熱處理工藝對含低熔點(diǎn)滌綸短纖維混紡紗性能的影響

劉 傳 生

(中國石化儀征化纖有限責(zé)任公司研究院，江蘇 儀征 211900)

近年來，低熔點(diǎn)聚酯單組分短纖維和皮芯復(fù)合雙組分短纖維因黏合性能好、成本低、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，成為紡織行業(yè)綠色制造的熱點(diǎn)原料，取代傳統(tǒng)的溶劑型黏結(jié)劑在以滌綸為主的熱熔黏合領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，特別是在復(fù)合材料增強(qiáng)、非織造布固化、紡織面料整理等方面。在紡織品領(lǐng)域也有一定的應(yīng)用，目前主要是用于滌綸縫紉線、高支紗、薄型織物的熨燙不起皺、高密度織物縫紉孔的熔融封閉(如防水織物、充填羽絨紡織品)等[1-4]。

在各種縫紉線中，滌綸短纖維縫紉線因其強(qiáng)力高、耐磨性好和伸長率低等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長率、毛羽數(shù)及耐磨性是短纖維縫紉線的幾個(gè)重要指標(biāo)，直接影響到縫紉線的使用效果。因此，有必要通過進(jìn)一步優(yōu)化縫紉線用紗線的加工工藝，以提高其性能的穩(wěn)定性，最終實(shí)現(xiàn)服用性能及服裝品質(zhì)的提升[5-6]。

目前，對紗線質(zhì)量的提升大多是通過對紡紗設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造和技術(shù)升級(jí)，以適應(yīng)新型紡紗技術(shù)，實(shí)現(xiàn)紗線強(qiáng)力提高、毛羽減少的效果，但設(shè)備改造和維護(hù)成本較高，技術(shù)難度大，難以大規(guī)模推廣[7]。在傳統(tǒng)紡紗過程中將一定量的低熔點(diǎn)短纖維添加到常規(guī)縫紉線短纖維中，使紗線結(jié)構(gòu)中含有黏結(jié)成分，經(jīng)過熱處理后紗線中的低熔點(diǎn)短纖維與常規(guī)短纖維熔融黏合，得到表面平滑、強(qiáng)度較高、耐磨性較好的短纖型縫紉線，可有效提高產(chǎn)品性能，降低生產(chǎn)成本[8-10]。

基于以上想法，作者通過在常規(guī)滌綸短纖維中混入一定量的低熔點(diǎn)滌綸短纖維制備混紡紗線，對制備的紗線在一定溫度和時(shí)間下進(jìn)行熱處理，研究了熱處理溫度和時(shí)間對紗線斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長率、毛羽數(shù)及耐摩擦性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原料

低熔點(diǎn)滌綸短纖維、常規(guī)滌綸短纖維均為中國石化儀征化纖有限責(zé)任公司產(chǎn)，其中低熔點(diǎn)滌綸短纖維為皮芯結(jié)構(gòu)，皮層為低熔點(diǎn)聚酯，初始熔融溫度為105.67 ℃，芯層為常規(guī)聚酯，熔點(diǎn)為255.38 ℃。2種滌綸短纖維的性能指標(biāo)見表1。

表1 2種滌綸短纖維的性能指標(biāo)Tab.1 Performance index of two kinds of polyester staple fibers

1.2 主要設(shè)備與儀器

A186H型梳棉機(jī)：青島東佳紡機(jī)有限公司制；FA306型并條機(jī)：沈陽宏大紡織機(jī)械有限責(zé)任公司制；TJF458A型粗紗機(jī)：天津宏大紡織機(jī)械有限公司制；FA507A型細(xì)紗機(jī)：馬佐里(東臺(tái))有限公司制；XPL-2型光學(xué)顯微鏡：南京江南永新光學(xué)有限公司制；YG086型縷紗測長儀：常州第二紡織儀器廠制；YG063T型單紗強(qiáng)力儀、YG72A型毛羽儀：陜西長嶺紡織機(jī)電科技有限公司制；ZWEIGLE5型摩擦儀：烏斯特技術(shù)有限公司制。

1.3 混紡紗線的制備與熱處理

根據(jù)常用縫紉線產(chǎn)品的用紗要求制備混紡紗線。低熔點(diǎn)滌綸短纖維與常規(guī)滌綸短纖維進(jìn)入開松機(jī)前先手扯開松，將2種纖維混合均勻，紡制過程中低熔點(diǎn)滌綸短纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，具體制備工藝流程見圖1，混紡紗線性能指標(biāo)見表2。

圖1 混紡紗線制備工藝流程Fig.1 Process flow of blended yarn preparation

表2 混紡紗線性能指標(biāo)Tab.2 Performance index of blended yarn

在鼓風(fēng)烘箱中對混紡紗線進(jìn)行熱處理，依據(jù)低熔點(diǎn)滌綸短纖維的熔融溫度，選擇加熱溫度分別為150，160，170，180 ℃，在各溫度下分別熱處理0.5，1.0，3.0，6.0，9.0 min，考察不同熱處理工藝對紗線強(qiáng)伸性能、毛羽數(shù)及耐摩擦性能的影響。

1.4 分析與測試

力學(xué)性能：采用單紗強(qiáng)力儀，參考GB/T 3916—2013《紡織品卷裝紗單根紗線斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測定》測試紗線的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率。夾持距離500 mm，拉伸速度500 mm/min，測試環(huán)境溫度(20±2)℃，相對濕度(65±5)%。根據(jù)熱處理前后紗線斷裂強(qiáng)度之差與熱處理前紗線斷裂強(qiáng)度之比計(jì)算斷裂強(qiáng)度增長率即增強(qiáng)率；根據(jù)熱處理前后紗線斷裂伸長率之差與熱處理前紗線斷裂伸長率之比計(jì)算斷裂伸長率的降低率即減伸率。

毛羽數(shù)：采用YG72A型毛羽儀，參考FZ/T 01086—2000《紡織品紗線毛羽測定方法投影計(jì)數(shù)法》測試，測試速度30 m/min，測試長度10 m。根據(jù)熱處理前后紗線毛羽數(shù)之差與熱處理前紗線毛羽數(shù)之比計(jì)算毛羽減少率。

耐摩擦性能：采用ZWEIGLE5型摩擦儀，參考ASTMD 3108—2001《紗線與固體材料之間摩擦系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》測試紗線與金屬的摩擦系數(shù)，測試速度200 m/min。

表觀形貌：采用XPL-2型光學(xué)顯微鏡觀察紗線表面形態(tài)，放大倍數(shù)100。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱處理?xiàng)l件對紗線力學(xué)性能的影響

測試紗線不同熱處理工藝下熱處理前后的斷裂強(qiáng)度及斷裂伸長率，并計(jì)算熱處理后紗線的增強(qiáng)率及減伸率，結(jié)果見表3。

表3 不同熱處理工藝下紗線的力學(xué)性能Tab.3 Mechanical properties of yarns under different heat treatment process

從表3可知，熱處理后紗線的增強(qiáng)率最小值為2.0%，最大值達(dá)到10.6%，減伸率均在15%以上，說明添加低熔點(diǎn)滌綸短纖維與常規(guī)滌綸短纖維混紡制備的紗線經(jīng)過一定時(shí)間和一定溫度的熱處理后，斷裂強(qiáng)度得到了不同程度的提高，斷裂伸長率出現(xiàn)了明顯的下降。這是因?yàn)榈腿埸c(diǎn)纖維受熱與常規(guī)滌綸間產(chǎn)生的黏結(jié)點(diǎn)有利于增加纖維間的抱合力，使紗線斷裂強(qiáng)度提高，同時(shí)黏結(jié)點(diǎn)的增加使纖維間的摩擦阻力也得到提高，抑制了纖維間的相對滑移，使紗線的斷裂伸長率降低。

從圖2可以看出,在不同熱處理溫度下，隨著熱處理時(shí)間的延長，紗線的增強(qiáng)率均呈現(xiàn)先升高再下降的趨勢。

圖2 不同熱處理溫度下紗線增強(qiáng)率隨熱處理時(shí)間的變化Fig.2 Curves of yarn breaking strength enhancement rate with heattreatment time at different heat treatment temperatures◆—150 ℃;■—160 ℃;▲—170 ℃;▼—180 ℃

從圖2還可以看出：當(dāng)熱處理溫度為150 ℃，熱處理時(shí)間為0.5 min時(shí)，紗線增強(qiáng)率最小，這是因?yàn)樵谳^低的熱處理溫度和較短的熱處理時(shí)間條件下，紗線內(nèi)低熔點(diǎn)纖維受熱不夠充分，熔融效果較差，與相鄰纖維的黏結(jié)作用較小，紗線斷裂強(qiáng)度的增長有限；在熱處理時(shí)間為0.5～3.0 min，紗線增強(qiáng)率隨熱處理時(shí)間的延長而增加，當(dāng)熱處理溫度升至160 ℃、熱處理時(shí)間延長至3.0 min時(shí)，增強(qiáng)率達(dá)最大值，這是因?yàn)檠娱L熱處理時(shí)間有利于紗線內(nèi)低熔點(diǎn)纖維的熔融黏結(jié)，纖維相互間的黏結(jié)點(diǎn)增多，產(chǎn)生黏結(jié)的纖維數(shù)量變多，擴(kuò)大了黏結(jié)表面積，并且由于低熔點(diǎn)皮芯纖維皮層熔融后與常規(guī)滌綸纖維黏合在一起，而芯層的常規(guī)纖維部分結(jié)構(gòu)完整，起到了很好的支撐效果，因此，延長熱處理時(shí)間使得紗線內(nèi)纖維間的黏結(jié)牢度提高，紗線的增強(qiáng)率上升；進(jìn)一步延長熱處理時(shí)間，在熱處理時(shí)間為3.0～9.0 min，紗線增強(qiáng)率出現(xiàn)明顯下降，這是因?yàn)闊崽幚頃r(shí)間過長會(huì)使低熔點(diǎn)纖維的皮層出現(xiàn)過度熔融，低熔點(diǎn)纖維的皮芯結(jié)構(gòu)受損，在纖維聯(lián)接處出現(xiàn)不規(guī)則的大塊黏結(jié)，同時(shí)，長時(shí)間的高溫?zé)崽幚硪矔?huì)對常規(guī)滌綸纖維的力學(xué)性能造成損傷，從而導(dǎo)致單纖維的斷裂強(qiáng)度降低，紗線的增強(qiáng)效果減弱。

從圖3可以看出：不同熱處理溫度下，隨著熱處理時(shí)間的延長，紗線的減伸率整體呈增加趨勢，這是由于低熔點(diǎn)纖維的皮層在高溫下熔融，與常規(guī)纖維產(chǎn)生了黏結(jié)，限制了相鄰纖維間的相對滑動(dòng)，在進(jìn)行拉伸時(shí)被黏結(jié)點(diǎn)固定的纖維間相對位移縮小，造成紗線的斷裂伸長率下降；在熱處理時(shí)間為0.5～1.0 min，因熱處理時(shí)間較短，紗線的減伸率變化較小，但隨著熱處理時(shí)間的延長，減伸率明顯提高，這是因?yàn)闊崽幚頃r(shí)間越長，低熔點(diǎn)纖維的熔融就越充分，纖維間產(chǎn)生的黏結(jié)點(diǎn)也就越多，纖維間的相對滑移被進(jìn)一步限制，致使紗線斷裂伸長率下降明顯，即減伸率提高。故在保證紗線較高斷裂強(qiáng)度的前提下，熱處理溫度越低、時(shí)間越短越好，紗線合適的熱處理溫度為160 ℃，熱處理時(shí)間為3.0 min。

圖3 不同熱處理溫度下紗線減伸率隨熱處理時(shí)間的變化Fig.3 Curves of yarn elongation at break reduction with heattreatment time at different heat treatment temperatures◆—150 ℃;■—160 ℃;▲—170 ℃;▼—180 ℃

2.2 熱處理?xiàng)l件對紗線毛羽數(shù)的影響

紗線表面的毛羽影響紗線的強(qiáng)度和表面光滑程度，是衡量紗線內(nèi)在及外觀質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。毛羽少的紗線制備的織物外觀光潔、布面平整清晰；紗線毛羽過多，織造效率降低，產(chǎn)品質(zhì)量下降。對紗線進(jìn)行熱處理，是減少紗線毛羽的有效途徑之一。設(shè)定熱處理溫度為160 ℃，分別熱處理0.5，1.0，3.0，6.0，9.0 min后紗線3 mm和4 mm毛羽數(shù)的變化情況見表4。由表4可知，經(jīng)過熱處理后，紗線3 mm和4 mm毛羽減少率均為正值，表明紗線通過熱處理的方式可以有效減少毛羽數(shù)。這是因?yàn)闊崽幚磉^的紗線，其低熔點(diǎn)纖維皮層受熱出現(xiàn)熔融，纖維間形成黏結(jié)并整體收縮，在此過程中，部分毛羽被拉近紗線表面甚至縮入紗線內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)紗線表面毛羽長度變短、數(shù)量減少的效果。

表4 不同熱處理時(shí)間下紗線毛羽數(shù)Tab.4 Yarn hairiness quantity at different heat treatment time

從圖4也可以看出：在熱處理時(shí)間為0.5 min時(shí)紗線毛羽減少率最低；延長熱處理時(shí)間至1.0 min，毛羽減少率迅速升高；熱處理時(shí)間為6.0 min時(shí)毛羽減少率最大，紗線3 mm、4 mm毛羽減少率分別達(dá)38.6%、54.2 %；繼續(xù)延長熱處理時(shí)間至9.0 min，毛羽減少率變化不大。在較短的熱處理時(shí)間條件下，紗線中的低熔點(diǎn)纖維熔融程度較低，纖維間的黏結(jié)點(diǎn)較少，紗線整體的熔融收縮能力較弱，伸出紗線表面的毛羽無法大規(guī)模收縮；而隨著時(shí)間的延長，低熔點(diǎn)纖維熔融黏結(jié)能力提高，紗線的熔縮效應(yīng)增強(qiáng)，而紗線表面也有部分低熔點(diǎn)成分的毛羽，受熱后產(chǎn)生回縮，從而實(shí)現(xiàn)快速減少紗線毛羽的效果，熱處理時(shí)間達(dá)6.0 min后，低熔點(diǎn)纖維已充分熔融，紗線毛羽數(shù)沒有了進(jìn)一步減少的空間。

圖4 紗線毛羽減少率隨熱處理時(shí)間的變化Fig.4 Curves of yarn hairiness reduction with heat treatment time■—3 mm毛羽；◆—4 mm毛羽

從圖5可以看出：未進(jìn)行熱處理時(shí)，紗線中的纖維呈松散狀態(tài)，多且長的毛羽雜亂的分布在紗線表面(見圖5 a)；經(jīng)過160 ℃不同時(shí)間熱處理后(圖5 b～f)，纖維間相互黏結(jié)，紗線整體結(jié)構(gòu)致密清晰，毛羽有序貼服在紗線表面，且數(shù)量大為降低，熱處理6.0 min后紗線最為致密，表面毛羽最少(圖5 e～f)；隨著熱處理時(shí)間的增加，紗線中纖維的分布更為致密，伸出紗線表面的毛羽逐漸減少，這也與前述紗線毛羽減少率的變化趨勢相一致。因此，熱處理溫度為160 ℃、時(shí)間為6.0 min時(shí)，紗線毛羽改善效果最好。

圖5 熱處理前后紗線的表面形態(tài)Fig.5 Surface morphology of yarn before and after heat treatment

2.3 熱處理?xiàng)l件對紗線耐磨性的影響

從表5可以看出：160 ℃不同時(shí)間熱處理后紗線的摩擦系數(shù)整體降低，這是因?yàn)闊崽幚砗蟮募喚€緊縮致密，減少了與其他物體的接觸面積，毛羽減少后紗線光滑的表面又降低了物體相互摩擦?xí)r的阻力，紗線的耐磨性提高；在熱處理1.0 min后，紗線摩擦系數(shù)由熱處理前的0.30迅速降至0.21，這與熱處理初期紗線毛羽數(shù)的快速減少相對應(yīng)，進(jìn)一步延長熱處理時(shí)間，紗線表面致密結(jié)構(gòu)逐漸完善，故熱處理3.0 min后紗線的摩擦系數(shù)變化不大。

表5 160 ℃不同時(shí)間熱處理后紗線的摩擦系數(shù)Tab.5 Friction coefficient of yarn after heat treatmentat 160 ℃ and different heat treatment time

綜合考慮紗線整體性能，合適的熱處理?xiàng)l件為熱處理溫度160 ℃、熱處理時(shí)間3.0 min，此條件下紗線性能最優(yōu)，斷裂強(qiáng)度為3.35 cN/dtex，斷裂伸長率為10.8%，3 mm毛羽為3.71根/m，4 mm毛羽為0.97 根/m，摩擦系數(shù)為0.19。

3 結(jié)論

a.經(jīng)過熱處理的紗線結(jié)構(gòu)和性能都產(chǎn)生了變化，紗線中纖維間的黏結(jié)點(diǎn)可以提高紗線的斷裂強(qiáng)度，降低紗線的斷裂伸長率。

b.混紡紗線中的低熔點(diǎn)纖維熱處理后帶動(dòng)紗線整體回縮，使紗線表面致密，毛羽減少，耐磨性提高。

c.最佳熱處理工藝為熱處理溫度160 ℃、熱處理時(shí)間3.0 min。此條件下熱處理后紗線斷裂強(qiáng)度為3.35 cN/dtex，提高10.6%；斷裂伸長率為10.8%，降低21.2%；3 mm毛羽為3.71根/m，減少34.6%；4 mm毛羽為0.97 根/m，減少45.8%；摩擦系數(shù)降低至0.19。