲，提高膨松度。

2.5 松弛熱定型機溫度和風量的控制

3.33 dtex中空初生纖維經(jīng)過牽伸后其內(nèi)部分子結構不完善，必須經(jīng)過松弛熱定型，從而固定纖維卷曲形態(tài)，松弛熱定型在聚酯中空纖維后加工過程中必不可少。有研究表明[9]在松弛熱定型機二區(qū)纖維結晶就已基本完成，在松弛熱定型機六區(qū)附近，結晶度已經(jīng)不再變化，基本得到了穩(wěn)定。在二區(qū)之后主要是不穩(wěn)定結晶結構的晶粒重組，穩(wěn)定纖維三維卷曲的形態(tài)，保證全部纖維在松弛熱定型過程中均勻受熱，最終得到穩(wěn)定的結構。結合實際產(chǎn)能，本生產(chǎn)線在生產(chǎn)有硅品種時采用16個區(qū)進行加熱，設定松弛前三個區(qū)的溫度為90～140℃，后13個區(qū)溫度設定為155～165℃。

松弛風量對纖維指標有較大的影響，其他工藝參數(shù)保持不變，對松弛風量進行調(diào)整試驗，結果見表6。

由表6可以看出，隨著SE風量的提高，纖維膨松、卷曲率和結晶度指標均有所增加，但是達到一定程度后，再提高風量對纖維指標影響不大。這是由于松弛熱定型過程能夠消除纖維分子的內(nèi)應力，提高結晶度，穩(wěn)定纖維的尺寸和結構，從而提高纖維的卷曲和膨松性能。所以對于松弛熱定型機的風量，主要是考慮到穿透性，從而保證纖維烘透，受熱均勻，確保纖維三維卷曲骨架的穩(wěn)定，膨松、卷曲率和滑爽性能達標。本生產(chǎn)線控制風機風量在50%以上即可得到膨松度V2大于38 cm3/g、卷曲率大于14.0%、結晶度好以及手感優(yōu)異的成品纖維。

表6 松弛風量對成品纖維指標的影響

3 結 語

通過紡絲冷卻條件和牽伸工藝的控制，可以實現(xiàn)3.33 dtex中空纖維的正常生產(chǎn)，產(chǎn)品膨松性滿足用戶需求。具體控制原則如下：

a) 為了提高原絲的拉伸性能，使初生纖維冷卻均勻，同時提高成品纖維的膨松性，需要將熔體黏度控制在0.675～0.685 dL/g，冷卻風溫控制在16～21℃，風速控制在3.2～3.4 m/s。

b) 為了得到膨松度高的成品，牽伸的拉伸倍率需要進行合理的分配，并適當提高第二道牽伸倍率，蒸汽加熱箱的溫度不能低于90℃。

c) 為了保證成品纖維的膨松性和手感，需要合理設定松弛熱定型機的吹風溫度，適當提高吹風風量。