黑色縫紉線型短纖維產(chǎn)品的工藝研究

王 偉，潘曉娣，吳 亮，薛 斌，2，陳 彪，嚴 巖

(1. 中國石化儀征化纖有限責任公司，江蘇儀征 211900； 2. 江蘇省高性能纖維重點實驗室，江蘇儀征 211900)

滌綸短纖縫紉線強力高耐磨性好，在各種縫紉線中僅次于尼龍線，居第二位，且濕態(tài)時不會降低強度，另外還具有條干均勻、色牢度好、伸長率和干熱收縮率低、縫合穩(wěn)定性好等優(yōu)點，因此縫制的線跡能始終保持平挺美觀，無皺縮?？p紉線的斷裂強度、斷裂伸長率及干熱收縮率是縫紉線短纖維的幾個重要指標，其值大小直接影響到縫紉線的使用效果，因此用戶對這些指標非常敏感[1-3]。黑色縫紉線型短纖維產(chǎn)品的開發(fā)，相對于織后染色技術，其意義在于免去了傳統(tǒng)坯布前處理后的水介質(zhì)下的染色加工，因此，生產(chǎn)過程沒有染色廢水污染和反復水洗烘干能耗，具有明顯的“綠色低碳經(jīng)濟”特征，且紡織品的色牢度更好，無論是洗滌還是晾曬，都表現(xiàn)出良好的顏色牢固性能，是代表化學纖維大規(guī)模差別化技術創(chuàng)新的重要方向。

目前縫紉線型短纖維存在隨著放置時間的延長，尤其是夏季高溫高濕季節(jié)，纖維的斷裂強度會產(chǎn)生一定幅度的下降，下游用戶在使用過程中紗線強力降低、白粉增多，并產(chǎn)生一定的毛羽，影響后道用戶的使用。因此需要研究新工藝改善纖維永久性性能指標，降低纖維的強力衰減[4-5]。陳朝順等[3]通過延長定型時間、提高定型溫度等手段，提高縫紉線型短纖維的斷裂強度和結(jié)晶性能。呂雷等[4]通過降低生產(chǎn)速度、延長絲束緊張熱定型時間，提高纖維的結(jié)晶度和晶粒硅整性，從而增加尺寸穩(wěn)定性，提高纖維的斷裂強度，降低纖維的斷裂伸長率。筆者通過優(yōu)化牽伸工藝，從傳統(tǒng)的兩級牽伸工藝優(yōu)化為三級牽伸工藝，討論第三牽伸倍率、緊張熱定型溫度對纖維斷裂強度、斷裂伸長率、干熱收縮率的影響，提高纖維的結(jié)晶度和晶粒的規(guī)整性，提高纖維的尺寸穩(wěn)定性，進而降低纖維斷裂強度的衰減速度。

為了降低對環(huán)境的污染，提高黑色縫紉線型短纖維的永久性色牢度，筆者采用母粒添加法生產(chǎn)黑色縫紉線型短纖維。在紡絲過程中按照一定的比例將黑色母粒添加在PET切片中，然后使用轉(zhuǎn)鼓干燥箱進行充分混合、干燥，使用中麗紡絲機進行紡絲，在自制小型后牽伸試驗線進行。采用分段多級牽伸并優(yōu)化緊張熱定型溫度，以提高成品短纖維的斷裂強度，降低成品短纖維斷裂強度的衰減速度。

1 試 驗

1.1 原料

黑色母粒，蘇州寶麗迪材料科技股份有限公司，特性黏度為(0.685±0.008)dL/g。

常規(guī)半光PET切片，中國石化儀征化纖有限責任公司，特性黏度為(0.680±0.010)dL/g。

1.2 儀器設備

自動強伸儀，STATIMATM型，德國Textechna公司；干熱收縮測試儀，TEMTURMAT/M型，德國Textechno公司；聲速纖維取向測量儀，SCY一Ⅲ型，上海東華凱利新材料科技有限公司；黏度儀，Y501，美國Voscotek公司，溫度(25±0.1)℃，溶劑為苯酚-四氯乙烷(質(zhì)量比1∶1)；單纖維強伸度儀，XQ-1A型，上海新纖儀器；X射線衍射儀，Smart Lab，日本理學；紡絲機，北京中麗制機化纖工程技術有限公司；自制后牽伸試驗線。

1.3 試驗過程

1.3.1 干燥

將PET切片和黑色母粒進行充分混合干燥。PET切片及黑色母粒的干燥條件為：常溫下3 h升溫至110 ℃，保溫2 h；1 h升溫至170 ℃，保溫9 h；4 h 降溫至60 ℃，充氮保護。

1.3.2 紡絲

PET進料螺桿和熔體管道溫度286～292 ℃，紡絲箱體溫度為286～288 ℃。紡絲組件為220孔，0.25 mm×0.50 mm，長徑比為2.0，紡絲速度為1 100 m/min。

1.3.3 牽伸

在自制小型后牽伸試驗裝置上進行牽伸試驗。

牽伸水浴槽(DB槽)為60 ℃，蒸汽熱箱為105 ℃；第三牽伸DF3六輥溫度為150～230 ℃，緊張熱定型溫度為180～230 ℃，SE松弛鏈板溫度為60、70、70 ℃。

1.4 分析測試

1.4.1 強伸度測試

用XQ-01型單纖維強伸儀進行纖維強伸度的測定，按照國家標準GB/T 14337—2008《化學纖維 短纖維拉伸性能試驗方法》進行測定。拉伸速度為500 mm/min，夾距長度為20 mm，預加張力為0.075 cN/dtex。

1.4.2 180 ℃干熱收縮測試

180 ℃干熱收縮測試參照GBT 6505—2001《合成纖維長絲熱收縮率試驗方法》，在規(guī)定條件下用干熱空氣處理試樣，測量前后試樣長度的變化，計算干熱收縮率。預加張力為0.075 cN/dtex，熱處理溫度為180 ℃，熱處理時間為30 min，熱處理后平衡時間為30 min，試驗次數(shù)為30次，每次測一根纖維。

式中S為干熱收縮率，%；L0為試樣的熱處理前長度，mm；Ls為試樣的熱處理后長度，mm。

1.4.3 聲速取向的測試

利用SCY-Ⅲ型聲速取向測定儀，在溫度為20 ℃、相對濕度為65%條件下，在示波器上顯示的波形不失真且狀態(tài)穩(wěn)定時連續(xù)記下10個表示聲波傳播時間的數(shù)字，即為L長度纖維內(nèi)聲波的傳播時間TL，每個試樣測5次，每次測定40 cm和20 cm兩個長度的TL。

采用倍長法求延遲時間△t(us)=2T20-T40。

聲速值C的計算公式：

纖維試樣聲速取向因子石由莫斯萊公式計算：

式中Cu以PET無取向時的標準聲速值1.35 km/s代替，C為纖維試樣的實測聲速，km/s。

1.4.4 結(jié)晶度測試

用X射線衍射法對PET纖維的結(jié)晶性能進行表征，將PET纖維剪成粉末，然后進行制樣，并固定在X射線衍射儀測試平臺上。測試電壓和電流分別為40 kV和40 mA，X射線波長為0.154 nm。

式中Xb為結(jié)晶度，%；Ic為結(jié)晶部分衍射的積分強度；Ia為非結(jié)晶散射的積分強度。

晶粒尺寸可通過Scherrer公式計算得到。

式中D(hkl)為垂直于晶面(hkl)方向的晶粒尺寸,nm；k為Scherrer常數(shù)，通常為0.89；λ為X射線波長，nm；θ為衍射角，°；β為衍射峰的半高峰寬，°。

1.4.5 取向性能測試

將長度為3～5 cm的PET纖維試樣固定在X射線衍射儀測試平臺上，測試電壓和電流分別為40 kV和40 mA，X射線波長為0.154 nm。計算晶區(qū)取向度。

式中y為取向度,%；Hi為第i個峰的半高峰寬,°。

2 結(jié)果與討論

2.1 原絲的制備

黑色母粒的質(zhì)量分數(shù)為7.0%，在紡絲過程中組件壓力穩(wěn)定，紡絲過程中無飄絲、注頭絲和斷頭。此次紡絲一共生產(chǎn)100個長絲試驗絲筒，20 min/筒，理論上原絲長度在22 000 m，然后進行后牽伸試驗。具體紡絲情況見表1。

表1 原絲的質(zhì)量指標

從表1中可以看出，黑色縫紉線型PET原絲的斷裂強度為1.043 cN/dtex，斷裂伸長率為341.7%；常規(guī)半光PET原絲斷裂強度為1.132 cN/dtex，斷裂伸長率為378.2%；主要是由于加入了7.0%黑色母粒，一定程度上影響了PET聚酯的可紡性，具體表現(xiàn)在原絲的斷裂強度有所降低，斷裂伸長率有所降低，說明黑色縫紉線型PET原絲較常規(guī)半光PET原絲的可牽伸性能略降低，斷裂伸長率仍可達到341.7%，說明黑色縫紉線型PET原絲的質(zhì)量相對較好。無油絲的特性黏度為0.612 dL/g，特性黏度降為0.068 dL/g，相對較小。

2.2 牽伸工藝對纖維性能的影響

由于水浴牽伸浴槽(DB槽)具有較好的導熱性能、比熱較大，且具有較好的增塑作用。當纖維絲束在水浴槽中牽伸時，溫度容易控制且加熱均勻，纖維能夠均勻溶脹。提高牽伸水浴槽的溫度，可以提高PET纖維大分子鏈的滑移性能，降低PET纖維大分子的屈服應力。當DB槽溫度過高時，容易在纖維內(nèi)造成許多空洞，較大程度破壞了纖維中大分子的排列和結(jié)構(gòu)，降低纖維的物理機械性能。因此，隨著DB槽溫度的升高，纖維的斷裂強度呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢。

2.2.1 第一牽伸倍率對纖維性能的影響

固定第二牽伸倍率為1.23，第三牽伸倍率為0.97，回縮倍率為0.97?？疾斓谝粻可毂堵蕦w維性能的影響，如圖1、圖2所示。

圖1 第一牽伸倍率對纖維斷裂強度和斷裂伸長率的影響

圖2 第一牽伸倍率對纖維180 ℃干熱收縮率的影響

結(jié)合圖1、圖2知，隨著第一牽伸倍率的提高，纖維的斷裂伸長率整體上逐漸降低，斷裂強度呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢，當?shù)谝粻可毂堵蕿?.30時，纖維的斷裂強度最大，為5.92 cN/dtex，斷裂伸長率最小，為22.58%。這主要是由于第一牽伸倍率要略高于纖維的自然拉伸倍率，使其細頸效應消除，有利于纖維強度的提高。而過大的第一牽伸倍率，造成過大的拉伸應力，強迫拉伸又會造成鏈段撕碎，在生產(chǎn)和試驗過程中容易產(chǎn)生毛絲。給生產(chǎn)造成一定的影響，同時還會降低纖維的性能。當?shù)谝粻可毂堵蕿?.30時，纖維的180 ℃干熱收縮率最小，為5.8%。這主要是由于第一牽伸倍率不宜太大或者太小，當?shù)谝粻可毂堵蔬^小時，纖維具有的取向度和結(jié)晶度均偏低，而當?shù)谝粻可毂堵蔬^大時，纖維的取向度太大，因此180 ℃干熱收縮率又再一次變大[6-7]。所以當?shù)诙可毂堵蕿?.23，第三牽伸倍率為0.97，回縮倍率為0.97時，第一牽伸倍率為3.30，纖維的性能最優(yōu)。

2.2.2 緊張熱定型溫度對纖維性能的影響

固定第一牽伸倍率為3.30，考察緊張熱定型溫度對斷裂強度和斷裂伸長率的影響，如圖3所示。

圖3 溫度對纖維斷裂強度和斷裂伸長率的影響

從圖3中可以看出，隨著緊張熱定型溫度的提高，纖維的斷裂強度呈現(xiàn)出先提高后下降的趨勢，纖維的斷裂伸長率呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢。當緊張熱定型溫度為210 ℃時，纖維的斷裂強度最高，為5.97 cN/dtex；斷裂伸長率最小，為23.25%。緊張熱定型的主要作用是消除纖維的內(nèi)應力，改善纖維內(nèi)部的缺陷結(jié)構(gòu)，進一步促進纖維結(jié)晶的形成和完善。隨著緊張熱定型溫度的提高，纖維大分子具有的動能增大，鏈段的活動能力增強，晶體生長的可能性也越大。當緊張熱定型溫度過低或者過高時，均不利于大分子有序結(jié)構(gòu)的形成。當緊張熱定型溫度為210 ℃時，可能為結(jié)晶PET大分子的最大結(jié)晶速率溫度，大大提高了大分子的有序遷移和活動能力，因此有利于大分子有序結(jié)構(gòu)的形成，所以此時纖維的斷裂強度最大，斷裂伸長率最小。

2.3 第三牽伸倍率對纖維性能的影響

由于目前現(xiàn)有兩級牽伸工藝條件下的短纖維性能相對不夠穩(wěn)定，容易產(chǎn)生衰減，故在后牽伸試驗線采用多級牽伸工藝對原絲進行牽伸。

第一牽伸倍率為3.30，第二牽伸倍率為1.23，回縮倍率為0.97；考察第三牽伸倍率和緊張熱定型溫度對纖維斷裂強度的影響，如圖4、圖5所示。

圖4 緊張熱定型溫度對纖維斷裂強度的影響

圖5 緊張熱定型溫度對纖維斷裂伸長率的影響

結(jié)合圖4、圖5中可以看出，纖維的斷裂強度均隨著第三牽伸倍率的提高呈現(xiàn)出先增大后降低的趨勢。當緊張熱定型溫度為210 ℃、第三牽伸倍率為1.05時，纖維的斷裂強度最大，為6.31 cN/dtex。

選擇第一牽伸倍率為3.30，第二牽伸倍率為1.23，回縮倍率為0.97，第三牽伸倍率為1.05，考察緊張熱定型溫度對纖維180 ℃干熱收縮率的影響。具體見圖6。

圖6 緊張熱定型溫度對纖維180 ℃干熱收縮率的影響

從圖6中可以看出，隨著緊張熱定型溫度的提高，纖維180 ℃干熱收縮率呈現(xiàn)出先降低后提高的趨勢，當緊張熱定型溫度為210和220 ℃時，纖維的180 ℃干熱收縮率相對較小，分別為3.28%和3.65%。

緊張熱定型的目的是消除纖維在拉伸過程中產(chǎn)生的內(nèi)應力，使大分子發(fā)生一定程度的松弛，提高纖維的結(jié)晶度，改善纖維的彈性，降低纖維的干熱收縮率，使其大分子尺寸和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。當熱定型溫度太低時，PET大分子鏈的運動能量不足，不能產(chǎn)生足夠的動能使其運動，應力得不到充分的松弛，熱定型效果變差。反之，當熱定型溫度過高時，大分子的熱運動太劇烈，無法形成有序運動，容易造成雜亂無章的運動，無法形成大分子的有序結(jié)構(gòu)，達不到緊張熱定型的效果。因此需要合適的熱定型溫度[8-9]。當?shù)谝粻可毂堵蕿?.30，第二牽伸倍率為1.23，回縮倍率為0.97，采用三級牽伸工藝時，第三牽伸倍率為1.05，緊張熱定型區(qū)溫度控制在205～220 ℃。

2.4 聲速取向?qū)Ρ?/h3>

第一牽伸倍率為3.30，第二牽伸倍率為1.23。第三牽伸倍率為0.97、1.05，選擇牽伸過程中原絲、第一牽伸DF1出口、第二牽伸DF2出口、第三牽伸DF3出口、緊張熱定型HR出口，長絲束纖維的聲速取向，具體見表2。

表2 牽伸過程長絲束聲速取向

從表2中可以看出：從DF1出口、DF2出口、DF3出口、HR出口、CP出口，纖維的聲速取向呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。

聲速取向一般利用Mosely聲波在沿分子鏈方向和垂直分子鏈方向傳播速度的不同而測定的。聲速取向表現(xiàn)的是樣品的總?cè)∠?，包括了晶區(qū)和非晶區(qū)的分子取向[10]。在熱定型過程中，結(jié)晶通常產(chǎn)生于高度取向的非晶區(qū)，需要在一定的張力下進行取向誘導結(jié)晶和熱結(jié)晶共同作用下進行。一級牽伸后經(jīng)過蒸汽加熱箱時會產(chǎn)生大量的晶核，開始產(chǎn)生大幅度的結(jié)晶，大量有序排列的非晶分子轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶分子，所以經(jīng)過蒸汽加熱箱在DF2出口時，纖維的取向度會急劇提高，表現(xiàn)在聲速取向急劇提高。緊張熱定型工序主要是滌綸纖維生產(chǎn)過程中的結(jié)構(gòu)重整過程，在此過程中，晶粒重整，結(jié)晶得到進一步完善，取向較DF2出口和DF3出口變化不明顯，此時纖維的剛性基本達到最大值，但是其柔性較小。簡單說就是經(jīng)過DF3以及HR定型后，在一定的拉伸應力的作用下以及溫度的升高，會進一步完善分子的結(jié)晶取向[11]。

纖維一維卷曲是通過機械方式和高溫處理的方式得以實現(xiàn)，其結(jié)果就是非晶區(qū)的解取向。在高溫熱處理作用下，纖維的大分子鏈段在熱作用下因為自由運動而得到卷曲，使纖維產(chǎn)生了一定的收縮，非晶區(qū)取向得到了加強。一般情況下熱處理溫度越高，非晶區(qū)鏈的自由蠕動也越明顯，增加大分子鏈段的解取向運動。

2.5 結(jié)晶度和取向度對比

DB槽溫度為60 ℃，蒸汽熱箱為105 ℃，第三牽伸DF3六輥為150、170、180、180、200、200 ℃，緊張熱定型溫度為210、210 ℃，第一牽伸倍率為3.30，第二牽伸倍率為1.23。

第三牽伸倍率分別為0.97、1.01、1.03、1.05、1.07，考察第三牽伸倍率對纖維結(jié)晶度的影響。具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 第三牽伸倍率對纖維結(jié)晶度及取向度的影響

從表3中可以看出,隨著第三牽伸倍率的提高，結(jié)晶度和取向度均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，當?shù)谌隣可毂堵蕿?.03和1.05時，結(jié)晶度和取向度均相對較大。說明第三牽伸倍率過大或者過小都會降低纖維的結(jié)晶及大分子的有序結(jié)構(gòu)取向，當?shù)谌隣可毂堵蔬^小時會產(chǎn)生一個反向的解取向作用；當?shù)谌隣可毂堵蔬^大時由于劇烈的拉伸，達到大分子定向運動的極限，因此產(chǎn)生相反的作用，在一定程度上破壞大分子的結(jié)構(gòu)。第三牽伸倍率過大會造成纖維斷裂強度的下降、結(jié)晶度及取向度的降低[12-13]。

2.6 放置時間對成品纖維強度的影響

將不同三牽伸倍率得到的成品短纖維保存在封口袋中，溫度25 ℃，濕度60%，分別放置15天和30天，考察放置時間對纖維強度的影響，如圖7所示。

圖7 放置時間對纖維斷裂強度的影響

從圖7可以看出，隨著放置時間的延長，成品短纖維的斷裂強度有逐漸下降的趨勢。相較于兩級牽伸工藝的樣品(第三牽伸倍率0.97)而言，三級牽伸工藝下的樣品初始斷裂強度相對較高，且隨著放置時間的延長，第三牽伸倍率為1.03、1.05、1.07三個樣品的斷裂強度下降不明顯。這主要是由于使用三級牽伸工藝時，PET大分子多級分段拉伸，能夠擁有更好的有序排列結(jié)構(gòu)，同時有利于大分子的定向運動，大分子擁有的晶格缺陷較少，形成較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

3 結(jié) 論

a) 本文使用在常規(guī)半光PET切片中添加質(zhì)量分數(shù)7.0%黑色母粒混合熔融紡絲，使用三級牽伸工藝，成品纖維性能優(yōu)于兩級牽伸工藝。

b) 使用三級牽伸工藝時，后牽伸小試試驗線第一牽伸倍率3.3、第二牽伸倍率1.23、第三牽伸倍率1.05，緊張熱定型溫度在210 ℃時，成品短纖維的斷裂強度纖維的斷裂強度最大，為6.31 cN/dtex；180 ℃ 干熱收縮率最小，為3.65%，放置一個月后，斷裂強度衰減最小。

c) 隨著第三牽伸倍率的提高，成品短纖維的結(jié)晶度和取向度均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，當?shù)谌隣可毂堵蕿?.05時，成品短纖維的結(jié)晶度和取向度均較高，說明三級牽伸工藝下纖維的性能更優(yōu)。

d) 對于縫紉線型短纖維或者是黑色縫紉線型短纖維，為了降低成品纖維斷裂強度的衰減速度，可適當采用多級分段牽伸。