石墨烯改性中空滌綸短纖維生產(chǎn)工藝探討

鄭 權(quán),孫道華,莊耀中,沈 虹,胡興其,吳 斌

(1.湖州市中磊化纖有限公司,浙江 湖州 313021; 2.新鳳鳴集團(tuán)股份有限公司,浙江 桐鄉(xiāng) 314513)

目前,應(yīng)用于家紡、家居、玩具填充等領(lǐng)域具有抗菌、遠(yuǎn)紅外、負(fù)離子、抗紫外線等功能的改性中空滌綸短纖維多為單一功能的中空滌綸短纖維,已經(jīng)無法滿足消費(fèi)者對(duì)功能性的需求,亟待開發(fā)出高性能、多功能的纖維產(chǎn)品。石墨烯集遠(yuǎn)紅外加熱、釋放負(fù)離子、抑菌抗菌、抗紫外線、防靜電等多功能于一體[1],在紡織行業(yè)的應(yīng)用日益廣泛,用石墨烯改性制備功能性紡織纖維成為近年來的研究熱點(diǎn)[2]。石墨烯改性中空滌綸短纖維作為復(fù)合功能性家用紡織品的重要原料,應(yīng)用前景廣闊[3-4]。

基于開發(fā)高附加值產(chǎn)品、提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力、填補(bǔ)湖州市中磊化纖有限公司復(fù)合功能滌綸短纖維產(chǎn)品空白的目的,作者以聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)熔體和石墨烯母粒為主要原料,通過在線添加裝置在熔體PET中添加石墨烯母粒進(jìn)行共混改性,在中空滌綸短纖維紡絲生產(chǎn)線和后處理聯(lián)合機(jī)上生產(chǎn)5.50 dtex石墨烯改性中空滌綸短纖維,探討生產(chǎn)工藝對(duì)可紡性和產(chǎn)品性能的影響,確定了較佳的生產(chǎn)工藝條件。

1 試驗(yàn)

1.1 原料

PET熔體:特性黏數(shù)(0.650±0.010)dL/g,端羧基含量(30.0±1.5)mol/t,熔點(diǎn)258 ℃,湖州市中磊化纖有限公司產(chǎn);石墨烯母粒:主要基體為PET,石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%,特性黏數(shù)為0.65～0.75 dL/g,熔點(diǎn)255 ℃,蘇州寶麗迪材料科技股份有限公司產(chǎn)。

1.2 主要設(shè)備及儀器

五釜流程聚合裝置:生產(chǎn)能力為600 kt/a,中國昆侖工程公司制;母粒在線添加裝置:無錫聚新科技股份有限公司制;中空滌綸短纖維紡絲生產(chǎn)線:邵陽紡織機(jī)械有限責(zé)任公司制;中空滌綸短纖維后處理聯(lián)合機(jī):恒天重工股份有限公司制;HX5-300型打包機(jī):上海邯祥機(jī)電成套設(shè)備有限公司制;PV 36型毛細(xì)管黏度儀:德國Lauda公司制;DGG-9070A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱:上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司制;XCP-1AN型纖維卷曲彈性儀:上海新纖儀器有限公司制;YG079型纖維梳棉分析機(jī):常州市華紡紡織儀器有限公司制;YG936D型纖維蓬松度測(cè)試儀:常州市華紡紡織儀器有限公司制。

1.3 生產(chǎn)工藝流程

600 kt/a五釜流程聚合裝置配置12條大容量直接紡滌綸短纖維生產(chǎn)線,其中有2條40 kt/a中空滌綸短纖維生產(chǎn)線。在中空滌綸短纖維生產(chǎn)線和后處理聯(lián)合機(jī)上采用在線添加裝置添加石墨烯母粒,生產(chǎn)5.50 dtex石墨烯改性中空滌綸短纖維,生產(chǎn)工藝流程見圖1。母粒在線添加裝置主要由吸料機(jī)、母粒干燥塔、螺桿擠壓機(jī)、母粒注入泵、動(dòng)態(tài)混合器組成,石墨烯母粒通過吸料機(jī)吸入母粒干燥塔,干燥后進(jìn)入螺桿擠壓機(jī)熔融擠出,由母粒注入泵按比例注入熔體輸送管道上的動(dòng)態(tài)混合器,聚酯裝置過來的PET熔體與石墨烯母粒熔體在動(dòng)態(tài)混合器中得到充分均勻的混合,實(shí)現(xiàn)熔體的共混改性;改性熔體進(jìn)入紡絲箱體經(jīng)噴絲組件擠出,由環(huán)吹冷卻裝置冷卻成形,再進(jìn)行給濕上油、卷繞集束、往復(fù)落桶等工序,制得石墨烯改性中空纖維原絲;原絲經(jīng)拉伸、卷曲、上油、切斷、松弛熱定型、打包等工序,制得石墨烯改性中空滌綸短纖維。

圖1 石墨烯改性中空滌綸短纖維生產(chǎn)工藝流程Fig.1 Production process of graphene modified hollow polyester staple fiber

石墨烯母粒在母粒干燥塔中160 ℃下干燥8 h,去除母粒中的水分,再經(jīng)過螺桿機(jī)壓機(jī)熔融擠出,螺桿機(jī)壓機(jī)各區(qū)溫度依次為270,275,285,290,285 ℃;由母粒注入泵精確計(jì)量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的母粒,注入動(dòng)態(tài)混合器,動(dòng)態(tài)混合器轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為35 Hz,將母粒熔體和PET熔體均勻混合,實(shí)現(xiàn)熔體共混改性。

生產(chǎn)的石墨烯改性中空滌綸短纖維產(chǎn)品規(guī)格為5.50 dtex,前、后紡主要工藝參數(shù)分別見表1、表2。

表1 前紡主要工藝參數(shù)Tab.1 Main fore-spinning process parameters

表2 后紡主要工藝參數(shù)Tab.2 Main post-spinning process parameters

1.4 分析與測(cè)試

特性黏數(shù):將改性熔體試樣溶解在苯酚和四氯乙烷的混合溶劑中,使用PV 36型毛細(xì)管黏度計(jì)進(jìn)行測(cè)定,儀器自動(dòng)計(jì)算試樣特性黏數(shù)。

含水率:使用電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱將石墨烯母粒加熱,使水分揮發(fā),根據(jù)加熱前后石墨烯母粒的質(zhì)量變化計(jì)算石墨烯母粒的含水率。

卷曲數(shù)、卷曲率:使用XCP-1AN型纖維卷曲彈性儀,在規(guī)定的負(fù)荷下,在一定的受力時(shí)間內(nèi),測(cè)定纖維的長度變化,讀取纖維的卷曲數(shù)和卷曲率。卷曲數(shù)是指纖維在受輕負(fù)荷時(shí)25 mm 長度內(nèi)的卷曲個(gè)數(shù);卷曲率是指纖維被拉直時(shí)表觀長度的增加部分占直挺纖維長度的比值,是表征纖維卷曲程度的指標(biāo)[5]。

蓬松度:使用YG079型纖維梳棉分析機(jī)和YG936D型纖維蓬松度測(cè)試儀測(cè)定纖維在規(guī)定負(fù)荷作用下和去除負(fù)荷后的體積,根據(jù)式(1)、式(2)計(jì)算纖維的蓬松度。

V1=Ak1/G

(1)

V2=Ak2/G

(2)

式中:V1為纖維在輕負(fù)荷(60 g)作用下的蓬松度,V2為纖維在重負(fù)荷(560 g)作用下的蓬松度,A為樣板面積(取100 cm2),h1為輕負(fù)荷(60 g)作用1 min下試樣的高度,h2為重負(fù)荷(560 g)作用1 min下試樣的高度,G為纖維質(zhì)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 石墨烯母粒干燥工藝

石墨烯母粒的含水率偏高,其熔體在熔融過程中會(huì)發(fā)生水解,導(dǎo)致紡絲毛絲、斷頭多[6]。因此,石墨烯母粒在進(jìn)入螺桿擠壓機(jī)之前,需在一定干燥溫度的干燥塔中進(jìn)行干燥,將石墨烯母粒含水率控制在60 μg/g以下。在干燥過程中,設(shè)定干燥時(shí)間為8 h的條件下,主要對(duì)干燥溫度進(jìn)行了試驗(yàn)。從表3可知:干燥溫度低,石墨烯母粒含水率高,干燥塔中石墨烯母粒結(jié)塊嚴(yán)重,紡絲時(shí)出絲不暢,紡絲過程不穩(wěn)定;干燥溫度設(shè)定在160 ℃時(shí),干燥過程順利,石墨烯母粒含水率為40 μg/g,紡絲狀況穩(wěn)定;干燥溫度達(dá)到170 ℃時(shí),石墨烯母粒在干燥塔中黏連結(jié)塊,造成堵料,影響干燥進(jìn)程。因此,選擇干燥溫度為160 ℃、干燥時(shí)間為8 h,可將石墨烯母粒含水量控制在較低的范圍內(nèi),并確保紡絲過程的順利。

表3 干燥溫度對(duì)石墨烯母粒含水率及紡絲狀況的影響Tab.3 Effect of drying temperature on moisture content of graphene masterbatch and spinning condition

2.2 石墨烯母粒添加量

中空滌綸短纖維生產(chǎn)中石墨烯母粒的添加量需滿足前后紡的可紡性要求。PET熔體中加入石墨烯小分子會(huì)導(dǎo)致PET大分子的規(guī)整性排列受到一定程度的破壞,熔體的特性黏數(shù)降低[7]。石墨烯母粒添加量越高,PET熔體特性黏數(shù)越低,會(huì)造成紡絲狀況變差,注頭絲、毛絲、斷頭增多,可紡性差。石墨烯母粒添加量對(duì)可紡性的影響見表4。

表4 石墨烯母粒添加量對(duì)可紡性的影響Tab.4 Effect of graphene masterbatch addition on spinnability

從表4可知:添加石墨烯母粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1.0%時(shí),PET熔體的特性黏數(shù)相對(duì)較高,前后紡生產(chǎn)穩(wěn)定,對(duì)可紡性和產(chǎn)品質(zhì)量有利;添加石墨烯母粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)2.0%及以上時(shí),PET熔體的特性黏數(shù)較低,紡絲時(shí)有注頭絲、毛絲產(chǎn)生。結(jié)合市場(chǎng)實(shí)際情況,后道家紡用戶多是將石墨烯改性中空滌綸短纖維與常規(guī)中空滌綸短纖維混紡使用,為保證產(chǎn)品的功能性,生產(chǎn)石墨烯改性中空滌綸短纖維時(shí)添加石墨烯母粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0%較為合適。

2.3 紡絲溫度

中空滌綸短纖維生產(chǎn)中,由于石墨烯小分子的加入,PET熔體的特性黏數(shù)下降,需適當(dāng)降低紡絲溫度穩(wěn)定紡絲狀況。紡絲溫度偏高,會(huì)加劇PET熔體的熱降解,使PET熔體特性黏數(shù)降低,紡絲過程中注頭絲、毛絲等異常情況增多,對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生影響;紡絲溫度偏低,有利于紡絲成形和產(chǎn)品質(zhì)量,但會(huì)影響纖維的拉伸性能,后紡拉伸纏輥增多[8]。從表5可知:紡絲溫度為282 ℃時(shí),前紡生產(chǎn)穩(wěn)定,后紡拉伸時(shí)出現(xiàn)纏輥;紡絲溫度為285 ℃時(shí),前后紡生產(chǎn)狀況都很穩(wěn)定,生產(chǎn)的石墨烯改性中空滌綸短纖維的蓬松度也較高;紡絲溫度超過288 ℃時(shí),紡絲狀況不穩(wěn)定,噴絲板面注頭絲、斷絲現(xiàn)象較多。因此,合適的紡絲溫度應(yīng)控制在285 ℃左右。

2.4 環(huán)吹風(fēng)冷卻工藝

環(huán)吹風(fēng)速度是影響石墨烯改性中空滌綸短纖維的卷曲率和蓬松度的決定性因素。在較高的環(huán)吹風(fēng)速度下,每根纖維的迎風(fēng)面和背風(fēng)面形成非對(duì)稱冷卻,非對(duì)稱冷卻使原絲獲得潛在的三維卷曲,原絲在后紡拉伸后,纖維展現(xiàn)出三維立體卷曲形態(tài)。環(huán)吹風(fēng)速度過低,冷卻不充分,非對(duì)稱冷卻不明顯,紡絲時(shí)僵絲、并絲多,纖維卷曲率和蓬松度低,卷形大,三維立體感差,回彈性差;環(huán)吹風(fēng)速度偏高,原絲冷卻過快,原絲拉伸困難,拉伸時(shí)斷頭、纏輥現(xiàn)象較多[9]。從表6可知:環(huán)吹風(fēng)速度為3.4 m/s時(shí),生產(chǎn)狀況和產(chǎn)品質(zhì)量都較為正常;環(huán)吹風(fēng)速度提高到3.6 m/s和3.8 m/s時(shí),纖維的卷曲率和蓬松度并沒有明顯增加,說明偏高的環(huán)吹風(fēng)速度對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量沒有貢獻(xiàn)。因此,生產(chǎn)石墨烯改性中空滌綸短纖維時(shí)選擇環(huán)吹風(fēng)速度為3.4 m/s較合適。

表6 環(huán)吹風(fēng)速度對(duì)可紡性及產(chǎn)品性能的影響Tab.6 Effect of circular air blow speed on spinnability and product properties

2.5 后紡拉伸工藝

前紡原絲經(jīng)過后紡拉伸,其潛在卷曲才能得到充分展現(xiàn),從而得到具有三維立體卷曲形狀的石墨烯改性中空滌綸短纖維產(chǎn)品,三維立體卷曲形狀賦予了纖維蓬松性和回彈性。纖維的卷曲率和蓬松度越高,表明纖維蓬松性、回彈性越好,填充被子或枕頭的效果也越好。

滌綸短纖維生產(chǎn)中后紡拉伸工藝參數(shù)主要是拉伸溫度和拉伸倍數(shù)。拉伸溫度較低時(shí),原絲在拉伸過程中會(huì)產(chǎn)生較大的拉伸應(yīng)力,且不會(huì)發(fā)生應(yīng)力松弛,拉伸困難、纏輥多,若拉伸倍數(shù)低,則原絲的潛在卷曲展現(xiàn)不充分,纖維的卷曲和蓬松度低;拉伸溫度較高時(shí),原絲在拉伸過程中的拉伸應(yīng)力降低,纖維的拉伸性能好,若拉伸倍數(shù)高,則原絲的潛在卷曲展現(xiàn)充分,纖維的卷曲率和蓬松度高,但過高的拉伸溫度會(huì)減小纖維內(nèi)在的應(yīng)力差和超分子結(jié)構(gòu)差異,從而抑制纖維潛在卷曲的釋放。從表7可知:拉伸溫度較低為55～60 ℃時(shí),拉伸倍數(shù)較低為2.65～2.73,拉伸過程中纖維纏輥嚴(yán)重;拉伸溫度為66 ℃時(shí),拉伸倍數(shù)可提高到2.80,后紡拉伸狀況穩(wěn)定,產(chǎn)品質(zhì)量好,說明拉伸后原絲的潛在卷曲展現(xiàn)充分;繼續(xù)提高拉伸溫度至70 ℃時(shí),拉伸倍數(shù)反而略有降低,拉伸時(shí)纖維容易斷裂,形成毛絲纏輥。因此,生產(chǎn)石墨烯改性中空滌綸短纖維時(shí)后紡拉伸合適的拉伸溫度為66 ℃、拉伸倍數(shù)為2.80。

表7 拉伸工藝對(duì)可紡性及產(chǎn)品性能的影響Tab.7 Effect of drawing process on spinnability and product properties

2.6 較佳生產(chǎn)工藝與產(chǎn)品質(zhì)量

通過上述分析得到生產(chǎn)5.50 dtex石墨烯改性中空滌綸短纖維的較佳工藝條件如下:PET熔體特性黏數(shù)(0.650±0.010)dL/g、石墨烯母粒特性黏數(shù)0.65～0.75 dL/g,石墨烯母粒干燥溫度160 ℃、干燥時(shí)間8 h,添加石墨烯母粒質(zhì)量分為1.0%,紡絲溫度285 ℃、環(huán)吹風(fēng)速度3.4 m/s,拉伸溫度66 ℃、拉伸倍數(shù)2.80。在較佳工藝條件下,干燥后石墨烯母粒含水率為40 μg/g,前后紡生產(chǎn)穩(wěn)定,無僵絲、并絲、纏輥、斷頭情況;產(chǎn)品質(zhì)量正常,三維立體卷曲感強(qiáng),蓬松、回彈性好。從表8可知,5.50 dtex石墨烯改性中空滌綸短纖維的卷曲數(shù)為6.5個(gè),卷曲率為16.7%,V1為154 cm3/g,V2為28 cm3/g,與同規(guī)格的常規(guī)中空滌綸短纖維相比,其卷曲性能和蓬松性指標(biāo)略有下降,但均達(dá)到了FZ/T 52004—2022《充填用中空滌綸短纖維》規(guī)定的質(zhì)量要求。

表8 5.50 dtex石墨烯改性中空滌綸短纖維的主要質(zhì)量指標(biāo)Tab.8 Main quality indexes of 5.50 dtex graphene modified hollow polyester staple fiber

另外,將使用5.50 dtex石墨烯改性中空滌綸短纖維充填的枕頭送到第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè),其抑菌率為99.5%(GB/T 20944.3—2008要求大于等于70%),保溫率為94%(FZ/T 73016—2000要求大于等于55%),遠(yuǎn)紅外發(fā)射率為92% (GB/T 30127—2013要求大于等于88%),負(fù)離子釋放量達(dá)5 500 個(gè)/cm3(GB/T 30128—2014要求大于1 000 個(gè)/cm3),這些功能指標(biāo)都達(dá)到了國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求,能夠滿足下游用戶對(duì)產(chǎn)品的功能性需求。

3 結(jié)論

a.石墨烯母粒的加入對(duì)PET熔體的特性黏數(shù)影響較大,在PET熔體中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的石墨烯母粒進(jìn)行共混改性,改性熔體的特性黏數(shù)控制在0.645 dL/g,生產(chǎn)的石墨烯改性中空滌綸短纖維產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)和功能性指標(biāo)均達(dá)到了國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

b.生產(chǎn)5.50 dtex石墨烯改性中空滌綸短纖維時(shí),選擇紡絲溫度為285 ℃、環(huán)吹風(fēng)速3.4 m/s,前紡生產(chǎn)穩(wěn)定,原絲具有良好的潛在三維卷曲;選擇拉伸溫度為66 ℃、拉伸倍數(shù)為2.80,后紡生產(chǎn)正常,原絲的潛在卷曲充分展現(xiàn),產(chǎn)品的三維立體卷曲感強(qiáng),蓬松、回彈性好。

c.5.50 dtex石墨烯改性中空滌綸短纖維的卷曲數(shù)為6.5個(gè),卷曲率為16.7%,V1為154 cm3/g,V2為28 cm3/g,與同規(guī)格的常規(guī)中空滌綸短纖維相比,其卷曲性能和蓬松性指標(biāo)略有下降,但均達(dá)到了FZ/T 52004—2022《充填用中空滌綸短纖維》規(guī)定的質(zhì)量要求;產(chǎn)品還具有優(yōu)異的功能性,抑菌率為99.5%,保溫率為94%,遠(yuǎn)紅外發(fā)射率為92%,負(fù)離子釋放量為5 500 個(gè)/cm3。