切片紡超高強(qiáng)滌綸短纖維生產(chǎn)工藝探討

毛 緒 國(guó)

(中國(guó)石化儀征化纖有限責(zé)任公司，江蘇 儀征 211900)

隨著紡織技術(shù)的高速發(fā)展，滌綸短纖維產(chǎn)品的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但對(duì)其性能的要求也越來(lái)越高。目前滌綸短纖維工業(yè)化裝置規(guī)模生產(chǎn)的1.33 dtex滌綸短纖維單纖維斷裂強(qiáng)度最高為6.5 cN/dtex，而超高強(qiáng)縫紉線、軍用作訓(xùn)服等產(chǎn)品因加工及使用的要求希望纖維的單絲強(qiáng)度高于常規(guī)高強(qiáng)滌綸短纖維，一般要求使用的滌綸短纖維斷裂強(qiáng)度達(dá)到7.0 cN/dtex以上[1]。

1 試驗(yàn)

1.1 原料

不同[η]的PET切片常規(guī)性能見表1。其中，PET-1為中國(guó)石化儀征化纖股份公司生產(chǎn)的半消光切片，PET-2及PET-3是PET-1通過(guò)固相增黏自制的切片。

表1 PET切片的常規(guī)性能Tab.1 Conventional properties of PET chips

1.2 設(shè)備與儀器

小型紡絲試驗(yàn)機(jī)：北京中麗制機(jī)工程技術(shù)有限公司制；DT型牽伸機(jī)：自制；7 500 t/a切片紡絲加工機(jī)：前紡設(shè)備由上海二紡機(jī)股份有限公司制造，后紡設(shè)備由鄭州紡織機(jī)械股份有限公司制造；FAFEGRAPH-M型短纖維強(qiáng)力拉伸儀：德國(guó)Textechna公司制；SCY-III型纖維取向度儀：東華大學(xué)制；D/MAX-2550PC型廣角X射線衍射儀：日本Rigaku公司制。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 不同[η]的PET切片的可紡性實(shí)驗(yàn)

在小型紡絲試驗(yàn)機(jī)上模擬滌綸短纖維工業(yè)化生產(chǎn)裝置，對(duì)不同[η]的PET切片進(jìn)行紡絲實(shí)驗(yàn)，按照滌綸短纖維的紡絲速度制備初生絲(UDY)，將制得的UDY在自制DT型牽伸機(jī)上進(jìn)行熱拉伸制備滌綸拉伸(DT)絲。工藝條件如下：噴絲板直徑115 mm、孔數(shù)48、噴絲孔0.25 mm ×0.5 mm，組件壓力 10.0～18.0 MPa；側(cè)吹風(fēng)溫度20～25 ℃，紡絲溫度290～305 ℃，紡絲速度1 000～1 300 m/min；牽伸輥的線速度580 m/min，牽伸輥溫度分別為95，95，195 ℃。

1.3.2 切片紡超高強(qiáng)滌綸短纖維試生產(chǎn)

首先，將PET切片進(jìn)行預(yù)結(jié)晶、干燥；然后，干燥后的PET切片進(jìn)入螺桿擠出機(jī)熔融、經(jīng)熔體過(guò)濾器過(guò)濾后進(jìn)入紡絲箱體，再經(jīng)噴絲孔擠出絲條；最后，絲條經(jīng)環(huán)吹風(fēng)冷卻、油輪上油、卷繞、落桶。主要工藝條件如下：噴絲板直徑328 mm、孔數(shù)3 064、噴絲孔0.228 mm×0.30 mm；正常紡絲組件壓力9～12 MPa，最大承受壓力18 MPa；環(huán)吹風(fēng)溫度21～25 ℃，紡絲速度1 000～1 300 m/min。

1.4 分析與測(cè)試

線密度：將纖維束捋直，在能消除卷曲所需的最小張力下，用切斷器在纖維束的中部切下20 mm長(zhǎng)度，數(shù)350根稱重，計(jì)算纖維線密度。

斷面不勻率：纖維制成截面切片，在40倍的顯微鏡下，4個(gè)視野中找10 個(gè)最大直徑和10個(gè)最小直徑，分別計(jì)算平均值，最大直徑平均值與最小直徑平均值的比值即為斷面不勻率。

隨著時(shí)代的不斷更替，人們的審美也發(fā)生了天翻地覆的變化。過(guò)去曾喜愛(ài)的或者是推崇的，可能在下一個(gè)時(shí)代會(huì)被棄之敝屣。粉彩花鳥題材的作品無(wú)論是清雅的還是雍容華貴的都各有追隨者與欣賞者。

倍半伸長(zhǎng)率(EYS1.5)：EYS1.5是指當(dāng)所承受的應(yīng)力為本身屈服應(yīng)力的1.5倍時(shí)原絲的應(yīng)變。采用纖維強(qiáng)力拉伸儀(帶記錄儀)進(jìn)行測(cè)試。

力學(xué)性能：采用FAFEGRAPH-M型短纖維強(qiáng)力拉伸儀測(cè)試，拉伸速度10 mm/min。

取向度：采用SCY-III型纖維取向度儀測(cè)試。纖維中的大分子鏈的取向用赫爾曼取向因子(f)來(lái)表征[2]，按式(1)計(jì)算。

(1)

式中：Cu為纖維無(wú)定形區(qū)的聲速值，常規(guī)PET纖維取1.35 km/s；C為纖維試樣的聲速值。

結(jié)晶度：將纖維試樣剪細(xì)壓片后，在D/MAX-2550PC型廣角X射線衍射儀上進(jìn)行測(cè)試，CuKα靶，40 kV，200 mA，掃描衍射角(2θ)為5°～60°，掃描速度為10(°)/min。由儀器自帶的軟件對(duì)X射線衍射曲線進(jìn)行分峰處理，以確定晶區(qū)和非晶區(qū)衍射曲線，采用衍射曲線的面積比(β)來(lái)表征纖維試樣的結(jié)晶度。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同[η]的PET切片的可紡性

從表2可知，對(duì)PET-1、PET-2、PET-3進(jìn)行紡絲，切片的[η]提高，大分子鏈段增長(zhǎng)，在噴絲孔中纏結(jié)增多，需要較高紡絲溫度，以改善熔體的流動(dòng)性能，但隨著紡絲溫度的增高，大分子熱降解增多，熔體的黏度降(Δ[η])增大，紡絲困難。

表2 不同PET切片的紡絲狀況Tab.2 Spinning status of different PET chips

實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，對(duì)PET-3切片進(jìn)行紡絲，當(dāng)紡絲溫度為295 ℃時(shí)，組件壓力達(dá) 16.8 MPa，初生絲卷繞成形困難；當(dāng)紡絲溫度升高到300 ℃，組件壓力降到 14.9 MPa，紡絲時(shí)可以勉強(qiáng)升頭，得到的UDY拉伸性能很差，后拉伸不能正常進(jìn)行。說(shuō)明高聚物分子鏈越長(zhǎng)，噴絲孔中的流體內(nèi)彈性形變能量越高，當(dāng)達(dá)到與克服粘滯阻力所需的流動(dòng)能量相當(dāng)時(shí)，發(fā)生了熔體破裂現(xiàn)象[3]。

從表3可看出，采用PET-2、PET-3切片制備的纖維斷裂強(qiáng)度比PET-1常規(guī)切片制備的纖維斷裂強(qiáng)度都有增加，PET-2切片制備的纖維斷裂強(qiáng)度比PET-1常規(guī)切片制備的纖維斷裂強(qiáng)度增加13.6%，但PET-3切片制備的纖維斷裂強(qiáng)度相比PET-2切片制備的纖維斷裂強(qiáng)度并沒(méi)有增加。這主要是由于PET-3切片的[η]高，需要更高的紡絲溫度，否則出現(xiàn)熔體破裂現(xiàn)象，但紡絲溫度提高，大分子降解嚴(yán)重；另外，高[η]的PET-3切片制備的UDY中，大分子纏結(jié)多，必須經(jīng)過(guò)充分拉伸，才能提高成品纖維的強(qiáng)度。

表3 不同[η]的PET切片制備的DT絲的力學(xué)性能Tab.3 Mechanical properties of DT yarn prepared from PET chips with different[η]

工業(yè)化生產(chǎn)滌綸工業(yè)絲使用[η]為1.0 dL/g以上的PET切片，采用高溫、高壓生產(chǎn)工藝，后加工要經(jīng)過(guò)三道拉伸，才能使大分子鏈充分伸展，以達(dá)到高強(qiáng)度的要求；但常規(guī)滌綸短纖維裝置后拉伸只有兩道拉伸，難以使大分子鏈充分伸展，因而選擇[η]太高的PET熔體生產(chǎn)超高強(qiáng)滌綸短纖維不現(xiàn)實(shí)。綜合考慮，采用[η]與PET-2相近的切片，在常規(guī)產(chǎn)品生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上調(diào)整工藝參數(shù)，生產(chǎn)超高強(qiáng)滌綸短纖維。

2.2 切片紡超高強(qiáng)滌綸短纖維試生產(chǎn)工藝條件

采用PET-2切片在7 500 t/a切片紡滌綸短纖維裝置上試生產(chǎn)超高強(qiáng)滌綸短纖維，并與采用PET-1切片生產(chǎn)常規(guī)滌綸短纖維的主要設(shè)備和工藝參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表4。

表4 不同PET切片試生產(chǎn)滌綸短纖維主要設(shè)備和工藝參數(shù) Tab.4 Main equipment and process parameters for trial production of PET staple fiber from different PET chips

為了盡可能減少高聚物降解，又能確保熔體正常流動(dòng)，必須選擇合適的螺桿溫度和熔體輸送管道溫度。PET-1切片生產(chǎn)時(shí)螺桿各區(qū)溫度分別為290，290，292，292，292，291 ℃；考慮到PET-2切片的[η]高，螺桿各區(qū)溫度設(shè)定為290，290，295，295，295，295 ℃，試生產(chǎn)時(shí)從螺桿第2區(qū)開始各區(qū)溫度顯示超過(guò)設(shè)定值，分別為290，395，303，301，301，300，并且螺桿電流增大。這是因?yàn)镻ET-2切片的[η]較高，PET-2切片紡絲時(shí)比PET-1切片紡絲時(shí)所需螺桿輸出功率增大，動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熱能多，導(dǎo)致熔體的溫升增大，顯示出螺桿各區(qū)溫度超過(guò)設(shè)定值。另外，熔體過(guò)濾器壓差增大，主要是由于PET-2切片的[η]高，高聚物的分子鏈變長(zhǎng)，纏結(jié)增多，流動(dòng)單元變大。

PET-2切片紡絲時(shí)，調(diào)整紡絲箱體溫度296～300 ℃，此溫度下出噴絲孔的絲條流動(dòng)穩(wěn)定，無(wú)側(cè)彎、無(wú)注頭；環(huán)吹風(fēng)溫度23 ℃未做調(diào)整，風(fēng)量上調(diào)5%，絲條在甬道運(yùn)行平穩(wěn)，無(wú)并絲現(xiàn)象。從表5可知，PET-2初生纖維的斷面不勻率為1.21%，生產(chǎn)狀況良好。實(shí)踐表明，初生纖維斷面不勻率小于等于1.25%，則說(shuō)明生產(chǎn)狀況良好。

表5 PET-2初生纖維的生產(chǎn)監(jiān)控指標(biāo)Tab.5 Production monitoring index of as-spun PET-2 fiber

EYS1.5表征初生纖維的拉伸性能，其影響因素包括熔體[η]、熔體溫度、冷卻風(fēng)溫度、紡絲速度等，主要影響因素是熔體[η]和紡絲速度。考慮到調(diào)整紡絲速度會(huì)對(duì)生產(chǎn)負(fù)荷和整個(gè)設(shè)備的控制系統(tǒng)及安全性能產(chǎn)生影響，試驗(yàn)時(shí)紡絲速度不作調(diào)整。從表6可知，PET-1、PET-2切片的[η]不同，所生產(chǎn)的初生纖維的EYS1.5 明顯不同，但均有較好的拉伸性能。

表6 不同PET初生纖維的EYS1.5Tab.6 EYS1.5 of different as-spun PET fibers

高聚物拉伸時(shí)，在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度至黏流溫度范圍內(nèi)，取向度隨著拉伸比的增加而增大[4]，拉伸加工過(guò)程中，盡量提高拉伸倍數(shù)，通過(guò)高倍拉伸，提高纖維中非晶區(qū)取向度。對(duì)于不同相對(duì)分子質(zhì)量的初生纖維，在相同的拉伸溫度下，最大拉伸倍數(shù)隨著相對(duì)分子質(zhì)量的提高有所下降，斷裂強(qiáng)度有所上升；要以相同的拉伸倍數(shù)進(jìn)行拉伸，必須相應(yīng)地提高拉伸溫度[5]。PET-2切片的[η]高，分子鏈長(zhǎng)、纏結(jié)增多，拉伸溫度相同時(shí)，PET-2初生纖維的可拉伸倍率將低于常規(guī)PET-1初生纖維。

滌綸短纖維的第一道拉伸通常在水浴中進(jìn)行，由于水的塑化效應(yīng)，試生產(chǎn)時(shí)水溫略微偏低控制。初生纖維在拉伸過(guò)程中，牽伸輥表面出現(xiàn)毛絲或產(chǎn)生纏輥，說(shuō)明少量纖維在拉伸時(shí)被拉斷，纖維被拉斷的斷頭端在切斷工序?qū)?huì)產(chǎn)生超長(zhǎng)、倍長(zhǎng)纖維，影響纖維紡紗的可紡性。對(duì)PET-2初生纖維拉伸工藝調(diào)整中，分別控制水浴拉伸溫度55，58，70 ℃，調(diào)整一級(jí)拉伸倍數(shù)分別為3.07，3.12，3.17，3.20，3.23，3.24，二級(jí)拉伸倍數(shù)分別為1.10，1.18，1.20進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，在水浴拉伸溫度為70 ℃、總拉伸倍數(shù)為3.878時(shí)，生產(chǎn)穩(wěn)定，達(dá)到PET-1初生纖維常規(guī)拉伸運(yùn)行狀態(tài)，但繼續(xù)提高拉伸倍數(shù)，則毛絲和纏輥增多，生產(chǎn)穩(wěn)定性下降。

高聚物結(jié)晶取決于晶核的生成和晶體的生長(zhǎng)[6]。成核在較低溫度下發(fā)生，因?yàn)闇囟冗^(guò)高，分子熱運(yùn)動(dòng)加快，晶核容易被破壞；隨著溫度的升高，鏈段活動(dòng)增強(qiáng)，晶體的生長(zhǎng)速率增大。高聚物的結(jié)晶速率-溫度曲線呈單峰形，在某一適當(dāng)溫度下，結(jié)晶速率出現(xiàn)極大值，PET在180～190 ℃時(shí)結(jié)晶速率達(dá)到最大值[5]。滌綸短纖維裝置第二級(jí)拉伸后五輥和緊張定型輥主要起熱定型作用。PET-2初生纖維拉伸后的熱定型過(guò)程中，提高加熱蒸汽壓力，將定型溫度從常規(guī)生產(chǎn)的180 ℃提高到185 ℃，可以提高纖維的結(jié)晶度。

通過(guò)調(diào)整拉伸定型工藝，試生產(chǎn)的超高強(qiáng)滌綸短纖維的超分子結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能見表7。

表7 超高強(qiáng)滌綸短纖維的超分子結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能Tab.7 Super molecular structure and mechanical properties of ultrahigh-strength polyester staple fiber

從表7可以看出，纖維的結(jié)晶度和非晶區(qū)取向有所增大，斷裂強(qiáng)度由調(diào)整前的6.58 cN/dtex提高到7.02 cN/dtex，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

使用PET-2切片試生產(chǎn)超高強(qiáng)滌綸短纖維，連續(xù)運(yùn)行72 h，生產(chǎn)運(yùn)行穩(wěn)定，纖維的超長(zhǎng)、倍長(zhǎng)、疵點(diǎn)等關(guān)鍵指標(biāo)均達(dá)到了優(yōu)等品指標(biāo)，使用此超高強(qiáng)滌綸短纖維(80%)與棉(20%)混紡紗制成的面料達(dá)到了高強(qiáng)滌綸(60%)/維綸(20%)/棉(20%)混紡紗面料的耐磨性能。

3 結(jié)論

a. 可紡性實(shí)驗(yàn)表明，相比PET-1常規(guī)切片，PET-2切片的[η]提高0.061 dL/g，制備的纖維斷裂強(qiáng)度增加13.6%，繼續(xù)提高PET切片的[η]，紡絲困難。采用[η]為0.731 dL/g的PET-2切片，在工業(yè)化滌綸短纖維生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上調(diào)整工藝參數(shù)，生產(chǎn)超高強(qiáng)滌綸短纖維具有可行性。

b. 使用[η]為0.731 dL/g的PET-2切片在7 500 t/a切片紡工業(yè)化滌綸短纖維裝置上試生產(chǎn)超高強(qiáng)滌綸短纖維，主要提高紡絲螺桿溫度至290～295 ℃、箱體溫度至296～300 ℃，初生纖維斷面不勻率小于等于1.21%，紡絲狀況良好；調(diào)整水浴拉伸溫度70 ℃，總拉伸倍數(shù)3.878，定型溫度185 ℃，生產(chǎn)的纖維結(jié)晶度和非晶區(qū)取向有所增大，纖維斷裂強(qiáng)度達(dá)7.02 cN/dtex，達(dá)到了超高強(qiáng)的要求。