222 dtex/150f超高分子量聚乙烯纖維后牽伸工藝研究

何 健，張長(zhǎng)成，阮 洋，胡 婷

(中國(guó)石化儀征化纖有限責(zé)任公司，江蘇儀征 211900)

超高分子量聚乙烯纖維是一種特種纖維，具有高模量、高強(qiáng)度、自潤(rùn)滑等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于防彈、防切割、纜繩、服裝、面料、漁線等領(lǐng)域[1]。目前，超高分子量聚乙烯纖維有濕法紡絲和干法紡絲兩種生產(chǎn)方式，其中濕法紡絲在全國(guó)產(chǎn)能豐富，而干法紡絲在全國(guó)目前僅中國(guó)石化儀征化纖公司一家[2]。干法紡絲主要工藝過(guò)程包括物料溶脹溶解、螺桿擠出、熔體輸送、計(jì)量噴絲、高效除溶劑、預(yù)牽伸、后牽伸等[3]。

滕文良[4]通過(guò)對(duì)16種超高分子量聚乙烯纖維制作的釣線進(jìn)行了斷裂強(qiáng)度和耐磨性能的研究，結(jié)果表明釣線的斷裂強(qiáng)度及耐磨性與其直徑、線密度的大小密切相關(guān)。徐晨光[5]用超高分子量聚乙烯纖維編織成防割手套，再對(duì)防割手套的耐摩擦性、抗撕裂性和抗穿刺性進(jìn)行綜合的測(cè)試及性能分析，結(jié)果表明該手套可滿(mǎn)足耐磨性等級(jí)為3級(jí)、抗撕裂性等級(jí)為3級(jí)和抗穿刺性等級(jí)為2級(jí)，性能優(yōu)良。而針對(duì)作為釣線、防割手套原材料的222 dtex/150f超高分子量聚乙烯纖維(簡(jiǎn)稱(chēng)222 dtex/150f纖維)的均勻性、可加工性能、力學(xué)性能的研究均較少，本文以222 dtex/150f纖維的干法紡絲后牽伸工藝為切入點(diǎn)，圍繞牽伸方法的選擇、熱浴溫度設(shè)定、牽伸倍率分配進(jìn)行探討，以改進(jìn)纖維性能。

1 試 驗(yàn)

1.1 原料

超高分子量聚乙烯粉體，黏均分子量320萬(wàn)，上海聯(lián)樂(lè)化工科技公司；抗氧化劑，b225，南京嘉雅精細(xì)化工有限公司；222 dtex/150f纖維原絲，中國(guó)石化儀征化纖公司，原絲性能見(jiàn)表1。

表1 原絲性能表

1.2 儀器設(shè)備

長(zhǎng)絲條干均勻度測(cè)試儀，YG139C-J型，蘇州長(zhǎng)風(fēng)紡織機(jī)電科技有限公司；差示掃描量熱儀，DSC1型，瑞士梅特勒托利多公司；電子顯微鏡，STEREOSCAN 440型，英國(guó)劍橋萊卡有限公司；縷紗測(cè)長(zhǎng)儀，YG086D型，常州第二紡織機(jī)械有限公司；電子拉力試驗(yàn)機(jī)，DXLL-1000型，上海德杰儀器設(shè)備有限公司。

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

1.3.1 原絲制備

聚乙烯粉體→溶脹漿料→螺桿擠出→熔體輸送→計(jì)量噴絲→高效除溶劑→預(yù)牽伸→平衡定型→222 dtex/150f纖維原絲

1.3.2 后牽伸纖維制備

一道牽伸法：原絲布絲→牽伸機(jī)1→熱浴1→牽伸機(jī)2→卷繞→纖維

二道牽伸法：原絲布絲→牽伸機(jī)1→熱浴1→牽伸機(jī)2→熱浴2→牽伸機(jī)3→卷繞→纖維

三道牽伸法：原絲布絲→牽伸機(jī)1→熱浴1→牽伸機(jī)2→熱浴2→牽伸機(jī)3→熱浴3→牽伸機(jī)4→卷繞→纖維

1.3.3 原始工藝條件

蒸汽熱浴溫度：146～148 ℃；卷繞速度：8.5 m/min。

1.4 分析測(cè)試方法

1.4.1 分子量測(cè)試

采用烏氏黏度計(jì)法，GB/T 1632—1993。測(cè)試條件：恒溫水浴，水浴溫度為(25±0.05)℃。

1.4.2 線密度測(cè)試

采用化學(xué)纖維 長(zhǎng)絲線密度試驗(yàn)方法，GB/T 14343—2008。測(cè)試條件：恒溫恒濕，溫度為(20±2)℃，濕度為(65±5)%。

1.4.3 力學(xué)性能測(cè)試

采用高強(qiáng)化纖長(zhǎng)絲牽伸性能試驗(yàn)方法，GB/T 19975—2005。測(cè)試條件：牽伸氣壓≥0.6 MPa，牽伸速度為250 mm/mim，標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)為500 mm，每個(gè)樣品測(cè)5次取平均值。

1.4.4 熔融溫度測(cè)試

采用差示掃描量熱法，GB/T 22232—2008。測(cè)試條件：升溫范圍25～200 ℃，升溫速率10 ℃/min；降溫范圍200～60 ℃，降溫速率10 ℃/min。

1.4.5 條干測(cè)試

采用化學(xué)纖維 長(zhǎng)絲條干不勻率試驗(yàn)方法(電容法)，GB/T 14346—2015。測(cè)試條件：測(cè)試溫度(20±3)℃，濕度(65±5)%，速度200 m/min，時(shí)間2.5 min。

1.4.6 截面測(cè)試

采用化學(xué)纖維異形度試驗(yàn)方法，F(xiàn)Z/T 50002—2013。測(cè)試條件：室溫，放大倍率2 000倍。

2 結(jié)果與討論

2.1 牽伸方式對(duì)纖維均勻性的影響

后牽伸的牽伸方式有一道牽伸法、二道牽伸法、三道牽伸法三種，將222 dtex/150f纖維原絲1#分別用上述三種牽伸方式牽伸得2#、3#、4#纖維，工藝參數(shù)見(jiàn)表2，其中DR1為一道牽伸倍率，DR2為二道牽伸倍率，DR3為三道牽伸倍率。

表2 試產(chǎn)工藝參數(shù)

2.1.1 纖維條干不勻率的分析

條干均勻度是指沿纖維軸向較短片段內(nèi)粗細(xì)或重量的均勻程度，是纖維沿長(zhǎng)度方向均勻性研究的重要表征工具，可用條干不勻率進(jìn)行評(píng)價(jià)。取2#、3#、4#纖維進(jìn)行條干不勻率測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 纖維條干不勻率圖

從圖1可以看出2#、3#、4#纖維條干不勻率逐漸減小，4#纖維條干不勻率最小。以上結(jié)果表明，牽伸方式對(duì)纖維的條干不勻率影響較顯著，導(dǎo)致2#、3#、4#條干不勻率差異的原因是在不同受熱過(guò)程及牽伸次數(shù)條件下，分子鏈中晶區(qū)、非晶區(qū)沿軸向移動(dòng)速度不同[6]。在一道牽伸法中，原絲需要在一次受熱過(guò)程中一次完成牽伸過(guò)程，該過(guò)程中，非晶區(qū)分子鏈基本可以進(jìn)行牽伸運(yùn)動(dòng)，而晶區(qū)分子鏈由于受熱不充分只有少量可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，在牽伸過(guò)程中晶區(qū)、非晶區(qū)沿軸向移動(dòng)速度差較大，造成條干不勻率較大；在二道牽伸法中，原絲可在兩次受熱過(guò)程中分兩次完成牽伸過(guò)程，晶區(qū)受熱增強(qiáng)使其運(yùn)動(dòng)能力加強(qiáng)，晶區(qū)、非晶區(qū)沿軸向移動(dòng)速度差減小，條干不勻率減小；在三道牽伸法中，原絲可在三次受熱過(guò)程中分三次完成牽伸過(guò)程，晶區(qū)受熱進(jìn)一步增強(qiáng)，晶區(qū)、非晶區(qū)沿軸向移動(dòng)速度差進(jìn)一步減小，條干不勻率最小[6]。

2.1.2 纖維截面的分析

截面即纖維微觀形貌，是纖維沿徑向均勻性研究的重要表征工具，鑒于此，通過(guò)電鏡觀察原絲1#及3個(gè)樣品的截面(圖2)，發(fā)現(xiàn)與原絲1#相比，2#截面規(guī)整度變差，3#截面規(guī)整度較2#有所改善，4#截面規(guī)整度較3#進(jìn)一步改善。以上結(jié)果表明，牽伸方式對(duì)纖維的截面有一定影響，主要原因與纖維條干不勻率分析類(lèi)似，三道牽伸法由于受熱充分，分子鏈中晶區(qū)、非晶區(qū)協(xié)同運(yùn)動(dòng)能力強(qiáng)，分子鏈在徑向發(fā)生形變的速率接近[6]，截面飽滿(mǎn)，規(guī)整度高。

圖2 纖維截面對(duì)比圖

綜上，相比一、二道牽伸法，三道牽伸法所得纖維條干不勻率較低，且截面規(guī)整度較高，說(shuō)明無(wú)論沿徑向還是軸向，三道牽伸法都能改善纖維的內(nèi)在均勻性，是222 dtex/150f纖維較合適的后牽伸方式。

2.2 熱浴溫度對(duì)纖維可加工性能的影響

為確定熱浴溫度的研究范圍，取222 dtex/150f纖維原絲做差熱分析，差熱數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3，熔融峰出現(xiàn)在136 ℃左右，因此將此溫度作為研究起點(diǎn)；因?yàn)樵谡＜庸み^(guò)程中熱浴溫度設(shè)定一般不超過(guò)150 ℃，所以選擇150 ℃作為研究終點(diǎn)。

用三道牽伸法進(jìn)行試產(chǎn)，取萬(wàn)米接頭數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，每隔2 ℃設(shè)計(jì)一組運(yùn)行試驗(yàn)，各組運(yùn)行效果如表3所示。由試驗(yàn)1#可以看出，當(dāng)熱浴溫度低于138 ℃時(shí)，原絲受熱不充分，無(wú)法完成牽伸；當(dāng)熱浴溫度高于148 ℃時(shí)，原絲發(fā)生熔斷無(wú)法進(jìn)行牽伸；牽伸過(guò)程可以發(fā)生在138～148 ℃之間，在此區(qū)間內(nèi)，萬(wàn)米接頭數(shù)隨溫度的升高呈現(xiàn)先減少后增多的趨勢(shì)，表明熱浴溫度對(duì)可加工性能影響顯著，同時(shí)由表3可知，142～144 ℃是222 dtex/150f纖維后牽伸最佳的熱浴溫度區(qū)間，此時(shí)萬(wàn)米接頭數(shù)只有0.08，與圖3中142 ℃左右完成熔融過(guò)程的測(cè)試值相符。

圖3 222 dtex/150f纖維原絲差熱分析圖

表3 不同熱浴溫度運(yùn)行效果對(duì)比表

2.3 牽伸倍率分配對(duì)纖維力學(xué)性能的影響

用三道牽伸法進(jìn)行試產(chǎn)，設(shè)定熱浴溫度為 142～144 ℃，在總牽伸倍率相近的前提下，考察不同倍率分配下纖維的力學(xué)性能，取斷裂強(qiáng)度、初始模量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，各組樣品力學(xué)性能如表4所示。

表4 不同倍率分配下產(chǎn)品物理性能對(duì)比表

從表4可以看出，DR1從3.28提高至3.43的過(guò)程中，纖維斷裂強(qiáng)度與初始模量均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)DR1為3.38時(shí)，纖維的力學(xué)性能最好，這表明牽伸過(guò)程中倍率分配對(duì)力學(xué)指標(biāo)有一定影響，且存在最佳的牽伸倍率分配。這是因?yàn)樵诤鬆可爝^(guò)程中，分子鏈松馳的原絲進(jìn)入DR1牽伸時(shí)，非晶部分逐漸被拉長(zhǎng)，部分與片晶相連、纏結(jié)較少的縛結(jié)分子也逐步被拉直張緊，在牽伸溫度與牽伸應(yīng)力的雙重作用下，原本與部分張緊縛結(jié)分子相連的折疊鏈片晶開(kāi)始發(fā)生解折疊，并與相鄰的張緊縛結(jié)分子共同形成新的伸直鏈晶[7]，在DR1逐步提高至3.38的過(guò)程中，DR1段縛結(jié)分子牽引折疊鏈片晶解折疊程度逐步加大，在DR2段的牽伸輔助下，解折疊程度繼續(xù)加強(qiáng)，有新的伸直鏈晶形成，伸直鏈比例增加，表現(xiàn)為纖維的力學(xué)性能逐步增強(qiáng)。而當(dāng)DR1繼續(xù)提高時(shí)，DR1段解折疊程度持續(xù)加強(qiáng)，部分縛結(jié)分子由于張緊過(guò)度，存在脫離折疊鏈片晶的可能，即使有DR2段的牽伸輔助，脫離部位也不能形成新的伸直鏈，造成纖維力學(xué)性能下降[7]。因此，為保證222 dtex/150f纖維具有更好的力學(xué)性能，三道牽伸法的合理倍率分配應(yīng)為DR1、DR2的牽伸倍率分別為3.38、1.37，DR3固定在1.05。

3 結(jié) 論

為改進(jìn)222 dtex/150f纖維均勻性、可加工性能和力學(xué)性能，后牽伸生產(chǎn)工藝可以進(jìn)行以下優(yōu)化：

a) 相比一、二道牽伸法，采用三道牽伸法制備的纖維條干不勻率低且截面更加規(guī)整，纖維整體均勻性較好。

b) 用三道牽伸法進(jìn)行試加工，當(dāng)熱浴溫度在142～144 ℃范圍內(nèi)時(shí)萬(wàn)米接頭數(shù)只有0.08，可加工性能較好，當(dāng)熱浴溫度在低于138 ℃或高于148 ℃時(shí)無(wú)法進(jìn)行牽伸。

c) 三道牽伸法的倍率分配中DR1、DR2設(shè)定為3.38、1.37(DR3固定為1.05)時(shí)，纖維的力學(xué)性能較好。