聚酰亞胺長絲上漿工藝與漿紗性能

賀夢娟, 湯靜麗，黃莉茜, b

(東華大學 a. 紡織學院；b. 紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室，上海 201620)

聚酰亞胺(polyimide, PI)具有優(yōu)異的耐熱性能、力學性能和介電性能，廣泛應用于航空航天、電子電工、汽車等行業(yè)中[1-2]。聚酰亞胺纖維作為一種高性能纖維也取得了較大的發(fā)展。近年來涌現(xiàn)出大量PI短纖的研究報道和相關(guān)產(chǎn)品(如高溫濾袋、阻燃服、防護服等)[3-5]，而針對PI長絲的研究報道還較少。筆者課題組前期試驗發(fā)現(xiàn)，PI長絲在織造過程中存在靜電現(xiàn)象嚴重、易于飛絲等問題，致使織造開口不清且布面產(chǎn)生疵點，嚴重影響織物的織造進程和布面質(zhì)量。因此，有必要對PI長絲進行上漿處理以解決上述問題。

聚丙烯酸酯類漿料屬于丙烯酸類漿料，從環(huán)保角度考慮，丙烯酸類漿料被視為聚乙烯醇(polyvinyl alcohol, PVA)的一個有效替代品，具有很好的發(fā)展前景[6-7]。聚丙烯酸酯漿料對疏水性纖維的黏附力較好，且漿膜柔順，水溶性和退漿性能好[8]。20世紀90年代以來，聚丙烯酸酯漿料不斷被開發(fā)、研制并應用于生產(chǎn)實踐，其黏附性、吸濕再黏性都得到了較大的改善，且近年來研究人員成功研制出固體聚丙烯酸酯粉末，使得調(diào)漿使用更為方便[9]。沈永紅等[10]用聚丙烯酸酯漿料取代原配方中的PVA對滌棉混紡紗進行上漿，結(jié)果表明，使用聚丙烯酸酯漿料上漿所得的漿紗性能可滿足高密滌棉織物的織造需求。李強[11]用聚丙烯酸酯漿料對碳纖維經(jīng)紗進行上漿，并用其進行織造獲得了表面光滑平整的碳纖維布。嚴燕鈁[12]用聚丙烯酸酯復配漿料對本身不易上漿的玄武巖紗線進行上漿，結(jié)果表明，漿料能有效滲透和披覆玄武巖纖維，使得玄武巖紗線的可織性得到較大改善。薛穎等[13]用聚丙烯酸酯漿料對遠紅外中空滌綸紗線進行上漿試驗，結(jié)果表明，漿紗的各項性能都有所提高。

選用聚丙烯酸酯漿料對PI長絲進行上漿試驗，在分析聚丙烯酸酯漿料基本性能的基礎(chǔ)上，優(yōu)化PI長絲的上漿工藝，并對PI漿紗性能和退漿性能進行評價分析，最后采用PI漿紗進行織造。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

TS-3900AA-2型聚丙烯酸酯合成漿料(蘇州天意達化工有限公司提供)；PI長絲(6.88 tex/40 f)。

1.2 聚丙烯酸酯漿料性能測試

1.2.1 黏度波動率

配制含固率為15%的漿液，在Brookfield DVII型黏度計上測定漿液黏度。用水浴鍋加熱漿液至70 ℃，保溫30 min，測量漿液的黏度，再將漿液在70 ℃持續(xù)保溫，每隔30 min測試漿液的黏度，共測試6次，后5次測量的黏度值極差與第1次測得的黏度值的比值即為漿液的黏度波動率[14]。

1.2.2 漿膜性能測試

將含固率為15%的漿液慢慢倒在玻璃板上，并用玻璃棒輕輕來回移動，使?jié){液鋪滿玻璃板，24 h后自然干燥成膜。將漿膜邊緣潤濕并從玻璃板上剝下，即制得備用的漿膜。

漿膜水溶性測試。將漿膜裁剪成長50 mm、寬10 mm的長條，在長度方向的中間處劃一條線作為標記。用已知質(zhì)量的夾子分別夾住漿膜條的上、下兩端，然后將漿膜浸入80 ℃的水中，待漿膜中間的劃線與水平面重合時開始計時，試驗過程中始終保持劃線與水平面重合，直至浸在水中的一半漿膜斷裂時結(jié)束，秒表顯示的時間即為此次試驗漿膜的水溶時間，測量10次求取平均值[15]。

漿膜力學性能測試。將漿膜裁剪成長50 mm、寬2 mm的條形試樣，采用XQ-1C型纖維強伸度儀測量薄膜的斷裂強力F和伸長率，測試20次取平均值，再根據(jù)式(1)計算漿膜的平均強度σ[16]。其中漿膜厚度d采用EC-770型厚度儀進行測量，測量20次取平均值。

(1)

漿膜吸濕率測試。取含固率為15%的漿膜置于100 ℃的烘箱中，烘至恒重后將其放入恒溫恒濕室里，調(diào)濕處理24 h后取出并測其質(zhì)量，再代入式(2)計算漿膜的吸濕率G。重復該測試過程3次，取計算結(jié)果的平均值。

(2)

式中：mj1為漿膜吸濕后的質(zhì)量，g；mj0為漿膜干燥的質(zhì)量，g[17]。

1.3 PI長絲上漿工藝的優(yōu)化

為達到最好的上漿效果，選取漿液含固率、漿槽溫度、車速3個影響上漿效果的主要工藝參數(shù)進行工藝優(yōu)化，并參照實際生產(chǎn)中常用的參數(shù)值將試驗的具體工藝參數(shù)水平設置為：漿液含固率，12%、15%、18%、20%；漿紗溫度，20、50、70 ℃；漿紗車速，80、90、100 m/min。采用單因素分析法對上述上漿工藝參數(shù)進行優(yōu)化。漿紗試驗在GA 392型全電子式單紗上漿機上完成。

1.4 漿紗性能測試與分析

1.4.1 增強率和減伸率

將上漿后的PI紗線在標準環(huán)境下調(diào)濕平衡24 h，采用XL-1A型紗線強力測試儀測試漿紗的斷裂強度和伸長率。拉伸隔距為250 mm，速率為250 mm/min，預加張力為0.1 cN/dtex。采用同樣的方法測試原PI紗線的斷裂強度與伸長率，分別測試20次，計算結(jié)果取平均值。

漿紗的增強率Q和減伸率ε[13]的計算式為

(3)

(4)

式中：σ0和σ1分別為原紗和漿紗的斷裂強度，cN/tex；L0和L1分別為原紗和漿紗的斷裂伸長，mm。

1.4.2 上漿率

漿紗上漿率是評價漿紗質(zhì)量好壞的重要指標之一。測試方法為卷繞相等長度的原紗和漿紗，在80 ℃烘箱中烘干兩種紗線至恒重，稱量得到干燥漿紗的質(zhì)量my1(g)和原紗的質(zhì)量my0(g)[17]。根據(jù)式(5)計算上漿率s，每種樣品做3組試驗并取平均值。

(5)

1.4.3 回潮率

漿紗回潮率是指漿紗含水量與漿紗干燥質(zhì)量比值?；爻甭室彩呛饬繚{紗質(zhì)量好壞的指標，回潮率過大在織造中會導致開口不清，過小則會造成經(jīng)紗的脆斷頭。先將漿紗在標準環(huán)境下調(diào)濕24 h，稱取濕漿紗的質(zhì)量，再將這部分漿紗在80 ℃烘箱中烘干至恒重，稱量得到濕漿紗的質(zhì)量my2(g)和干燥漿紗的質(zhì)量my1(g)[18]，重復3組試驗并取平均值。回潮率w根據(jù)式(6)進行計算。

(6)

1.4.4 退漿效果評定

常見的退漿工藝有堿退漿、酸退漿和酶退漿3種。文獻[19]指出聚丙烯酸酯類漿料在80 ℃熱水中即可達到較好的退漿效果，文獻[20-21]指出聚丙烯酸酯類漿料在退漿時應控制pH值為8.0～8.5，且在熱堿作用下漿料溶解度有所增大，促使?jié){膜膨化從而易于脫離纖維。采用水浴加熱分別進行熱水和熱堿液退漿試驗，其中：熱水退漿條件為溫度80 ℃、時間8 h；熱堿液退漿條件為NaOH質(zhì)量濃度6 g/L，溫度80 ℃，時間1、2、4 h。紗線退漿后再用清水反復沖洗，烘干后調(diào)濕平衡。采用TM 3000型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察退漿后紗線和漿膜的形態(tài)以評定退漿效果。

1.4.5 漿紗與退漿后紗線的表面形態(tài)

將PI漿紗與經(jīng)不同工藝退漿后的PI紗線先在標準環(huán)境下調(diào)濕24 h，再使用TM 3000型SEM觀察聚酰亞胺長絲外包裹的聚丙烯酸酯漿膜形態(tài)。

2 結(jié)果與討論

2.1 漿料性能

聚丙烯酸酯漿料性能的測試結(jié)果如表1所示。由表1可知：聚丙烯酸酯漿液的流動性較好，屬于低黏漿料，易于上漿。加熱時漿液的黏度波動率僅為5.26%，說明漿液熱穩(wěn)定性較好。此外，漿膜的水溶速率較快，有利于退漿，自然成膜時的漿膜吸濕率為2.95%，有助于減輕織造過程中的靜電現(xiàn)象。在此狀態(tài)下，漿膜強度良好且有一定的延伸性，有利于提高紗線的耐磨性，從而提高織造效率。

表1 聚丙烯酸酯漿料基本性能測試結(jié)果

2.2 聚酰亞胺長絲上漿工藝優(yōu)化

當控制車速為90 m/min、漿槽溫度為20 ℃時，不同漿液含固率下得到的漿紗強度測試結(jié)果如表2所示。由表2可知，漿紗強度隨漿液含固率的增大呈先增大后減小的趨勢，并且在含固率為15%時達到最大值。這是由于15%含固率配方的漿液能更加均勻地滲透到PI紗線的內(nèi)部，增大纖維之間的抱合力。因此確定漿液含固率15%為最佳水平。

表2 不同漿液含固率下紗線強度的測試結(jié)果

(續(xù)表2)

當控制漿液含固率為15%、漿槽溫度為20 ℃時，不同車速下得到的漿紗強度測試結(jié)果如表3所示。由表3可知，在車速為90 m/min時，漿紗的增強率達到最大值。車速除了影響漿紗的強度外，對漿紗的外觀和斷頭率也有一定程度的影響。車速為80 m/min時，紗線上漿不均勻，拉伸時纖維斷裂的不同時性較大，因此紗線強度較??；車速為100 m/min時，紗線在上漿過程中受到的牽伸力過大，拉伸導致上漿過程紗線斷頭率增加。因此確定最佳漿紗車速為90 m/min。

表3 不同車速下紗線強度測試結(jié)果

當控制含固率為15%、漿紗車速為90 m/min時，不同漿槽溫度下得到的漿紗強度測試結(jié)果如表4所示。由表4可知，隨著溫度的增加，紗線強度增大，伸長率減小，當溫度為70 ℃時增強率達到最大值，說明隨著漿紗溫度提高，漿料能夠更加均勻地滲透到紗線內(nèi)部，可提高纖維間的黏結(jié)力。在實際生產(chǎn)中，70 ℃屬中高溫漿液，需要高溫煮漿，還需要加熱漿槽，而50 ℃為中溫漿液，采用中溫煮漿，且漿槽可不加熱[17]?？紤]到PI長絲經(jīng)70與50 ℃上漿后的紗線性能差異不大，為節(jié)能并降低生產(chǎn)成本，將漿槽溫度設置為50 ℃。

表4 不同漿槽溫度下紗線強度測試結(jié)果

綜上，確定聚丙烯酸酯漿料對PI紗線上漿的最佳工藝為漿液含固率15%、漿槽溫度50 ℃、車速90 m/min。此工藝下PI漿紗與原紗的各項性能如表5所示。計算得出，上漿后PI紗線的增強率和減伸率分別為16.98%和3.40%，上漿率為8.6%，且紗線回潮率明顯增大。與原紗相比，PI漿紗在織造過程中穿經(jīng)順利，纖維的靜電和飛絲現(xiàn)象得到明顯改善，并且織造開口清晰(見圖1)，順利完成了樣品的織造。

表5 PI原紗與漿紗的性能

圖1 PI原紗與漿紗上機織造的開口情況

PI聚合物大分子鏈以穩(wěn)定性極高的酰亞胺環(huán)為特征結(jié)構(gòu)，由于其絕緣性能良好(表面電阻為1015～1020Ω)，導致PI在使用過程中積累的電荷不易消散。PI原紗較低的回潮率(0.93%)致使其本身存在靜電現(xiàn)象，并且PI原紗結(jié)構(gòu)松散，在穿經(jīng)和織造過程中，PI紗線與金屬器件的反復摩擦會加劇靜電現(xiàn)象，導致紗體外層因摩擦作用而斷裂的纖維飄浮于紗體之外成為飛絲，這些飛絲糾纏在一起會影響織造的順利進行并在布面上形成疵點。聚丙烯酸酯漿料具有黏度低、流動性好的特點，在本文確定的最佳上漿工藝下能夠有效滲透到PI紗體中，能夠增加纖維之間的黏附力，并在PI紗體外形成吸濕性良好、強度高且完整包覆的漿膜，可有效解決PI紗線織造過程中存在的靜電現(xiàn)象嚴重、易于飛絲等問題。

2.3 漿紗表面形態(tài)與退漿性能

原紗與漿紗的表面形貌如圖2所示。其中，漿紗工藝條件為：漿液含固率15%、漿槽溫度50 ℃、車速90 m/min。從圖2可以看出，PI原紗結(jié)構(gòu)松散，上漿后漿紗表面的漿膜平滑連續(xù)，紗體被漿膜完整包覆。整體來看，TS-3900AA-2型聚丙烯酸酯合成漿料性能較為優(yōu)異，與PI長絲的黏附性較好，且可在PI長絲表面形成連續(xù)平整的漿膜，有利于提高PI長絲的強度和織造性能。

(a) PI原紗 (b) PI漿紗放大500倍 (c) PI漿紗放大1 000倍

退漿后紗線和纖維表面的SEM圖如圖3所示。從圖3可以看出，80 ℃熱水退漿8 h只能使包覆在紗線外的漿膜部分溶解，而單絲間沒有完全分離，單根纖維上還明顯存在很多包覆的漿膜。熱堿退漿的效果明顯優(yōu)于熱水退漿，退漿后絲束單絲間分離效果良好。熱堿退漿1 h后纖維外仍然有大片未脫落的漿膜碎片；2 h后漿膜基本完全脫落，只有部分殘留的漿膜碎片附著在纖維上，纖維結(jié)構(gòu)并沒有被堿液破壞，仍然能夠保證PI纖維的優(yōu)異性能。但當熱堿退漿時間超過2 h時，纖維表面很快被堿液刻蝕，PI纖維本身的結(jié)構(gòu)遭到破壞。綜上所述，利用熱堿液處理2 h可以達到較好的退漿效果，且可以確保纖維表面不被堿液刻蝕。

(a) 80 ℃熱水退漿8 h (b) 堿退漿1 h (c) 堿退漿2 h (d) 堿退漿4 h

3 結(jié) 論

(1) 聚丙烯酸酯漿料各項性能良好，漿液流動性和穩(wěn)定性好，易于成膜。漿膜強度良好，有一定的延伸性，有助于提高紗線的耐磨性和織造效率。

(2) 聚丙烯酸酯漿料對聚酰亞胺長絲的最佳上漿工藝條件為漿液含固率15%、漿槽溫度50 ℃、車速90 m/min。在此工藝條件下，聚丙烯酸酯漿料能夠滲透到聚酰亞胺紗體內(nèi)部，增加纖維間的黏附力，并在紗體外形成完整包覆的漿膜。

(3) 聚酰亞胺漿紗性能優(yōu)異，強度為98.26 cN/tex，伸長率為14.08%，增強率和減伸率分別為16.98%和3.40%。漿紗的上漿率為8.6%，回潮率為3.5%。與原紗相比，聚酰亞胺漿紗在織造過程中穿經(jīng)順利，靜電和飛絲現(xiàn)象都得到明顯改善，并且織造開口清晰，能夠保障織造的順利進行。

(4) 熱堿退漿后，聚酰亞胺漿紗的結(jié)構(gòu)明顯松解，漿膜退去。當控制退漿時間為2 h時聚酰亞胺纖維不會被堿液刻蝕，保持了聚酰亞胺纖維本身優(yōu)異的性能。