三角三孔中空聚丙烯纖維的制備工藝及性能研究

曹強(qiáng)＊，王天麟，史賢寧，邱志成，馬肖

(1.中紡院（天津）科技發(fā)展有限公司 天津 301700；2. 中國(guó)紡織科學(xué)研究院有限公司生物源纖維制造技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100025）

隨著生活水平的不斷提高，臃腫、厚重等傳統(tǒng)保暖材料已經(jīng)無(wú)法滿足消費(fèi)者的需求，進(jìn)而研發(fā)人員開(kāi)始研究更加輕薄、舒適、健康、美觀的新型保暖材料，如超細(xì)纖維、異形中空纖維，發(fā)熱纖維還有涂層技術(shù)、變相材料等都被廣泛應(yīng)用于保暖材料中[1]。中空纖維的保暖性主要取決于纖維間保持的靜止空氣，靜止空氣的導(dǎo)熱系數(shù)為0.026［W/（m·℃）］[2]，導(dǎo)熱系數(shù)越小，纖維集合體的保暖性越強(qiáng)。

PP（聚丙烯）纖維由于密度小，大約為0.9～0.92 g/cm3，是所有化學(xué)纖維中質(zhì)量最輕的，其原料來(lái)源廣，價(jià)格便宜，物理性能較好，導(dǎo)熱系數(shù)非常小，與其他化學(xué)纖維相比，它的電絕緣性和保暖性較好，不霉不蛀[2]，非常適合于保暖纖維的應(yīng)用。在服用和裝飾用的情況下，市場(chǎng)上一般中空纖維中空度大約為5%～30%左右，這是因?yàn)檫^(guò)小中空度（＜5%）無(wú)法體現(xiàn)中空纖維的性能，而過(guò)大中空度（＞30%）在外壓下容易發(fā)生變形[3]。

東華大學(xué)[4]于上世紀(jì)90年代在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)始四孔、七孔等多孔中空纖維的研究，取得專利技術(shù)，但圓孔中空纖維抗壓扁能力較差，隨著使用過(guò)程中的反復(fù)壓縮等機(jī)械作用，中空纖維的中空度不斷下降，持久性不高[5]。

國(guó)內(nèi)張慧琴、高秀麗[6]對(duì)中空結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)，三角中空結(jié)構(gòu)具有抗變形能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、保溫性明顯的優(yōu)勢(shì)。而多孔三角中空纖維結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，擁有比表面積大、手感好、抗起球、抗壓縮性、質(zhì)輕、透氣、覆蓋力強(qiáng)、蓬松性好等多種優(yōu)點(diǎn)，是絕佳的保暖材料，其在服裝上的應(yīng)用如保暖內(nèi)衣、休閑服、防寒服、人造毛皮等，家紡產(chǎn)品如地毯、被褥、睡袋、枕芯等方面的應(yīng)用具有良好的市場(chǎng)前景和較高的經(jīng)濟(jì)效益。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)多孔三角三孔中空纖維等復(fù)雜異型纖維制備的研究相對(duì)較少，文章詳細(xì)研究了三角三孔PP中空纖維的熔融紡絲工藝對(duì)其纖維性能及中空度等的影響，可為異形多孔中空PP纖維材料的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)開(kāi)發(fā)提供數(shù)據(jù)參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

PP切片，牌號(hào)1352F，臺(tái)塑（聚丙烯）寧波有限公司，熔融指數(shù)35g/10min。

1.2 儀器與設(shè)備

單螺桿熔融紡絲機(jī)，中國(guó)紡織科學(xué)研究院有限公司；七輥平牽機(jī)，中國(guó)紡織科學(xué)研究院有限公司；BX51型偏光顯微鏡，日本奧林巴斯；Instron 2343萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，美國(guó)英斯特朗公司；Y172纖維切片器，常州紡織儀器廠有限公司；精密天平，梅特勒公司，稱量精度0.01mg；DSC-8000型差示掃描量熱儀，美國(guó)Perkin Elmer公司。

1.3 三角三孔纖維樣品制備

制備不同紡絲工藝的三角三孔PP中空纖維，噴絲板孔型如圖1所示，狹縫寬度0.08mm。在紡絲溫度為250℃，側(cè)吹風(fēng)風(fēng)速0.5 m/s工藝條件下，分別以500m/min、1000m/min、1500m/min、2000m/min、2500m/min紡 絲 速度制備不同紡速纖維樣品。在紡絲速度2000m/min，側(cè)吹風(fēng)風(fēng)速0.5 m/s工藝條件下，分別在紡絲溫度為230℃、250℃、270℃、290℃、300℃制備不同紡絲溫度的纖維樣品。在紡絲速度2000 m/min，紡絲溫度250℃工藝條件下，分別采用側(cè)吹風(fēng)風(fēng)速為0.5 m/s、0.6 m/s、0.7 m/s、0.8 m/s、0.9 m/s制備不同冷卻風(fēng)速的纖維樣品。制備的纖維線密度恒定為150dtex/48f。

圖1 三角三孔噴絲板孔型圖

選用紡絲溫度為250 ℃、風(fēng)速0.5 m/s、紡絲速度為2000 m/min工藝條件制備的規(guī)格為150 dtex/48f的三角三孔PP 纖維樣品，利用七輥牽伸機(jī)通過(guò)改變工藝條件制備系列牽伸纖維樣品。在定型溫度120℃，牽伸倍率1.6倍條件下，通過(guò)改變牽伸溫度制備的纖維樣品，記作PP-D-n（n為牽伸溫度值）；在牽伸溫度70℃，定型溫度120℃條件下，通過(guò)改變牽伸倍率制備的纖維樣品，記作PP-T-m（m為牽伸倍率值）；在牽伸溫度70℃，牽伸倍率1.6倍條件下，通過(guò)改變定型溫度制備的纖維樣品，記作PP-A-x（x為定型溫度）。

1.4測(cè)試方法

1.4.1纖維截面的制備

采用Y172型纖維切片器將纖維束切成薄片，在顯微鏡下獲得500倍放大倍率的纖維截面照片，如圖2所示，中空腔呈不規(guī)則形，截面端部閉合完整，纖維三角異形度較好，空腔明顯，絲束粗細(xì)均勻性良好，無(wú)明顯偏差。

1.4.2中空度測(cè)試

本研究采用紙片稱重法[7]，如圖2所示得到的纖維樣品截面照片，使用統(tǒng)一厚度的A4紙張打印出來(lái)，用裁紙刀分別剪裁出三角截面和中空部分，在電子天平稱重，計(jì)算出中空部分百分?jǐn)?shù)，每組數(shù)據(jù)測(cè)試5次，取平均值，并根據(jù)式（1）得出中空度百分比。

圖2 三角三孔PP纖維的顯微鏡截面圖

采用DSC-8000型差示掃描量熱儀測(cè)試，氮?dú)獗Ｗo(hù)，升溫速率為20 ℃/min，升溫范圍30℃～180 ℃，并根據(jù)式（2）計(jì)算出牽伸絲的結(jié)晶度（ XC）。

2 結(jié)果與討論

2.1 紡絲工藝對(duì)其可紡性影響

2.1.1紡絲溫度

PP較穩(wěn)定，熱分解溫度高，且熔體粘度對(duì)溫度敏感性低，因此，可以在較寬的紡絲溫度范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。在220℃～300℃范圍內(nèi)對(duì)PP三角三孔中空纖維可紡性進(jìn)行研究，從表1可以看出，在紡絲溫度230℃～270℃之間，纖維可紡性良好，可以順利得到三角中空纖維。而紡溫過(guò)高或太低時(shí)，PP可紡性都會(huì)變差，這是由于紡溫過(guò)高時(shí)，熔體強(qiáng)度下降，難以承受紡程張力，易產(chǎn)生飄絲斷頭，導(dǎo)致卷繞生頭困難；紡溫太低時(shí)，熔體粘度增加，熔體在噴絲孔中剪切應(yīng)力增大，容易造成熔體破裂，且熔體拉伸性能變差，熔體細(xì)流在紡絲拉伸應(yīng)力下易發(fā)生斷裂，從而產(chǎn)生飄絲斷頭，可紡性變差；因此紡絲溫度應(yīng)該在一個(gè)合適的溫度范圍內(nèi)。

表1 不同紡絲溫度三角三孔PP纖維的可紡性能

2.1.2紡絲速度

固定紡絲溫度為250℃，調(diào)整紡絲速度為500m/min、1000m/min、1500m/min、2000m/min、2500m/min，試驗(yàn)表明，各紡速下三角三孔PP可紡性良好，未觀察到飄絲斷頭等異常。

2.1.3冷卻風(fēng)速

從表2可以看出，0.5 m/s～0.8 m/s風(fēng)速時(shí)，可紡性好。0.3 m/s風(fēng)速過(guò)低，初生絲冷卻不充分，絲束粘連，導(dǎo)致生頭困難；0.9m/s風(fēng)速過(guò)大，降低了板面溫度，絲束晃動(dòng)嚴(yán)重，易出現(xiàn)飄絲斷頭。說(shuō)明冷卻風(fēng)速過(guò)大或者過(guò)小都會(huì)對(duì)紡絲產(chǎn)生不利影響，需要選擇合適的冷卻風(fēng)速范圍保證紡絲的順利進(jìn)行。

表2 不同冷卻風(fēng)速三角三孔PP纖維的可紡性能

2.2 紡絲工藝對(duì)纖維性能的影響

2.2.1 紡絲溫度

從表3可以看出，隨紡絲溫度的升高，斷裂強(qiáng)度提高，伸長(zhǎng)率下降，可能由于PP在高溫狀態(tài)下，聚合物大分子鏈段的活動(dòng)能力更強(qiáng)，分子鏈解纏結(jié)更充分，在紡絲時(shí)的噴絲孔中和噴絲孔后的熔體拉伸段分子鏈更容易沿著拉伸方向排列取向，同時(shí)，取向也會(huì)誘導(dǎo)結(jié)晶，致使纖維的取向度和結(jié)晶度增大，纖維強(qiáng)度增加。紡絲溫度為290℃時(shí)，纖維的斷裂強(qiáng)度最大。紡絲溫度為300℃時(shí)，由于紡溫過(guò)高，熔體粘度下降，組件壓力降低，噴出的絲呈不連續(xù)狀，可紡性變差，卷繞中出現(xiàn)飄絲斷頭，致使其力學(xué)性能降低。

表3 不同紡絲溫度三角三孔PP纖維性能

2.2.2 紡絲速度

從表4可以看出，隨著紡速的提高，斷裂強(qiáng)度逐步提高，相應(yīng)的斷裂伸長(zhǎng)率有明顯下降，因?yàn)殡S著紡速提高，纖維內(nèi)部大分子鏈取向度增大，并伴有部分結(jié)晶，使其斷裂強(qiáng)度增加，伸長(zhǎng)率減小。

表4 不同紡絲速度三角三孔PP纖維性能

2.2.3 冷卻風(fēng)速

從表5可以看出，隨著風(fēng)速的不斷升高，斷裂強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，由于風(fēng)速對(duì)卷繞絲的預(yù)取向和拉伸倍率影響較大，風(fēng)速過(guò)大，纖維冷卻加快，凝固點(diǎn)上移，纖維受拉伸取向減弱，相應(yīng)的纖維強(qiáng)度伸長(zhǎng)適當(dāng)降低。

2.3 紡絲工藝對(duì)中空度影響

2.3.1 紡絲溫度

從圖3中可以看出，紡絲溫度是影響中空度的主要因素，隨著紡絲溫度的提高，中空度逐漸下降。230℃制備的纖維截面纖維中空度最大為23.1%，這是因?yàn)榧徑z溫度偏低，熔體粘度稍大，熔體形變阻力和表面張力大，熔體出噴絲板孔固化速率快，三角中空縫隙進(jìn)氣孔端部閉合速率降低，同時(shí)可以進(jìn)入更多的空氣，有利于空腔的形成。

圖3 不同紡絲溫度三角三孔PP纖維的中空度

紡溫高于270℃時(shí)，中空度快速下降，可能由于紡溫升高，熔體出噴絲孔后的膨脹現(xiàn)象降低，表面張力也隨之下降，熔體粘度減小，空氣來(lái)不及進(jìn)入纖維內(nèi)部，進(jìn)氣孔已經(jīng)閉合，導(dǎo)致通氣量不足，纖維中空度降低；紡絲溫度為300℃時(shí)，熔體出噴絲板孔膨脹系數(shù)非常小，熔體出噴絲板孔很快粘合，無(wú)法形成中空腔，熔體形變阻力非常小，并且相互之間粘連，已無(wú)中空度。

2.3.2 紡絲速度

從圖4中可以看出，紡絲速度對(duì)中空度有影響，波動(dòng)范圍在15.9%～18.2%之間，隨著紡絲速度的提高，中空度逐漸增加，兩者呈單調(diào)遞增關(guān)系，因?yàn)殡S著紡絲速度的增加，纖維內(nèi)壁在拉伸過(guò)程中變薄，相應(yīng)的中空度也會(huì)隨之增加。

圖4 不同紡絲速度三角三孔PP纖維的中空度

2.3.3 冷卻風(fēng)速

從圖5可以看出在0.5 m/s～0.9 m/s風(fēng)速下，中空度波動(dòng)不是非常明顯，最大為0.9 m/s的中空度為19.3%，但仍是隨著風(fēng)速的增加，中空度呈上升趨勢(shì)，因?yàn)槔鋮s風(fēng)速提高，絲束冷卻加快，熔體出噴絲板孔固化速率快，三角中空縫隙進(jìn)氣孔端部閉合速率降低，同時(shí)可以進(jìn)入更多的空氣，通氣量增加，有利于空腔的擴(kuò)張，從而中空度增加。

圖5 不同冷卻風(fēng)速三角三孔PP纖維的中空度

2.4 牽伸工藝對(duì)纖維性能影響

2.4.1 牽伸溫度

從表6中可以看出，牽伸溫度為60℃時(shí)，斷裂強(qiáng)度最高為2.7cN/dtex，牽伸溫度為80℃時(shí)，斷裂強(qiáng)度最高為2.6 cN/dtex；試驗(yàn)溫度條件下，纖維強(qiáng)度差異不大，且此強(qiáng)度的纖維均可滿足后道應(yīng)用需求。因此，牽伸溫度為60℃～80℃均可。

表6 不同牽伸溫度三角三孔PP纖維的性能

2.4.2 牽伸倍率

隨著牽伸倍率的增大，三角三孔PP纖維的斷裂強(qiáng)度逐漸提高，斷裂伸長(zhǎng)率逐漸降低，見(jiàn)表7。這是由于隨著拉伸倍率的提高，纖維大分子沿軸向取向排列越規(guī)整，加上拉伸應(yīng)力cN/dtex，剩余伸長(zhǎng)為20.7%，國(guó)產(chǎn)普通PP復(fù)絲的主要性能指標(biāo)為：斷裂強(qiáng)度3.1～6.4 cN/dtex，斷裂伸長(zhǎng)率15%～35%之間[8]，作為后續(xù)加工整理使用，牽伸2.2倍基本可以達(dá)到普通PP復(fù)絲性能指標(biāo)。

表7 不同牽伸倍率三角三孔PP纖維性能

2.4.3 定型溫度

隨著定型溫度的增加，斷裂強(qiáng)度提高，伸長(zhǎng)減小，見(jiàn)表8。這是因?yàn)殡S定型溫度的升高，會(huì)促使結(jié)晶得到進(jìn)一步的完善和發(fā)展，使斷裂強(qiáng)度提高。140℃定型時(shí)，強(qiáng)度降低，說(shuō)明定型溫度不是越高越好，過(guò)高會(huì)使大分子松弛，產(chǎn)生解取向，導(dǎo)致纖維強(qiáng)度降低[9]，因此，其合適的定型溫度在110℃～130℃之間。

表8 不同定型溫度三角三孔PP纖維的性能

2.5 定型溫度對(duì)結(jié)晶度影響

在相同牽伸溫度和牽伸倍率，經(jīng)過(guò)不同熱定型溫度的三角三孔PP纖維的性能見(jiàn)表8。隨著定型溫度的升高，三角三孔PP纖維的結(jié)晶度總體呈上升趨勢(shì)。不同熱定型溫度的三孔三角PP纖維的熔融峰譜圖見(jiàn)圖6，可以看到，牽伸后的三角三孔PP纖維樣品DSC升溫測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)兩個(gè)熔融峰，這是由于PP纖維加工過(guò)程，由于應(yīng)力和溫度的影響，使得纖維中存在兩種晶型導(dǎo)致的[10]。定型溫度為90℃時(shí)，高溫側(cè)熔融峰不明顯，定型溫度為100℃～130℃時(shí)，DSC曲線上出現(xiàn)明顯的雙峰，不同定型溫度纖維的兩個(gè)峰頂溫度基本相同，隨著定型溫度的升高，可能低溫側(cè)熔融峰峰型逐漸變小，高溫側(cè)熔融峰峰型逐漸變大，可能發(fā)生晶粒的完善和不穩(wěn)定晶型向穩(wěn)定晶型的轉(zhuǎn)變，定型溫度140℃時(shí)，結(jié)晶度有明顯的降低，說(shuō)明定型溫度過(guò)高，分子鏈活動(dòng)能力太強(qiáng)，會(huì)使大分子松弛，大分子解取向增大，大分子鏈段規(guī)整性變差，進(jìn)而致使結(jié)晶度降低。

圖6 不同定型溫度下三角三孔PP纖維的DSC譜圖

3 結(jié)論

制備PP三角三孔中空纖維最佳紡絲溫度在230℃～270℃、風(fēng)速在0.5m/s～0.8m/s之間最為合適，此條件下，紡 速500m/min～2500m/min范 圍內(nèi)可紡性均較好。此工藝范圍內(nèi)，隨著紡絲溫度、紡絲速度的升高，斷裂強(qiáng)度增大，斷裂伸長(zhǎng)率降低；隨著冷卻風(fēng)速的提高，斷裂強(qiáng)度降低，斷裂伸長(zhǎng)率適當(dāng)減小。三角三孔PP纖維的最佳牽伸溫度為60℃～70℃，定型溫度為110℃～130℃之間最為合適；隨著牽伸倍率的提高，斷裂強(qiáng)度增加，斷裂伸長(zhǎng)率減小。

三角三孔PP纖維的中空度隨著紡絲溫度的提高呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì)，隨紡絲速度和冷卻風(fēng)速的提高而增大；紡絲溫度230 ℃時(shí)，側(cè)吹風(fēng)風(fēng)速0.9m/min，紡絲速度為2500m/min時(shí)，纖維中空度達(dá)到最大23.1%。

三角三孔PP纖維定型溫度在90℃～130℃之間時(shí)，結(jié)晶度隨定型溫度的提高總體呈增大趨勢(shì)，達(dá)到44.5%左右后趨于穩(wěn)定；熱定型溫度超過(guò)140℃定型時(shí)，結(jié)晶度明顯降低。