生物基錦綸56賽絡(luò)菲爾紗的開發(fā)與性能

卓 輝，劉新金

(江南大學(xué)生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫 214122)

由于石油等不可再生資源的短缺，人們開始重視對生物基化纖的開發(fā)研究。生物基化學(xué)纖維是來源于可再生生物質(zhì)的一類纖維，除天然的動植物纖維外特指生物基再生纖維和生物基合成纖維[1]，該生物基的加工工藝過程相較于石油基加工過程更加綠色環(huán)保，具有可持續(xù)發(fā)展特性。中國是化纖使用和石油進(jìn)口大國,利用種類資源豐富的生物質(zhì)資源生產(chǎn)生物基化纖,對于中國化纖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。聚酰胺是化纖使用的第二大品種，開發(fā)生物基聚酰胺是發(fā)展生物基材料的重要內(nèi)容之一。聚酰胺66是應(yīng)用最廣泛的聚酰胺纖維之一，但是由于其關(guān)鍵技術(shù)受到美國英威達(dá)公司等少數(shù)跨國公司壟斷，并且中國對于聚酰胺66的研究一直沒有實(shí)質(zhì)性的突破，導(dǎo)致中國聚酰胺產(chǎn)業(yè)發(fā)展受阻。直到中國上海凱賽生物技術(shù)股份有限公司近年來先后突破生物基1,5-戊二胺大容量低成本制備及純化、生物基聚酰胺56高效聚合及紡絲等關(guān)鍵技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)了萬噸穩(wěn)定批量生產(chǎn)，才得以打破這一局面[2]。生物基聚酰胺56全稱生物基聚己二酸戊二胺，是由石油基己二酸和生物基戊二胺聚合而成[3]，其中生物基含量高達(dá)41%[4]。而戊二胺又可用可再生物質(zhì)如玉米、高粱、小麥等作為生物質(zhì)原料，經(jīng)微生物法發(fā)酵制備[5]。其加工生產(chǎn)過程中釋放少量的溫室氣體，對環(huán)境造成的傷害相對較小，具有綠色可持續(xù)發(fā)展的意義。

本文中N56賽絡(luò)菲爾紗的紡制與優(yōu)化采用一種新型窄槽式負(fù)壓空心羅拉全聚紡紡紗系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用大直徑窄槽式負(fù)壓空心羅拉，配合相應(yīng)的專件和吸風(fēng)系統(tǒng)及其配套組件的整體優(yōu)化設(shè)計(jì)全面提高吸風(fēng)系統(tǒng)集聚負(fù)壓利用效率，在實(shí)現(xiàn)負(fù)壓氣流完全集聚的前提下，降低系統(tǒng)能耗從而降低改造成本，提高成紗質(zhì)量[6]。通過更換Zc齒輪的型號設(shè)定3種不同的捻度，調(diào)節(jié)導(dǎo)絲輪位置調(diào)節(jié)粗紗與長絲的間距，分別為2、5、8 mm、紡制9款細(xì)度為18 tex(芯絲細(xì)度5 tex)的賽絡(luò)菲爾紗。后期通過紗線的性能測試，分析這9款紗線的不同并進(jìn)行優(yōu)化。

1 試 驗(yàn)

1.1 原料及測試方法

1.1.1 JC/N56混紡粗紗

JC與N56按質(zhì)量比70∶30進(jìn)行混紡得到混紡粗紗，其中JC為新疆長絨棉，平均長度為34 mm，線密度為1.67 dtex，回潮率為8.5%，N56纖維平均長度為38 mm，線密度為3.6 dtex。由于N56短纖維純紡時(shí)纖維間抱合力小，難以成條，紡紗過程易斷頭，紗線力學(xué)性能、條干、毛羽都遠(yuǎn)不如混紡紗線，故本文采用JC與N56混紡粗紗作為外包材料。粗紗定量為4.8 g/10 m，捻系數(shù)124.2捻/10 cm。

1.1.2 N56長絲

N56長絲以高粱和玉米等淀粉等作物作為主要原料，通過生物技術(shù)制得，屬于環(huán)保再生長絲，采用細(xì)度為5 tex(上海凱賽生物科技有限公司)的N56長絲紡制賽絡(luò)菲爾紗。

1.2 紡紗過程

JC/N56混紡粗紗與N56長絲經(jīng)原料混合、開松、梳理、預(yù)并、一道并條、二道并條、三道并條、粗紗、細(xì)紗、絡(luò)筒工藝流程紡制成紗。開清棉工序負(fù)責(zé)將原料開松、除雜、混合，原則是“合理配棉，多包取用，勤抓少抓，多松少打，以梳代打，充分混合，短流長，低速度，薄喂入”。并條工序?yàn)楸ＷCJC與N56較好地伸直平行，提高纖維混合均勻程度，采用三道并條，遵循“順牽伸，重加壓，大隔距”工藝原則。粗紗工序采取“大隔距，重加壓，小張力，低捻度”的原則。

1.3 細(xì)紗工序

1.3.1 紡紗原理

本文通過在加裝全聚紡裝置的QFA1528型細(xì)紗機(jī)上加裝長絲喂入裝置來實(shí)現(xiàn)生物基錦綸56賽絡(luò)菲爾紗的紡制，紡紗原理裝置如圖1所示。

圖1 全聚賽絡(luò)菲爾紡示意Fig.1 Schematic ofcomplete condensing Sirofil spinning

全聚紡系統(tǒng)采用一種大直徑窄槽式負(fù)壓空心羅拉，利用直徑為50 mm且表面開有條形窄槽空心羅拉代替前羅拉，以傳統(tǒng)環(huán)錠紡三羅拉長、短膠圈牽伸裝置為基礎(chǔ)，保留中羅拉、上、下膠圈和后牽伸區(qū)機(jī)構(gòu)。采用50 mm窄槽式負(fù)壓空心羅拉提高了吸風(fēng)負(fù)壓集聚效率，同時(shí)使其轉(zhuǎn)速減半，有效延長軸承和齒輪的使用壽命，減少運(yùn)行中的維護(hù)成本[7]。圖1空心羅拉7內(nèi)部裝有吸風(fēng)插件，表面有輸出阻捻膠輥6和前膠輥5，共同構(gòu)成了集聚紡裝置的集聚區(qū)，集聚區(qū)結(jié)構(gòu)如圖2所示。集聚裝置盡量滿足“集聚不牽伸”的原則，減少芯絲外露，提高成紗質(zhì)量，減少不必要的損失。

1-窄槽式負(fù)壓空心羅拉； 2-吸風(fēng)組件； 3-氣流導(dǎo)向裝置； 4-前皮輥； 5-阻捻皮輥圖2 集聚區(qū)結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic of complete condensing area

賽絡(luò)菲爾紡是將賽絡(luò)紡其中一根粗紗換成長絲紡制成的紗。將N56短纖與精梳棉混紡粗紗作為外包纖維和N56長絲作為芯絲，通過改變長絲導(dǎo)絲輪位置改變長絲與粗紗間距加捻成紗，長絲與粗紗形成一個(gè)加捻三角區(qū)，加捻三角區(qū)如圖3所示。

圖3 賽絡(luò)菲爾紡加捻三角區(qū)Fig.3 Sirofil spinning twist triangle

1.3.2 實(shí)驗(yàn)方案

生物基錦綸56賽絡(luò)菲爾紗的試紡?fù)ㄟ^在QFA1528全聚紡細(xì)紗機(jī)上加裝長絲喂入裝置紡制完成，紡紗前對所用到的粗紗以及長絲進(jìn)行預(yù)調(diào)濕，調(diào)試條件為：在溫度(20±2) ℃，相對濕度為(65±4)%的標(biāo)準(zhǔn)大氣下放置24 h。通過改變導(dǎo)輪絲的位置控制粗紗與長絲的間距，間距分別控制為2、5、8 mm，同時(shí)通過更換Zc齒輪更改細(xì)紗的捻度，捻度分別設(shè)定為103.15、111.09、120.34捻/10 cm,紡織細(xì)度為18 tex，芯絲細(xì)度為5 tex的9款生物基錦綸56賽絡(luò)菲爾紗。細(xì)紗機(jī)設(shè)定參數(shù)如表1所示。

表1 細(xì)紗機(jī)參數(shù)

1.4 測試方法

1.4.1 強(qiáng)伸性

測試儀器采用XL-2型紗線強(qiáng)伸度儀，按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(CRE法)》規(guī)定，測試紗線斷裂強(qiáng)力與斷裂伸長率，夾持隔距500 mm，拉伸速度 500 mm/min 測試10次，其結(jié)果取平均值。

1.4.2 回潮率

回潮率測試采用烘箱法，用到的設(shè)備為通風(fēng)式快速八籃烘箱型號為YG747，參照國家統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)GB/T6503—2017《化學(xué)纖維回潮率試驗(yàn)方法》規(guī)定的試驗(yàn)環(huán)境狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T6529—2008《紡織品調(diào)試和試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)大氣》: 濕度(65±3)%，溫度20 ℃。

1.4.3 捻度

按GB/T2543.2—2011《紡織品 紗線捻度的測定 第二部分：退捻加捻法》規(guī)定，測試紗線捻度，預(yù)加張力(0.5±0.05)cN/tex,測試長度500 mm。

1.4.4 條干

按GB/T3292.1—2008《紡織品 紗線條干不均試驗(yàn)方法 第一部分：電容法》規(guī)定測試紗線條干，紗線退繞速度400 m/min，測試長度400 m。

1.4.5 毛羽

利用ZWEIGLE HL400型毛羽儀測試紗線毛羽。紗線退繞速度400 m/min，測試時(shí)間1 min。

2 結(jié)果與分析

2.1 N56長絲測試

N56長絲強(qiáng)伸性測試結(jié)果如表2所示。

表2 N56強(qiáng)伸性能Tab.2 N56 tensile properties

由表2測試結(jié)果可知，N56長絲強(qiáng)力較高，符合紡制賽絡(luò)菲爾紗芯絲強(qiáng)力標(biāo)準(zhǔn)，在加裝全聚紡裝置的QFA1528環(huán)錠細(xì)紗機(jī)紡出來的紗線不易斷裂，強(qiáng)伸性較好，同時(shí)全聚紡紡出來的賽絡(luò)菲爾紗強(qiáng)力和條干較緊密紡更好[8]，運(yùn)行維護(hù)成本也較低。N56長絲初始模量較低，織物剛性較差，保型性較差易起皺?；爻甭蕼y試結(jié)果為5.2%，表明N56長絲吸濕性能一般高于其他的合成纖維但低于棉纖維等天然纖維，一方面是由于奇數(shù)碳二胺單元的奇碳反應(yīng)，使得部分酰胺基處于游離狀態(tài)；另一方面其酰胺基高于錦綸66和錦綸6，使得其酰胺基更易于與水形成氫鍵[9]，賦予了N56長絲吸濕透氣、親膚、抗靜電以及服用性能良好。

N56纖維具有良好的染色性能，可用酸性染料、中性染料和活性染料染色，且得色深，K/S值均可達(dá)到16以上，并且色牢度多在4級以上；同時(shí)還具有良好的抗菌性能，在N56纖維內(nèi)通過陶瓷粉黏附銀粉，銅粉和鋅粉，使它們產(chǎn)生協(xié)同作用；N56纖維通過阻燃改性使其具有阻燃抗融滴特性，可以適應(yīng)高溫度、濕度、電壓的場所使用，安全環(huán)保[10]。

2.2 不同間距強(qiáng)伸性測試

本次測試結(jié)果采用控制變量法進(jìn)行分析，即當(dāng)控制3個(gè)設(shè)定捻度不變時(shí)，通過調(diào)整導(dǎo)絲輪位置改變N56長絲與粗紗的間距，分析粗紗與長絲的間距對生物基錦綸56賽絡(luò)菲爾紗強(qiáng)伸性有何影響。測試結(jié)果如表3和圖4所示。

表3 不同間距生物基錦綸56賽絡(luò)菲爾紗的強(qiáng)伸性能Tab.3 The tensile properties of bio-based polyamide 56 Sirofil yarn with different spaces

圖4 不同間距的生物基錦綸56賽絡(luò)菲爾紗線強(qiáng)伸性能Fig.4 The tensile properties of bio-based polyamide 56 Sirofil yarns with different spaces

由表3和圖4可以看出當(dāng)設(shè)定捻度為103.15、111.09、120.34捻/10 cm時(shí)，生物基錦綸56賽絡(luò)菲爾紗的斷裂強(qiáng)力、斷裂強(qiáng)度以及斷裂伸長率均隨著粗紗與長絲間的距離的增加而增加。分析認(rèn)為：當(dāng)間距增大時(shí)，加捻三角區(qū)變大，經(jīng)過三角區(qū)復(fù)合加捻后，纖維強(qiáng)力利用系數(shù)變高，單紗強(qiáng)力增加，斷裂強(qiáng)度為斷裂強(qiáng)力與紗線線密度的比值，線密度保持不變時(shí)斷裂強(qiáng)力增加，所以斷裂強(qiáng)度增加。N56長絲本身具有良好的強(qiáng)力、彈性回復(fù)性和耐疲勞性，因此以其作為芯絲紡出的紗線也具有良好的強(qiáng)伸性；另外一個(gè)原因是，在前鉗口處長絲與經(jīng)過牽伸的短纖須條保持一定的間距輸出，經(jīng)加捻三角區(qū)初次加捻后，在匯聚點(diǎn)處匯合后再次加捻并合，而隨著三角區(qū)的增大，匯聚點(diǎn)以上兩組分上分配的捻度增大，因此強(qiáng)力隨之變大。而當(dāng)捻度為98.08捻/10 cm、間距為8 mm時(shí)，紗線的強(qiáng)力并未增大，原因是N56長絲在集聚區(qū)內(nèi)發(fā)生滑移導(dǎo)致長絲與粗紗間距改變影響成紗強(qiáng)力。

2.3 不同間距條干、毛羽測試

當(dāng)控制3個(gè)設(shè)定捻度不變時(shí)，通過調(diào)整導(dǎo)絲輪位置改變N56長絲與粗紗的間距，分析粗紗與長絲的間距對生物基錦綸56賽絡(luò)菲爾紗條干與毛羽有何影響。測試結(jié)果如表4和圖5所示。

表4 不同間距生物基錦綸56賽絡(luò)菲爾紗的條干毛羽Tab.4 The evenness and hairiness of bio-based polyamide 56 Sirofil yarn with different spaces

圖5 不同間距生物基錦綸56賽絡(luò)菲爾紗的條干毛羽Fig.5 Evenness and hairiness of bio-based polyamide 56 Sirofil yarn with different spaces

由表4和圖5可以看出當(dāng)控制3個(gè)設(shè)定捻度不變時(shí)，紗線的毛羽H值隨著粗紗與長絲間的間距增大而減小，條干隨著間距的增加而變差，當(dāng)捻度增加到120.34捻/10 cm時(shí)，條干隨著間距的增加變得更好。但當(dāng)間距在8～10 mm之間時(shí)，這種影響在逐漸減弱[11]。而條干隨著間距的增加而變差，分析認(rèn)為：三角區(qū)處混紡須條只有弱捻，三角區(qū)長度越長，越易受到意外牽伸，條干越差，而當(dāng)捻度增加到120.34捻/10 cm時(shí)，由于強(qiáng)捻作用脫落的短纖包纏效果更好整體條干變好。

2.4 不同捻度強(qiáng)伸性測試

當(dāng)控制粗紗與長絲間距為2、5、8 mm時(shí)，通過更換齒輪更改細(xì)紗機(jī)設(shè)定捻度，分析細(xì)紗捻度對生物基錦綸56賽絡(luò)菲爾紗強(qiáng)伸性有何影響。測試結(jié)果如圖6所示。

由圖6可以看出當(dāng)控制粗紗與長絲間距為2、5、8 mm時(shí),隨著細(xì)紗捻度的增加，生物基錦綸56賽絡(luò)菲爾紗的斷裂強(qiáng)力、斷裂強(qiáng)度也隨著增強(qiáng)。賽絡(luò)菲爾紡紡紗的時(shí)候，須條先在三角區(qū)經(jīng)過弱捻再強(qiáng)捻，隨著捻度的增加兩部分的捻度都得到加強(qiáng)，N56纖維間的摩擦阻力增加,使須條在斷裂過程中承受強(qiáng)力增加，紗線被拉伸至斷裂時(shí)，一部分是由于斷裂截面內(nèi)部分纖維發(fā)生斷裂，另外一部分是由于短纖維的脫落引起的斷裂，而通過加捻可以使短纖與長絲相互包纏，在臨界捻度范圍內(nèi)隨著捻度的增加，包纏效果會更好，有效減少了短纖維的滑落，因此紗線的強(qiáng)力變得更好強(qiáng)力不勻率也隨著加捻得到顯著改善。

圖6 不同捻度生物基錦綸56賽絡(luò)菲爾紗的斷裂強(qiáng)力與強(qiáng)度Fig.6 The breaking strength and elongation of bio-based polyamide 56 Sirofil yarn with different twists

2.5 不同捻度條干、毛羽測試

當(dāng)控制N56長絲與粗紗間距為2、5、8 mm時(shí)，通過更換齒輪改變細(xì)紗機(jī)捻度，不同捻度時(shí)生物基錦綸56賽絡(luò)菲爾紗條干、毛羽測試結(jié)果如圖7所示。

由圖7可以看出當(dāng)控制N56長絲與粗紗間距為2、5、8 mm時(shí)，隨著捻度的不斷增加，所紡的生物基錦綸56賽絡(luò)菲爾紗條干先變差后變好，在捻度增加到120.34捻/10 cm時(shí)條干最好，毛羽也隨著捻度的增加變好。由于N56長絲光滑，與粗紗間抱合力較差，同時(shí)由于粗紗牽伸不均，導(dǎo)致纖維未能及時(shí)受到牽伸從而相互擠壓形成棉結(jié)，也可能是捻度不均造成條干不均。而隨著捻度增加，紗線頭端被擠出的纖維被擠進(jìn)紗線內(nèi)部，漏出紗線表面的有害纖維減少，毛羽變得更好。

圖7 不同捻度生物基錦綸56賽絡(luò)菲爾紗的條干毛羽Fig.7 The evenness and hairiness of bio-based polyamide 56 Sirofil yarn with different twists

2.6 捻度、間距同時(shí)繼續(xù)增加時(shí)紗線性能測試

由表4可以看出當(dāng)設(shè)定捻度為120.34捻/10 cm,間距由5 mm加到8 mm時(shí)，紗線強(qiáng)力降低，但條干毛羽變好，所以考慮繼續(xù)增加長絲與粗紗間距為 8～10 mm、捻度為130.14捻/10 cm時(shí)，紗線性能如何變化，120.34捻/10 cm是否為臨界捻度。紗線性能測試結(jié)果如表5所示。

由表5可以看出當(dāng)長絲與粗紗間距和細(xì)紗機(jī)設(shè)定捻度繼續(xù)增加時(shí)，所紡的生物基錦綸56賽絡(luò)菲爾紗的斷裂強(qiáng)力、強(qiáng)度降低，毛羽值基本不變，而其條干變差。結(jié)果表明：由于間距和捻度增大，捻度在120.34 捻/10 cm時(shí)到達(dá)臨界點(diǎn)，繼續(xù)增加捻度，紗線強(qiáng)力降低，隨著間距增加加捻三角區(qū)變長，而加捻三角區(qū)處JC/N56混紡粗紗只有弱捻，三角區(qū)越長越容易受到意外牽伸，條干越差。綜合考慮，當(dāng)N56長絲與JC/N56混紡粗紗間距為8 mm、細(xì)紗機(jī)設(shè)定捻度為120.34捻/10 cm時(shí)，所紡的生物基錦綸56賽絡(luò)菲爾紗最優(yōu)。

表5 生物基錦綸56賽絡(luò)菲爾紗增大捻度和間距后的性能Tab.5 The performance of bio-based polyamide 56 Sirofil yarn after increasing the twist and spacing

3 結(jié) 論

本文應(yīng)用生物基錦綸56作為紡制賽絡(luò)菲爾紗的原料，減少了傳統(tǒng)化纖制備過程中造成的污染，同時(shí)也從源頭上石油開發(fā)利用對環(huán)境造成的影響，具有可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。在生物基錦綸56賽絡(luò)菲爾紗的開發(fā)中得到以下幾個(gè)結(jié)論：

a)紡紗過程中要嚴(yán)格保證膠輥與膠圈之間具有足夠的握持力，避免N56長絲在牽伸時(shí)和在三角區(qū)位置中可能會發(fā)生相對滑移，導(dǎo)致長絲遭到意外滑移，三角區(qū)間距改變，成紗質(zhì)量變差。

b)隨著長絲與粗紗間距增加到8～10 mm捻度增加到127.42捻/10 cm時(shí)，所紡生物基錦綸56賽絡(luò)菲爾紗強(qiáng)力、強(qiáng)度降低。由于三角區(qū)變長，而加捻三角區(qū)只有弱捻，容易受到意外牽伸，紗線條干變差。

c)綜合考慮，當(dāng)N56長絲與JC/N56混紡粗紗間距為8 mm捻度為120.34捻/10 cm時(shí)，所紡出的紗線強(qiáng)伸性、條干毛羽最優(yōu)。