紡前著色高色牢度彩色復(fù)合超細(xì)纖維研究及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)

崔 河，郭永強(qiáng),2，李東波,2

（1.山東省化學(xué)纖維研究所；2.濰坊美珂新材料有限公司，山東 濰坊 261035）

1 概述

用傳統(tǒng)方法制造的剝離型超細(xì)[2]纖維必須再經(jīng)過(guò)染色，而且染色性能較差。雖然可以用分散性染料染色，但通常需要高溫高壓或載體存在的條件下才能進(jìn)行，對(duì)纖維損傷大、還使染色后的耐洗牢度和耐光牢度變差，染色色譜范圍比較窄，更為重要的是這些染色過(guò)程都會(huì)產(chǎn)生大量的三廢，嚴(yán)重污染環(huán)境[3]。另外為了解決超細(xì)纖維染色的深度淺和色牢度低等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外業(yè)界同仁作了大量卓有成效的研究與開(kāi)發(fā)工作，并取得很大進(jìn)展。研究者通過(guò)單體共聚、聚合物共混或嵌段共聚的方法來(lái)改變合成纖維的化學(xué)組織和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，達(dá)到易染色的目的。但該方法成本太高，對(duì)纖維材料的選擇面太窄，同樣也污染環(huán)境。

日本東麗公司研發(fā)了著色的海島型纖維[4]，該纖維是通過(guò)在共軛紡絲過(guò)程中加入有機(jī)或無(wú)機(jī)顏料制成的。但在這個(gè)方法中，由于在共軛紡絲時(shí)，有機(jī)或無(wú)機(jī)顏料被直接加入島組分聚合物中，所以分散程度不夠。采用生產(chǎn)海島型超細(xì)纖維的工藝方法，存在著一定的問(wèn)題：一是由于后道染整處理需要用大量的堿液來(lái)溶解海組分，因此會(huì)產(chǎn)生大量的工業(yè)廢水，由于廢水內(nèi)存在有大量較為穩(wěn)定的苯環(huán)，在工業(yè)上對(duì)其進(jìn)行徹底的處理及回收就較為困難，一旦處理不完全達(dá)標(biāo)就排放，會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染；二是由于海島纖維中海組分的比例在20%左右，要將這20%左右的海組分溶解掉后才能制得海島超細(xì)纖維，所以其原材料損耗比較大，生產(chǎn)的原料成本就偏高，不經(jīng)濟(jì)。

美國(guó)Hills司在20世紀(jì)末就開(kāi)展了原液染色超細(xì)纖維生產(chǎn)及產(chǎn)品應(yīng)用的研究工作，近幾年成功開(kāi)發(fā)出高色牢度彩色剝離型超細(xì)纖維，得到廣泛應(yīng)用，具有世界領(lǐng)先水平。

近年來(lái)，我國(guó)復(fù)合超細(xì)纖維的生產(chǎn)技術(shù)得到了快速發(fā)展，在差別化纖維中占有相當(dāng)高的比重。但是，在解決超細(xì)纖維染色的深度淺和色牢度低等問(wèn)題上與國(guó)外相比 尚有一定差距。2007年，某公司研究了“原液染色合成革的制造方法”，該方法中使用了著色的海島型超細(xì)纖維作為合成革基布。利用原液紡絲制造高色牢度彩色超細(xì)纖維的技術(shù)幾乎為空白。因此，這就迫切需要對(duì)彩色母粒及高色牢度彩色超細(xì)纖維制備技術(shù)進(jìn)行不斷創(chuàng)新與發(fā)展，為市場(chǎng)提供技術(shù)先進(jìn)、功能優(yōu)良、工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、易于工業(yè)化的生產(chǎn)技術(shù)，以促進(jìn)紡織工業(yè)持續(xù)發(fā)展，滿(mǎn)足功能性高檔紡織品加工的需求。

2 試驗(yàn)

2.1 項(xiàng)目使用的原料 、設(shè)備（見(jiàn)表1、表2）

表1 實(shí)驗(yàn)原料

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

2.2 工藝路線(xiàn)

高色牢度彩色復(fù)合超細(xì)纖維生產(chǎn)工藝（如圖1）。

圖1 工藝路線(xiàn)圖

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)小試品種（見(jiàn)表3）、中試品種（見(jiàn)表4）。

表3 小試品種

表4 中試品種

3 結(jié)果與討論

3.1 色母粒的干燥

由于色母粒加入比例很小，不適合用較大的設(shè)備進(jìn)行干燥，而色母粒的干燥又十分關(guān)鍵，彩色復(fù)合超細(xì)纖維生產(chǎn)中要求滌綸干燥水分在30ppm以下，錦綸干燥水分在小于100ppm以下，因色母粒的添加量較少，因此色母粒的干燥水分在100ppm左右，即能滿(mǎn)足要求。

色母粒中含有顏料、分散劑，其熔點(diǎn)很低，干燥中極易軟化、粘連、變色、掉色，影響顏色的準(zhǔn)確性、色牢度，為此必須小心、謹(jǐn)慎。我公司選用兩種小型干燥設(shè)備進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)表5）。

表5 干燥工藝

從以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出，隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng)干燥后的水分逐漸下降，但用普通熱風(fēng)循環(huán)烘箱，盡管干燥30小時(shí)也達(dá)不到小于100ppm的紡絲要求，而采用自制通入干空氣的熱風(fēng)循環(huán)烘箱僅12小時(shí)就基本滿(mǎn)足要求，因此我公司采用自制通入干空氣熱風(fēng)循環(huán)烘箱可滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。

3.2 紡絲中色差的控制

彩色復(fù)合超細(xì)纖維生產(chǎn)中最易出現(xiàn)的問(wèn)題是染色不均勻，出現(xiàn)色差。由于色母粒的比重、粒度與原料切片不同，很難混合均勻，下料時(shí)易出現(xiàn)色母粒局部集中下料，造成纖維局部過(guò)深產(chǎn)生色差或螺桿飛車(chē)，為此我公司對(duì)色母粒的加料裝置進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)研究。選擇了三種裝置進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，一種是上海小螺桿式、一種是天津愛(ài)尼機(jī)電公司羅盤(pán)體積注入式、還有一種是日本松井重量注入式。對(duì)比結(jié)果如下：

3.2.1 上海小螺桿注入式

通過(guò)改變注入位置、注入口角度可確保色母粒按比例地準(zhǔn)確注入，這是目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)色絲普遍采用的方式，但作為生產(chǎn)彩色復(fù)合超細(xì)纖維卻極易產(chǎn)生色差。由于小螺桿喂料量是隨時(shí)根據(jù)下料的重量按比例加入，沒(méi)有色母粒與原料切片的充分混合過(guò)程，僅僅依靠螺桿熔融加熱混合，極難混合均勻而產(chǎn)生色差。

3.2.2 天津愛(ài)尼機(jī)電公司羅盤(pán)體積注入式

本裝置解決了色母粒與原料切片的充分混合過(guò)程，又經(jīng)過(guò)螺桿熔融加熱混合，混合均勻、不易產(chǎn)生色差。但操作麻煩，需要將每種色母粒在加熱的狀態(tài)下，將羅盤(pán)孔體積人工稱(chēng)出重量，換算成重量再進(jìn)行充分混合，人工稱(chēng)量多一道工序，易產(chǎn)生稱(chēng)量誤差，很難保證精確的比例，易造成批與批之間的色差。

3.2.3 日本松井重量注入式

日本松井重量注入裝置很科學(xué)，本身自帶稱(chēng)量裝置，計(jì)量準(zhǔn)確，且能保證色母粒與原料切片的充分混合，混合時(shí)間可自行設(shè)定，作為生產(chǎn)彩色復(fù)合超細(xì)纖維非常合適。

3.3 復(fù)合紡絲組件的選擇、過(guò)濾介質(zhì)的配比

3.3.1 復(fù)合紡絲組件的選擇

彩色復(fù)合超細(xì)纖維是單根纖維中含有兩種成分，兩種成分按不同比例復(fù)合在同一根纖維上，在以后的加工中，同一根纖維還要?jiǎng)冸x分裂成八分之一或更多，才能制成超細(xì)纖維，且要求在加彈過(guò)程和制成織物的過(guò)程中不剝離分裂，制成織物以后再剝離分裂成為超細(xì)纖維，這個(gè)過(guò)程很復(fù)雜，要求非常高，為此選擇復(fù)合紡絲組件很重要。

我公司采用的是世界上最先進(jìn)的日本卡森化纖設(shè)備制造公司生產(chǎn)的滌錦復(fù)合專(zhuān)用組件，將兩種不同熔點(diǎn)的熔體準(zhǔn)確的復(fù)合在同一根纖維上，且復(fù)合截面的兩種熔體接觸之界面清晰，剝離分裂性能好，制成的超細(xì)纖維性能優(yōu)越。

3.3.2 過(guò)濾介質(zhì)的配比

由于色母粒中顏料、分散劑粒子紡絲時(shí)易造成單絲斷裂，產(chǎn)生飄絲、毛絲等，如何將顏料均勻分散在纖維中，選擇組件前的過(guò)濾介質(zhì)及過(guò)濾砂配比很重要。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)我們選擇20、40目，40、60目，60、80目金屬砂對(duì)各種金屬砂不同重量的合理搭配，其過(guò)濾性能好，過(guò)濾后的顏料粒子微細(xì)、分散均勻性好，可以滿(mǎn)足彩色復(fù)合超細(xì)纖維的要求。

3.4 紡絲工藝參數(shù)的確定

3.4.1 紡絲溫度對(duì)比（見(jiàn)表6）

表6 常規(guī)超細(xì)纖維與彩色超細(xì)纖維紡絲溫度對(duì)比

3.4.2 紡絲溫度的確定

由于色母粒熔點(diǎn)較低加入色母粒生產(chǎn)超細(xì)纖維色絲時(shí)一定要控制好紡絲溫度，一般溫度要比白絲低一些，從圖2中可以看出，棕色彩色纖維中滌綸的熔融轉(zhuǎn)變溫度為258.52℃，錦綸的熔融轉(zhuǎn)變溫度為230.53℃，兩者相差28℃，為了使彩色超細(xì)纖維有良好的可紡性和較適宜的剝離性，選擇紡絲溫度時(shí)應(yīng)掌握：PA6熔融溫度應(yīng)略高，而PET的熔融溫度略低，以使兩種熔體進(jìn)入主箱體時(shí)溫度偏差縮小，因此兩高聚物熔體溫度的控制十分關(guān)鍵，從復(fù)合紡絲實(shí)驗(yàn)中得出經(jīng)驗(yàn)：PA6在比其熔點(diǎn)高40℃，PET在比其熔點(diǎn)高30℃，兩種熔體的溫差最好在20℃左右可紡性和剝離性良好，最好的方法是通過(guò)顯微鏡觀(guān)察其截面的情況為判斷其選用的熔體溫度是否合適。

圖2 棕色滌錦復(fù)合超細(xì)纖維dsc熱分析譜圖

3.4.3 油劑濃度及含油率（見(jiàn)表7）

表7 油劑濃度及含油率

由于色母粒的加入，染料粒子對(duì)聚酯高分子鏈的內(nèi)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻力，從而使大分子鏈的柔性變差、鋼性增加、導(dǎo)致單根纖維手感發(fā)硬、絲束間抱合性差、絲束發(fā)散最終導(dǎo)致DTY加工時(shí)易產(chǎn)生毛絲、斷頭現(xiàn)象，因此在紡彩色超細(xì)纖維時(shí)應(yīng)適當(dāng)提高油劑濃度增加集束性，適當(dāng)提高上油量改善含油均勻性。經(jīng)多次試驗(yàn)確定POY的油劑濃度控制在11%，含油率控制在0.57%左右性能良好。

3.4.4 冷卻成形的控制

上油豎直方向集束位置變化對(duì)原絲伸長(zhǎng)不勻率的影響（見(jiàn)表8）。

表8 豎直方向集束位置變化對(duì)原絲伸長(zhǎng)不勻率的影響

上油水平方向集束位置變化對(duì)原絲伸長(zhǎng)不均率的影響（見(jiàn)表9）。

表9 水平方向集束位置變化對(duì)原絲伸長(zhǎng)不均率的影響

側(cè)吹風(fēng)風(fēng)速對(duì)原絲強(qiáng)度的影響（見(jiàn)表10）。

表10 風(fēng)速對(duì)原絲強(qiáng)度的影響

冷卻成形條件是控制條干均勻性和染色均勻的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，這里主要控制上油集束位置和側(cè)吹風(fēng)風(fēng)速、溫度及風(fēng)濕。

上油集束位置：豎直方向（離噴絲板的距離）保持在1.2m-1.4m較合適；水平方向（離側(cè)吹風(fēng)窗距離）保持在220-230mm較合適；風(fēng)速0.4m/s-0.5m/s,風(fēng)溫18℃-20℃，風(fēng)濕70%-80%較合適。

冷卻成形條件控制得當(dāng)，復(fù)合熔體細(xì)流冷卻充分、絲條凝固點(diǎn)固定、初生絲條條干均勻、圓態(tài)度好、彩色纖維均勻性好。

3.4.5 加彈工藝?yán)毂稊?shù)的選擇（見(jiàn)表11）由于色母粒的加入，使POY強(qiáng)度低、伸度增大給拉伸加捻工序帶來(lái)了困難。拉伸倍數(shù)過(guò)低時(shí)造成拉伸不均勻，易造成色差僵絲。拉伸倍數(shù)過(guò)高時(shí)，毛絲斷頭增多而影響DTY產(chǎn)品質(zhì)量，所以選擇合適的拉伸倍數(shù)對(duì)彩色超細(xì)纖維的生產(chǎn)是非常關(guān)鍵的，經(jīng)試驗(yàn)后認(rèn)為后拉伸倍數(shù)選擇在1.60-1.63之間比較合適。

表11 拉伸倍數(shù)選擇

3.4.6 彩色超細(xì)纖維顏料粒子分散性能分析

從圖3、圖4兩個(gè)掃描電鏡圖中均可以看出，復(fù)合彩色超細(xì)纖維兩種組分明顯的待剝離狀態(tài)。

圖3 復(fù)合超細(xì)纖維縱向電鏡圖

圖4 復(fù)合超細(xì)纖維截面電鏡圖

從圖4纖維截面來(lái)看，顏料顆粒均勻地分散于纖維內(nèi)部，看不到明顯的顏料顆粒及其聚集。

由于普通染色為織物后整理染色，經(jīng)多次洗滌后易掉色，染色牢度低，而本項(xiàng)目研制的高色牢度彩色超細(xì)纖維，由于顏料顆粒均勻地熔入于纖維內(nèi)部，經(jīng)多次洗滌后顏料粒子不可能洗掉，從而不掉色，色牢度可達(dá)4級(jí)以上。

4 項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)

本項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)為開(kāi)發(fā)一種原液著色生產(chǎn)高色牢度彩色滌錦復(fù)合超細(xì)纖維及剝離型共軛紡絲制造方法，以解決傳統(tǒng)超細(xì)纖維不宜染深色、染色后耐洗牢度和耐光牢度變差、色譜范圍較窄等問(wèn)題，重要的是消除了纖維染色給環(huán)境造成的嚴(yán)重污染。

4.1 原液著色滌錦復(fù)合超細(xì)纖維及剝離型共軛紡絲方法；產(chǎn)品填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白，已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利。

4.2 線(xiàn)密度（纖度）：167dtex/72F-16P，單絲纖度0.1-0.2dtex，僅為普通纖維的1/20。

4.3 解決了顏料粒子細(xì)度及分散，工業(yè)化生產(chǎn)高色牢度彩色剝離型超細(xì)纖維，自行研制的通入除濕干空氣小型熱風(fēng)循環(huán)干燥裝置，節(jié)約能源，非常適用于色母粒的干燥，屬?lài)?guó)內(nèi)首創(chuàng)。

4.4 超細(xì)纖維織物色牢度≥4級(jí)。

5 產(chǎn)品主要指標(biāo)

纖維指標(biāo)（見(jiàn)表12）。

表12 纖維指標(biāo)

6 結(jié)論

6.1 系統(tǒng)分析了色母粒干燥、色母粒注入方式、復(fù)合紡絲組件及過(guò)濾介質(zhì)等對(duì)可紡性及彩色復(fù)合超細(xì)纖維色差等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的影響，并確定了合適的方式及參數(shù)。

6.2 詳細(xì)分析了紡絲溫度、上油率、冷卻成型條件對(duì)纖維質(zhì)量的影響，確定了合適的紡絲工藝參數(shù)。

6.3 通過(guò)熱分析手段，確定紡絲溫度參數(shù)，并應(yīng)用掃描電鏡準(zhǔn)確、直觀(guān)地反應(yīng)出顏料粒子在纖維中的均勻分布形態(tài)。6.4 高色牢度彩色超細(xì)纖維產(chǎn)品經(jīng)省級(jí)權(quán)威機(jī)構(gòu)檢測(cè)，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到合同要求。