PTT短纖維工藝改進(jìn)研究

聞秀銀，路 廣，嚴(yán) 巖

(中國石化儀征化纖有限責(zé)任公司，江蘇儀征 211900)

PTT是由對苯二甲酸(PTA)和1,3丙二醇(PDO)縮聚而成。由于PDO的引入，使得纖維結(jié)構(gòu)上有了一個亞甲基-CH2-，從而纖維呈螺旋狀，這就是PTT纖維具有彈性的原因[1]。PTT纖維性能優(yōu)異，兼有滌綸、錦綸、腈綸的特性，不僅防污性能好，還具有易于染色、手感柔軟、富有彈性、色牢度好、耐紫外線、耐臭氧、吸水率低、干爽、挺括的特性[2]。與彈性纖維氨綸相比更易于加工，非常適合紡織服裝面料。

但PTT短纖維伸長較大、強(qiáng)度較低、彈性好，給后道紡紗帶來較大困難，如果卷曲性能過好或過差同樣不利于紡紗。通常纖維的斷裂伸長率25%～50%，強(qiáng)度>3.5 cN/dtex，卷曲數(shù)11～13個/25mm，卷曲度10%～12%，紡紗性能佳[3]。

洛陽石化的呂初旭曾對PTT短纖維的生產(chǎn)工藝進(jìn)行研究，但對纖維的性能指標(biāo)只字未提[4]；天津分公司的白燕芳也曾進(jìn)行過PTT短纖維工業(yè)化的生產(chǎn)工藝探討，研制的PTT短纖維的強(qiáng)度3.41 cN/dtex，伸長61.2%，卷曲數(shù)13.7個/25 mm，卷曲度13.5%，180 ℃干熱收縮率0.2%[5]，存在斷裂伸長大，斷裂強(qiáng)度低等一系列問題。儀化公司前期研發(fā)的1.56 dtex×38 mm規(guī)格的PTT纖維所紡制的紗線具有柔軟、白度高、彈性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也存在斷裂伸長大、斷裂強(qiáng)度相對較低、卷曲性能過好等問題給紡紗帶來困擾。

本文將通過調(diào)節(jié)前、后道紡絲和牽伸工藝的方式對PTT短纖維的生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行深入研究，對PTT短纖維的性能進(jìn)一步優(yōu)化，使其有利于后道用戶紡紗生產(chǎn)。

1 試 驗(yàn)

1.1 原料

PTT切片：美景榮公司生產(chǎn)，大有光。試驗(yàn)所用切片主要性能見表1。

表1 PTT切片物理性能指標(biāo)

1.2 儀器及設(shè)備

線密度儀，VIBROMAT M型，上海新纖儀器有限公司；纖維卷曲彈性儀，XCP-1A型，上海新纖儀器有限公司；纖維強(qiáng)伸度儀，XQ-1A型，上海新纖儀器有限公司；單纖維熱收縮儀，YG365A型，溫州際高檢測儀器有限公司；纖維比電阻儀，YG321D型，常州市華紡紡織儀器有限公司；干燥設(shè)備，BT-100型干燥轉(zhuǎn)鼓，北京中麗制機(jī)工程技術(shù)有限公司；中麗紡絲機(jī)，北京中麗制機(jī)工程技術(shù)有限公司；短纖后加工試驗(yàn)線，鄭州紡織機(jī)械有限公司。

1.3 工藝流程

切片干燥→單螺桿擠出機(jī)→紡絲箱體→冷卻→卷繞→絡(luò)筒→集束→牽伸→緊張熱定型→卷曲機(jī)→干燥→切斷→打包。

1.4 測試方法

1.4.1 線密度測試

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14335合成短纖維線密度試驗(yàn)方法對PTT短纖維的線密度進(jìn)行測試。溫度20 ℃,濕度65%。

1.4.2 卷曲測試

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14338合成短纖維卷曲性能試驗(yàn)方法對PTT短纖維的卷曲性能進(jìn)行測試。夾持距離20 mm，輕預(yù)加張力0.002 cN/dtex，重預(yù)加張力0.075 cN/dtex。

1.4.3 強(qiáng)伸測試

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14337合成短纖維斷裂強(qiáng)力及斷裂伸長試驗(yàn)方法對PTT短纖維的斷裂伸長率和斷裂強(qiáng)力進(jìn)行測試。預(yù)加張力0.15 cN/dtex，拉伸速度10 mm/min。

1.4.4 干熱收縮測試

根據(jù)紡織行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)FZ 50004滌綸短纖維干熱收縮率試驗(yàn)方法對PTT短纖維的干熱收縮率進(jìn)行測試。預(yù)加張力0.075 cN/dtex，熱處理溫度 160 ℃，熱處理時(shí)間30 min，熱處理后平衡時(shí)間30 min。

1.4.5 比電阻測試

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14342合成短纖維比電阻試驗(yàn)方法對PTT短纖維的比電阻進(jìn)行測試。測量在一定的形狀(6 cm×4 cm×2 cm)，具有一定密度的纖維的電阻值，再根據(jù)纖維的填充度換算成比電阻。溫度25 ℃，相對濕度25%，填充度0.23。

2 結(jié)果與討論

2.1 噴絲板選擇

聚合物熔體在噴絲孔中的流變行為對紡絲熔體的流動穩(wěn)定性極為重要。熔紡過程中，噴絲孔的孔徑選擇對PTT細(xì)旦絲的可紡性影響很大，孔徑過小，孔道中熔體彈性雷諾數(shù)加大，發(fā)生彈性湍流；孔徑過大，噴絲頭拉伸比增加，出現(xiàn)紡絲內(nèi)聚能破裂。同時(shí)，對于結(jié)晶快、特性黏度高的PTT聚酯，噴絲孔長徑比L/D應(yīng)盡量大，減少熔體出孔口的脹大現(xiàn)象，利于提高單絲的圓整度[6]。微孔半徑和長徑比對熔體出孔的影響見表2。

表2 微孔半徑和長徑比對熔體出孔的影響

從表2看噴絲板規(guī)格可以選為：微孔直徑0.25 mm、長度0.75 mm或者微孔直徑0.28 mm、長度1.12 mm。

2.2 螺桿溫度控制

對紡絲而言，盡量減少熔體在擠出機(jī)中的停留時(shí)間以減少黏度降的同時(shí)，保證熔體的流動性和黏度，從而達(dá)到合理的黏流狀態(tài)非常重要。PTT切片熔點(diǎn)為226 ℃，理想的熔融溫度應(yīng)介于248～260 ℃之間。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，對于單螺桿擠出機(jī)而言，過低或過高的熔融溫度均會導(dǎo)致黏度降異常升高。

熔融溫度與UDY斷裂伸長率/黏度降的關(guān)系見圖1。

圖1 熔融溫度與UDY斷裂伸長率/黏度降的關(guān)系

由圖1可以看出，合適的熔融溫度有一個特定的范圍。熔融溫度設(shè)定低于245 ℃時(shí)，UDY斷裂伸長率大幅下降，熔體非牛頓性增強(qiáng)，表現(xiàn)出更多的黏彈性，UDY破裂絲增多，難以紡絲；同時(shí)可以觀察到熔融溫度較低的情況下，UDY黏度降不降反升，這是因?yàn)榈蜏毓に囅?，切片熔程長，螺桿扭矩大，切片在擠出機(jī)腔體內(nèi)受螺桿的剪切作用力更強(qiáng)，反而導(dǎo)致切片的進(jìn)一步超剪切降解[7]。熔融溫度大于260 ℃ 時(shí)，UDY斷裂伸長率小幅度下降，黏度降大幅提高，可認(rèn)為260 ℃的熔融溫度達(dá)到了熔體的穩(wěn)定極限，進(jìn)一步提升工藝溫度不僅無法提高UDY的牽伸性能，還會導(dǎo)致聚合物快速降解，使纖維發(fā)黃，限制其使用范圍。

由此可見，合理的熔融溫度應(yīng)在255 ℃附近。另外，紡絲箱體和輸送管道溫度應(yīng)盡量接近該溫度，使熔體在輸送過程中達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。

2.3 冷卻成型工藝控制

為達(dá)到降低UDY結(jié)晶度與取向度，同時(shí)降低彈性纖維在紡絲通道中收縮的目的，在設(shè)定側(cè)吹風(fēng)工藝時(shí)，應(yīng)較PET側(cè)吹風(fēng)溫更低一些，通過快速冷卻來降低UDY整體取向度與結(jié)晶度。

側(cè)吹風(fēng)溫與UDY結(jié)晶度/線密度關(guān)系見圖2。

圖2 側(cè)吹風(fēng)溫與UDY結(jié)晶度/線密度的關(guān)系

由圖2可以看出，側(cè)吹風(fēng)溫越低，UDY的結(jié)晶度越低，線密度縮小程度越小?？梢哉J(rèn)為持續(xù)降低側(cè)吹風(fēng)溫有利于提高UDY的可牽伸性能。同時(shí)也可看出，側(cè)吹風(fēng)溫降低至18 ℃以下時(shí)，UDY的結(jié)晶度降低與線密度縮小程度明顯放緩，出于節(jié)能降耗和生產(chǎn)成本考慮，側(cè)吹風(fēng)溫選擇18 ℃左右。

2.4 UDY平衡時(shí)間控制

PTT作為彈性纖維，其UDY在形成過程中即具有一定的結(jié)晶和取向度，在未經(jīng)后加工處理的前提下，纖維內(nèi)部大分子含有大量未定型的彈性勢能。通過平衡來消除這部分彈性勢能，不僅有利于提高UDY的牽伸性能，也有利于維持不同批次成品纖維的尺寸均一。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，PTT原絲完全平衡約需5天時(shí)間，但實(shí)際上其尺寸變化在平衡初期短時(shí)間內(nèi)即達(dá)穩(wěn)定。因此，調(diào)節(jié)平衡時(shí)間的長短對于改善成品絲性能很有必要，平衡時(shí)間過短會導(dǎo)致同一桶原絲頭尾之間性能有差異；平衡時(shí)間過長則會影響生產(chǎn)排桶方案，降低生產(chǎn)效率。平衡時(shí)間對PTT原絲線密度的影響見表3。

從表3中可以看出，平衡時(shí)間12 h左右，PTT原絲的線密度已基本穩(wěn)定，故平衡時(shí)間控制在12 h以內(nèi)即可。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，干燥環(huán)境下與濕潤環(huán)境下UDY的平衡速度不一致，濕潤環(huán)境下的PTT原絲線密度在8 h左右即已基本穩(wěn)定，而干燥環(huán)境下的PTT原絲12 h仍無法完全平衡?？梢哉J(rèn)為濕潤的環(huán)境有利于加快PTT原絲的平衡速度，故UDY絲桶放置期間應(yīng)定時(shí)向其上層部分噴灑油劑，以達(dá)到保持濕潤的效果。

表3 平衡時(shí)間對PTT原絲線密度的影響

2.5 牽伸工藝控制

PTT纖維的牽伸工藝主要采用在PET牽伸工藝上進(jìn)行改良的方式，其根本出發(fā)點(diǎn)在于提高纖維的取向度、結(jié)晶度。纖維取向度、結(jié)晶度提高后，一方面隨分子鏈沿纖維軸向排列更加規(guī)整，纖維抵抗外力的能力增強(qiáng)；另一方面結(jié)晶結(jié)構(gòu)將使分子間作用力增大，限制小鏈段的活動能力，以達(dá)到降低纖維斷裂伸長率的目的。同時(shí)，PTT纖維與PET纖維本質(zhì)上是不同的，其Tc遠(yuǎn)低于PET，結(jié)晶速度快；原絲即具有相當(dāng)高的結(jié)晶度，相對于PET來說，其牽伸過程更傾向于纖維內(nèi)部晶格的完善而不是形成；PTT纖維在牽伸過程中受熱會軟化而不像PET纖維那樣迅速定型變硬，這就具有了多段牽伸的可能性。根據(jù)這些性質(zhì)，決定采用較溫和的牽伸工藝條件：比PET更低的牽伸速度；較低的牽伸/定型溫度；在保證第一段牽伸倍率充足的情況下，維持第二段牽倍不變，同時(shí)將第三牽伸輥與緊張熱定型之間的速比由小于1調(diào)整至大于1，充當(dāng)?shù)谌螤可?，總牽倍?shù)達(dá)到3.25×1.05=3.41，在舊工藝3.20的基礎(chǔ)上提高6.6%，且不纏輥、不斷頭，運(yùn)行穩(wěn)定。

3)參考1∶50 000 DLG數(shù)據(jù)庫，分區(qū)域分要素對1∶250 000 DLG數(shù)據(jù)庫進(jìn)行更新。具體更新順序?yàn)樗?、道路、居民地、境界。其中，道路要素采?∶50 000縮編到1∶250 000的方式進(jìn)更新，綜合取舍尺度參照1∶250 000本底數(shù)據(jù)；水系采用直接更新本底數(shù)據(jù)屬性的方式進(jìn)行更新，對新增和變化的圖形和屬性同時(shí)進(jìn)行更新；居民地更新依據(jù)GB/T 12343.1—2008 《國家基本比例尺地圖編繪規(guī)范 第2部分：1∶250 000地形圖編繪規(guī)范》進(jìn)行圖形和屬性的更新；境界數(shù)據(jù)更新直接使用1∶50 000數(shù)據(jù)，不進(jìn)行圖形綜合，以路為界和以河為界的作協(xié)調(diào)處理。

短纖的卷曲性能和卷曲風(fēng)格是影響纖維成紗質(zhì)量的重要參數(shù)，一般認(rèn)為纖維卷曲度為(13±2.5)%，卷曲數(shù)為(11±2.5)個/25 mm附近適宜成紗。短纖的二維卷曲由卷曲機(jī)帶來，而影響卷曲機(jī)運(yùn)行的因素有很多，從原絲質(zhì)量到卷曲工藝都對成纖卷曲性能有一定的影響。PTT纖維柔軟而有彈性，其模量大幅低于PET纖維，經(jīng)卷曲機(jī)后纖維卷曲細(xì)密，卷曲數(shù)往往高于預(yù)期。根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)，為得到合適的卷曲性能，卷曲工藝需進(jìn)行以下調(diào)整：

(1) 降低牽伸浴槽溫度，由46 ℃降低到43 ℃，減少毛絲現(xiàn)象。

(2) 降低第三牽伸輥溫度，由165 ℃降低到160 ℃，減少毛絲和纏輥，提高纖維強(qiáng)度。

(3) 降低緊張熱定型溫度，由170 ℃降低到165 ℃，防止過高的溫度引起纖維內(nèi)大分子的降解從而降低纖維強(qiáng)度。

(4) 關(guān)閉卷曲預(yù)熱箱，蒸汽加熱將會軟化絲束并降低纖維模量，同時(shí)蒸汽帶來的水分還對纖維有進(jìn)一步的塑化作用，這都是減少纖維卷曲度時(shí)應(yīng)盡量避免的。

(5) 降低卷曲機(jī)背壓，由0.25 MPa降低到0.10 MPa，減少毛絲卷曲箱內(nèi)卷曲輥與卷曲刀對絲束的作用力。

(6) 提高第三牽伸輥與緊張熱定型之間的速比，由0.96提高至1.05，充當(dāng)?shù)谌螤可欤M(jìn)一步提高纖維強(qiáng)度、降低斷裂伸長率。

最后經(jīng)過實(shí)驗(yàn)調(diào)整，確定的牽伸工藝參數(shù)見表4。

表4 牽伸工藝參數(shù)表

生產(chǎn)工藝改進(jìn)后，新工藝與舊工藝下PTT短纖性能指標(biāo)對比見表5。

表5 PTT短纖性能指標(biāo)對比

調(diào)整生產(chǎn)工藝后的生產(chǎn)運(yùn)行過程順利，所得1.56 dtex×38 mm規(guī)格圓形PTT纖維各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)良。新工藝所得成品絲的強(qiáng)度、模量、彈性回復(fù)率指標(biāo)分別較舊工藝提高了15%、11%、7%；成品絲的斷裂伸長率、卷曲數(shù)、卷曲度、干熱收縮率分別較舊工藝降低了20%、33%、35%、13%。

3 結(jié) 論

通過選用噴絲板的微孔直徑為0.25 mm，長度為0.75 mm或者微孔直徑為0.28 mm，長度為1.12 mm，螺桿溫度控制為255 ℃，側(cè)吹風(fēng)溫為 18 ℃ 左右，UDY平衡時(shí)間為12 h，降低第三牽伸輥溫度至160 ℃，降低緊張熱定型溫度至165 ℃，降低卷曲預(yù)熱箱溫度從100 ℃至常溫，降低卷曲機(jī)背壓至0.10 MPa，提高總牽倍至3.25，提高第三牽伸輥-緊張熱定型速比至1.05，經(jīng)過以上工藝的控制和改進(jìn)，生產(chǎn)運(yùn)行穩(wěn)定，成品絲各項(xiàng)物理性能指標(biāo)良好，能夠滿足后道用戶紡紗需求。由此可見，此次工藝改進(jìn)能夠有效地提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。