皮芯型PA 6/PET復(fù)合短纖維生產(chǎn)工藝探討

周 衛(wèi) 東

(中石化巴陵石油化工有限公司技術(shù)中心，湖南 岳陽 414014)

目前，因常規(guī)纖維附加值低、功能單一，市場(chǎng)已逐步趨于飽和，一些纖維生產(chǎn)企業(yè)轉(zhuǎn)而研發(fā)生產(chǎn)具有高附加值的差別化纖維已成為行業(yè)的熱點(diǎn)，也是纖維行業(yè)發(fā)展的大勢(shì)所趨。

復(fù)合纖維是差別化纖維的一個(gè)重要分支，根據(jù)各原料組分在復(fù)合纖維截面分布的不同，復(fù)合纖維可分為基質(zhì)-微纖型、并列型、皮芯型復(fù)合纖維等[1]。錦滌復(fù)合纖維是目前市場(chǎng)上比較常見的一種復(fù)合纖維，主要是因?yàn)闇炀]、錦綸生產(chǎn)工藝已經(jīng)十分成熟[2]。錦滌復(fù)合纖維是以聚己內(nèi)酰胺(PA 6)和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)為原料形成的復(fù)合纖維，其中錦滌復(fù)合長(zhǎng)絲的研發(fā)較多[3-8]。李雪梅等[6]以PET與PA 6質(zhì)量比為82:18，生產(chǎn)285 dtex/72 f米字型PET/PA 6復(fù)合纖維，纖維斷裂強(qiáng)度為2.3 cN/dtex，斷裂伸長(zhǎng)率為135%，可較好地用于后道加工。莊輝等[7]開發(fā)了55 dtex/36 f裂片型滌錦復(fù)合超細(xì)纖維，通過優(yōu)化生產(chǎn)工藝，纖維具有較好的可紡性和染色均勻性。石紅星等[8]開發(fā)了78 dtex/36 f仿純PA 6皮芯型PA 6/PET復(fù)合纖維，該纖維品質(zhì)與PA 6纖維相差不大，而生產(chǎn)成本卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于純PA 6纖維，具有一定的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

近年來，國內(nèi)復(fù)合紡絲技術(shù)有了很大的發(fā)展，以PA 6為皮、PET為芯的皮芯型復(fù)合短纖維的開發(fā)引起行業(yè)內(nèi)的重視。姜浩然等[9]以皮層PA 6與芯層PET質(zhì)量比為50:50進(jìn)行復(fù)合紡絲，控制PA 6紡絲溫度282 ℃、PET紡絲溫度285 ℃、側(cè)吹風(fēng)溫度17 ℃、后紡總拉伸倍數(shù) 3.675、拉伸溫度 65 ℃，生產(chǎn)線密度為1.65 dtex的皮芯型錦滌復(fù)合短纖維，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

皮芯型PA 6/PET復(fù)合短纖維的性能較純PA 6短纖維有較大的改善，斷裂強(qiáng)度增加，斷裂伸長(zhǎng)降低，初始模量提高，在非織造布領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，主要用于醫(yī)療衛(wèi)生及生活用品，尤其在一次性衛(wèi)生用品方面具有良好的市場(chǎng)前景[10]。作者以PA 6為皮層、PET為芯層進(jìn)行復(fù)合紡絲，生產(chǎn)皮芯型PA 6/PET復(fù)合短纖維，探討了復(fù)合紡絲和后加工過程的生產(chǎn)工藝條件。

1 試驗(yàn)

1.1 主要原料

PA 6切片：紡絲級(jí)，熔點(diǎn)220 ℃，相對(duì)黏度2.65±0.03，含水率低于65 μg/g，真空包裝，岳陽化工化纖有限責(zé)任公司產(chǎn)；PET切片：紡絲級(jí)，熔點(diǎn)257 ℃，特性黏數(shù)0.645 dL/g，中國石化儀征化纖有限責(zé)任公司產(chǎn)；常規(guī)錦綸短絲油劑：牌號(hào)J5326H，蘇州源創(chuàng)科技開發(fā)有限公司產(chǎn)。

1.2 主要設(shè)備及儀器

WSPD型充填干燥機(jī)：干燥能力為35 kg/h，張家港萬盛機(jī)械有限公司制；HYF/D(FH)600/160-12-80/65型紡絲機(jī)：北京中麗制機(jī)工程技術(shù)有限公司制；ZLHV905系列滌綸短纖后處理聯(lián)合機(jī)：鄭州紡織機(jī)械股份公司制；SH-200X 型電子天平：廣州東南科儀公司制；YG086C縷紗測(cè)長(zhǎng)儀：常州市中纖檢測(cè)儀器設(shè)備有限公司制；XQ-I型纖維強(qiáng)度測(cè)試儀：上海新纖儀器有限公司制；YG321型纖維比電阻測(cè)試儀：常州市天祥紡織儀器有限公司制；YG042纖維疵點(diǎn)分析儀：常州新紡檢測(cè)儀器設(shè)備有限公司制。

1.3 皮芯型PA 6/PET復(fù)合短纖維的生產(chǎn)工藝

采用皮芯復(fù)合紡絲法生產(chǎn)皮芯型PA 6/PET復(fù)合短纖維。以PA 6為皮層、PET為芯層，PA 6 與 PET 切片質(zhì)量比(復(fù)合比)為 50∶50，PA 6與PET分別由2臺(tái)螺桿擠出機(jī)熔融擠出進(jìn)入復(fù)合紡絲箱體，通過復(fù)合噴絲組件的各自流體通道,在噴絲孔入口處匯合并共同擠出；再經(jīng)環(huán)吹風(fēng)冷卻、卷繞、落桶、集束、拉伸、卷曲、定型、切斷，得到線密度為2.85 dtex皮芯型PA 6/PET復(fù)合短纖維。復(fù)合短纖維生產(chǎn)工藝流程見圖1，主要工藝參數(shù)見表1。

表1 皮芯型PA 6/PET復(fù)合短纖維主要生產(chǎn)工藝參數(shù)Tab.1 Main production process parameters of sheath-core PA 6/PET composite staple fiber

1.4 分析與測(cè)試

線密度：參考GB/T 14335—2008 《化學(xué)纖維 短纖維線密度試驗(yàn)方法》[11]進(jìn)行測(cè)試。

力學(xué)性能：參考GB/T 14337—2008《化學(xué)纖維 短纖維拉伸性能試驗(yàn)方法》[12]測(cè)試復(fù)合纖維的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。

含油率：參考GB/T 6504—2017《化學(xué)纖維 含油率試驗(yàn)方法》[13]對(duì)纖維中油劑含量進(jìn)行測(cè)試。

疵點(diǎn)含量：參考GB/T 14339—2008《化學(xué)纖維 短纖維疵點(diǎn)試驗(yàn)方法》[14]測(cè)試。

倍長(zhǎng)纖維含量：參考GB/T 14336—2008《化學(xué)纖維 短纖維長(zhǎng)度試驗(yàn)方法》[15]測(cè)試。

卷曲數(shù)：參考GB/T 14338—2008《化學(xué)纖維 短纖維卷曲性能試驗(yàn)方法》[16]測(cè)試。

回潮率：參考GB/T 6503—2008《化學(xué)纖維 回潮率試驗(yàn)方法》[17]測(cè)試。

電阻率：參考GB/T 14342—2015《化學(xué)纖維 短纖維比電阻試驗(yàn)方法》[18]測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合紡絲箱體和紡絲組件

紡絲箱體主要是對(duì)熔體分配管道、計(jì)量泵和噴絲頭組件進(jìn)行保溫作用，確保聚合物熔體溫度、熔體黏度符合紡絲要求。在復(fù)合紡絲中，PA 6、PET的熔體管道同一級(jí)分配支管的直徑、長(zhǎng)度和曲率應(yīng)相同，以保證各部位的熔體在相同的溫度下經(jīng)歷相同的停留時(shí)間，產(chǎn)生相同的壓力降。試驗(yàn)表明，對(duì)于復(fù)合紡絲箱體，一般要求熔體從螺桿擠出機(jī)出口到噴絲板面之間的停留時(shí)間不超過12 min，停留越長(zhǎng)，熔體黏度降越大；同時(shí)要求紡絲箱體溫度均一，溫差小于1 ℃。

復(fù)合紡絲組件的結(jié)構(gòu)和加工精度對(duì)紡絲及纖維質(zhì)量影響很大。2種聚合物熔體進(jìn)入噴絲孔之前，在組件內(nèi)不能相互串料、漏料，故密封性能一定要好；組件內(nèi)熔體壓力要保持穩(wěn)定，使熔體均勻穩(wěn)定地分配到每一個(gè)噴絲孔中，保證復(fù)合纖維的皮芯結(jié)構(gòu)截面形狀及均勻性。

噴絲孔的直徑及長(zhǎng)徑比是噴絲板的重要參數(shù)，對(duì)紡絲的穩(wěn)定性及纖維質(zhì)量影響很大。噴絲孔的直徑要符合熔體在微孔中的流動(dòng)剪切規(guī)律，且應(yīng)保持噴絲頭拉伸倍數(shù)在較小的范圍內(nèi)。隨著噴絲孔的直徑減小，熔體剪切速率將會(huì)有較大的增加，熔體表觀黏度下降，有利于紡絲的進(jìn)行。但如果噴絲孔的直徑太小，剪切速率及剪切應(yīng)力太大，則易造成熔體的破裂。隨著剪切速率的增加，熔體在通過噴絲孔時(shí)的彈性效應(yīng)也增加，為了降低彈性效應(yīng)，減少出口膨化現(xiàn)象，增加熔體在噴絲孔中的停留時(shí)間，噴絲孔的長(zhǎng)徑比應(yīng)大于2.0。試驗(yàn)表明，選擇噴絲孔的直徑0.28 mm、長(zhǎng)徑比2.2，生產(chǎn)穩(wěn)定且產(chǎn)品質(zhì)量好。

2.2 PET切片含水率

干燥的目的是除去PET切片中的水分，提高PET的結(jié)晶度和軟化點(diǎn)。PET分子結(jié)構(gòu)中存在著酯基，在熔融時(shí)極易水解，使其相對(duì)分子質(zhì)量下降，影響紡絲質(zhì)量。PET切片含水率高，紡絲時(shí)因水分氣化而產(chǎn)生氣泡絲，影響復(fù)合纖維截面皮芯結(jié)構(gòu)形狀的均勻性，嚴(yán)重時(shí)易產(chǎn)生毛絲、斷頭，甚至使紡絲無法進(jìn)行。由于PET熔體是芯，對(duì)干PET切片的含水率要求更嚴(yán)格，一般含水率應(yīng)低于40 μg/g，達(dá)到高速紡絲級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，故必須控制好干燥工藝條件。試驗(yàn)表明，控制PET預(yù)結(jié)晶溫度165 ℃、主干燥溫度160 ℃、干燥時(shí)間為4 h時(shí)，切片含水率為30 μg/g，可滿足紡絲工藝要求。

2.3 紡絲溫度

紡絲過程中聚合物熔體溫度直接影響熔體黏度即熔體的流動(dòng)性能，同時(shí)對(duì)熔體細(xì)流的冷卻固化效果、初生纖維的結(jié)構(gòu)及拉伸性能都有很大的影響，這要求嚴(yán)格控制紡絲溫度。對(duì)于PA 6/PET復(fù)合短纖維的生產(chǎn)，PA 6與PET的熔點(diǎn)相差約40 ℃，必須選擇合適的紡絲溫度，保證2種組分充分熔融，且不影響可紡性能。試紡時(shí)對(duì)PA 6與PET采用相同的紡絲溫度，紡絲過程不穩(wěn)定，飄絲、注頭絲現(xiàn)象嚴(yán)重，這是因?yàn)镻A 6在較高的紡絲溫度下熱分解加劇，熔體中低分子物含量增加，熔體黏度下降，注頭絲、毛絲增多，纖維的拉伸性能和強(qiáng)度下降，復(fù)合纖維的復(fù)合率下降；按PA 6與PET各自單獨(dú)紡絲時(shí)的紡絲溫度進(jìn)行試紡，紡絲過程較為穩(wěn)定，但在后拉伸時(shí)毛絲、斷頭現(xiàn)象非常嚴(yán)重，后拉伸斷頭增加，甚至不能拉伸，嚴(yán)重時(shí)無法紡絲。根據(jù)復(fù)合紡絲的特點(diǎn)，設(shè)定PA 6與PET的螺桿加熱溫度稍有差異，當(dāng)PA 6與PET熔體經(jīng)過各自的計(jì)量泵進(jìn)入紡絲組件時(shí)，二者之間有一定的熱交換，各自溫度受到干擾，溫度的差異有逐漸減小的趨勢(shì)。經(jīng)試驗(yàn)，選擇PA 6熔體溫度為270 ℃、PET熔體溫度為280 ℃，紡絲正常，復(fù)合絲纖維中PA 6與PET界面明顯。

PA 6與PET熔體經(jīng)過各自的計(jì)量泵計(jì)量后，同時(shí)送入復(fù)合紡絲組件。復(fù)合絲箱體分為主箱體和副箱體，組件安裝在主箱體中，主箱體中為熔體溫度高的PET組分，副箱體中為PA 6 熔體。主副箱體有各自獨(dú)立的熱媒循環(huán)加熱系統(tǒng)，主副箱體工藝溫度有15～25 ℃的溫差，副箱體溫度會(huì)受到主箱體溫度的干擾，副箱體溫度受主箱體溫度影響較大時(shí)，將會(huì)影響副箱體中熔體的均勻性，從而影響復(fù)合纖維截面的穩(wěn)定性。在實(shí)際生產(chǎn)中，控制PET紡絲箱體熱媒溫度在287～290 ℃，PA 6紡絲箱體熱媒溫度在 270～275 ℃，紡絲及后拉伸過程均較穩(wěn)定。

2.4 冷卻條件

絲條冷卻條件對(duì)初生纖維的結(jié)構(gòu)和性能有很大影響，尤其是冷卻風(fēng)溫度和速度對(duì)紡絲過程的穩(wěn)定性和絲束的質(zhì)量影響很大。在皮芯型PA 6/PET復(fù)合短纖維的生產(chǎn)中采用環(huán)吹風(fēng)對(duì)絲束進(jìn)行冷卻，因PA 6紡絲存在單體排放，環(huán)吹風(fēng)速度應(yīng)盡可能高一些，以有利于單體的排放。但由于PA 6與PET皮芯徑向溫差的存在，芯部溫度較高的PET被皮層溫度較低的PA 6所包覆，較高速度冷卻時(shí)，芯部的冷卻往往不充分，芯皮層的拉伸將發(fā)生顯著的差異，而且冷卻速度過高，絲束明顯抖動(dòng)，絲束在紡絲甬道中容易產(chǎn)生并絲。試驗(yàn)表明，在皮芯型PA 6/PET復(fù)合短纖維的生產(chǎn)中，選擇環(huán)吹風(fēng)速度0.35 m/s為宜。

對(duì)于PA 6/PET復(fù)合短纖維的生產(chǎn)，環(huán)吹風(fēng)溫度對(duì)卷繞絲質(zhì)量的影響更為明顯。從表2可以看出：環(huán)吹風(fēng)溫度過低(17 ℃)，硬頭絲、斷頭明顯，生產(chǎn)中噴絲板更換率明顯增加；環(huán)吹風(fēng)溫度過高(23 ℃)，易引起毛絲、斷頭、并絲，并影響卷繞絲的質(zhì)量；環(huán)吹風(fēng)溫度為19～21 ℃時(shí)，紡絲正常，且溫度為21 ℃時(shí)卷繞絲的截面皮芯結(jié)構(gòu)更加均勻，拉伸性能好。因此，生產(chǎn)中選擇環(huán)吹風(fēng)溫度21 ℃、速度0.35 m/s、相對(duì)濕度為70%，可保證初生纖維內(nèi)外層絲條冷卻均勻，卷繞絲具有良好的截面結(jié)構(gòu)及拉伸性能。

表2 環(huán)吹風(fēng)溫度對(duì)PA 6/PET復(fù)合短纖維生產(chǎn)的影響Tab.2 Effect of circular air blow temperature on PA 6/PET composite staple fiber production

2.5 拉伸溫度

為使纖維能得到均勻拉伸，避免產(chǎn)生毛絲，拉伸溫度一般設(shè)在高聚物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)以上。PA 6、PET的Tg差別較大，PA 6的Tg為45 ℃左右，PET的Tg為68 ℃左右，前者的拉伸可以在室溫下進(jìn)行，后者則需要加熱才能進(jìn)行拉伸，因此，對(duì)于PA 6/PET復(fù)合短纖維來說，合理選擇拉伸溫度十分重要。實(shí)踐表明，PA 6/PET復(fù)合短纖維的可拉伸溫度可低于PET的Tg，這是因?yàn)镻A 6皮層在拉伸時(shí)能放出一定的熱量足以使PET芯層的溫度升高，以致接近或超過PET的Tg，故在生產(chǎn)PA 6/PET復(fù)合短纖維時(shí)設(shè)定油浴溫度為 60～70 ℃。

二道拉伸起補(bǔ)充拉伸和定型作用，使拉伸后纖維內(nèi)應(yīng)力部分松弛和分子結(jié)構(gòu)部分固定，因此，蒸汽箱溫度對(duì)纖維結(jié)構(gòu)及性能有一定影響。油浴拉伸以后的纖維夾雜著高彈形變，造成纖維內(nèi)應(yīng)力較高，需在較高溫度下才能消除，同時(shí)較高的溫度也有利于纖維結(jié)晶和取向的進(jìn)行，有利于強(qiáng)度的提高。但是，溫度太高，纖維大分子容易發(fā)生松弛而解取向，導(dǎo)致纖維強(qiáng)度下降。試驗(yàn)表明，控制油浴溫度60～70 ℃、蒸汽箱溫度123～128 ℃，纖維易于拉伸，毛絲少。

2.6 松弛熱定型溫度和時(shí)間

松弛熱定型的作用是消除纖維的內(nèi)應(yīng)力，提高纖維尺寸和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，進(jìn)一步提高纖維的力學(xué)性能。熱定型溫度過低，纖維結(jié)晶不完善；熱定型溫度過高，會(huì)出現(xiàn)絲條抖動(dòng)、 斷頭。但纖維經(jīng)過高溫處理后，應(yīng)急速冷卻，使纖維內(nèi)部的分子結(jié)構(gòu)快速固定下來。在PA 6/PET復(fù)合短纖維生產(chǎn)中，為了使PET部分能夠較快地冷卻,應(yīng)加大熱定型裝置中冷卻區(qū)的長(zhǎng)度或吹風(fēng)量。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，選擇熱定型溫度130 ℃、熱定型時(shí)間25 min，熱定型效果較好。

2.7 產(chǎn)品質(zhì)量

通過對(duì)主要工藝條件的優(yōu)化，選擇噴絲孔直徑0.28、長(zhǎng)徑比2.2，PET預(yù)結(jié)晶溫度165 ℃、主干燥溫度160 ℃，PA 6熔體溫度270 ℃，PET熔體溫度280 ℃，PET紡絲箱體熱媒溫度287～290 ℃，PA 6紡絲箱體熱媒溫度270～275 ℃，環(huán)吹風(fēng)溫度21 ℃、速度0.35 m/s、相對(duì)濕度70%，油浴溫度60～70 ℃，蒸汽箱溫度123～128 ℃，熱定型溫度130 ℃, 熱定型時(shí)間為25 min，生產(chǎn)2.85 dtex皮芯型PA 6/PET復(fù)合短纖維，生產(chǎn)穩(wěn)定且產(chǎn)品質(zhì)量好，纖維主要物理性能指標(biāo)見表3。

表3 皮芯型PA 6/PET復(fù)合短纖維的主要物理性能指標(biāo)Tab.3 Main physical index of sheath-core PA 6/PET composite staple fiber

3 結(jié)論

a.生產(chǎn)皮芯型PA 6/PET復(fù)合短纖維的關(guān)鍵是復(fù)合紡絲箱體和紡絲組件的設(shè)計(jì)、復(fù)合紡絲及后拉伸工藝條件的合理控制。

b.對(duì)于復(fù)合紡絲箱體，熔體從螺桿擠出機(jī)出口到噴絲板面之間的停留時(shí)間應(yīng)不超過12 min,噴絲孔的長(zhǎng)徑比應(yīng)大于2.0，試驗(yàn)選擇噴絲孔直徑為0.28 mm，長(zhǎng)徑比為2.2。

c.控制PET預(yù)結(jié)晶溫度為165 ℃，主干燥溫度為160 ℃，干燥時(shí)間為4 h，PET切片含水率為30 μg/g。

d.在生產(chǎn)2.85 dtex皮芯型PA 6/PET復(fù)合短纖維時(shí)，控制PA 6熔體溫度270 ℃，PET熔體溫度280 ℃，環(huán)吹風(fēng)溫度21 ℃、速度0.35 m/s、相對(duì)濕度70%，油浴溫度60～70 ℃，蒸汽箱溫度123～128 ℃，熱定型溫度130 ℃, 熱定型時(shí)間為25 min，生產(chǎn)穩(wěn)定且產(chǎn)品質(zhì)量好，纖維斷裂強(qiáng)度為3.77 cN/dtex，斷裂伸長(zhǎng)率為64.4%。