“十”字異形截面纖維工藝探討

潘光宇

（江蘇恒力化纖股份有限公司，江蘇 蘇州 215226）

“十”字異形截面纖維采用特殊的“十”字截面設(shè)計，由于纖維表面有較多的微細(xì)溝槽，會產(chǎn)生毛細(xì)現(xiàn)象，有較強的吸濕排汗功能，并且由于纖維異形截面與皮膚的接觸點大幅度減少，可以達(dá)到導(dǎo)濕快干的目的。由此纖維織成的布料因具有優(yōu)異的吸濕排汗功能以及良好的透氣性，可以提高產(chǎn)品的附加值，具有廣闊的發(fā)展前景。

1 試制情況

1.1 原料

恒力化纖B線聚酯熔體：特性黏度為（0.678±0.003）dL/g，熔點為260.2 ℃；油劑：竹本油劑，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.00%。

1.2 生產(chǎn)裝置

吉瑪BN90 PLUS紡絲箱體；TMT ATI-614R/12型卷繞機。

1.3 測試裝置

風(fēng)速儀：日本加野KMAOMAX；強伸儀：常州紡織儀器廠-YG023B型全自動單紗強力機；條干儀：USTER TESTER4型；顯微鏡：nikon。

1.4 “十”字型孔噴絲板微孔形狀

“十”字型孔噴絲板微孔形狀如圖1所示。

圖1 噴絲板微孔放大圖

2 工藝流程和主要工藝參數(shù)

聚酯長絲交接點→分配閥→增壓泵→靜態(tài)混合器→熱交換器→紡絲箱體→計量泵→組件→側(cè)吹風(fēng)冷卻→上油→加熱拉伸定型→卷繞。

現(xiàn)將影響成品絲異形度、截面完整率和物性指標(biāo)的幾個主要工藝參數(shù)繪制成魚刺圖，工藝設(shè)計思路如圖2所示。

圖2 工藝設(shè)計思路

3 結(jié)果與討論

3.1 紡絲溫度和紡絲組件紡絲工藝參數(shù)的選擇

紡絲過程中的工藝參數(shù)決定了纖維在成型過程中的變化，對可紡性、卷線性甚至成品絲的結(jié)構(gòu)和性能都有重要影響。適宜的紡絲溫度能增強可紡性，達(dá)到理想的物性。通常情況下，紡絲溫度需控制在280.0～290.0 ℃。在適宜的紡絲溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，熔體黏度開始減小，使熔體的均勻性和流變性得以提高，產(chǎn)品的可紡性也隨之提高，同時降低了產(chǎn)品的預(yù)取向度和截面不勻率。因此，適當(dāng)提高紡絲溫度能有效降低紡絲過程中的轉(zhuǎn)速梯度，減小紡絲張力。

紡絲的保溫溫度不宜過高，過高的紡絲溫度會導(dǎo)致絲條的凝固點上下波動、條干不勻率提高以及染色優(yōu)等品數(shù)量減少，在卷裝成型過程中會產(chǎn)生大量毛圈絲，造成外觀降等多的情況，也會出現(xiàn)斷頭增多的情況。過高的紡絲溫度會加速聚酯熔體降解，導(dǎo)致黏度下降，繼而造成計量泵前壓降低或出現(xiàn)波動，同時使組件壓強降低，可紡性降低。如果溫度過低，熔體會因流動黏度過高，在噴絲板孔內(nèi)的剪切應(yīng)力增大，導(dǎo)致熔體破裂，并使其可紡性降低[1]。

箱體對紡絲構(gòu)件起到保溫作用。由于長絲紡絲部分泵供量較小，箱體內(nèi)熔體輸送管道直徑相應(yīng)較小，熔體受熱比表面積較大，顯著影響熔體溫度。因此，在實際生產(chǎn)中，可以通過調(diào)整箱體溫度控制熔體溫度。另外，箱體溫度對噴絲板表面溫度的影響也較大。如果板面溫度較低，紡出的絲質(zhì)地較硬，易產(chǎn)生毛絲、飄絲、斷頭等；如果板面溫度過高，容易產(chǎn)生注頭絲，出現(xiàn)黏板等現(xiàn)象，鏟板難度較大。通過試驗得出箱體溫度一般控制在286.0～293.0 ℃。

在常規(guī)紡絲速度下，“十”字形孔噴絲板微孔的內(nèi)表面積大于常規(guī)噴絲板的圓形微孔，并且“十”字形異形纖維的形成過程中存在不規(guī)則的橫截面。當(dāng)熔體滴流從噴絲孔噴出時，通過噴絲孔的熔體滴流會產(chǎn)生較大的阻力和不規(guī)則的流速，導(dǎo)致聚酯熔體流出噴絲孔時出現(xiàn)明顯的擠出膨脹，嚴(yán)重時噴絲板上會出現(xiàn)黏板現(xiàn)象，可紡性較低。在絲條從噴絲孔噴出的過程中，紡絲熔體細(xì)流的流變性和可紡性對溫度有很高的要求，要想讓紡絲過程順利進(jìn)行，適宜的熔體溫度是重要的條件。當(dāng)熔體溫度過高時，熔體黏度極低，不能正常紡絲；當(dāng)熔體溫度過低時，熔體黏度高、可紡性較低、纖維均勻度低。因此，嚴(yán)格控制紡絲熔體溫度是紡絲順利進(jìn)行的關(guān)鍵。熔體溫度是氣相熱煤爐控制的箱體溫度和紡絲組件內(nèi)熔體與金屬砂產(chǎn)生摩擦溫升的總和。當(dāng)紡絲熔體通過組件過濾網(wǎng)金屬砂和噴絲孔時會受到阻力，熔體克服這個阻力流動產(chǎn)生的壓力即組件壓力。當(dāng)高壓紡絲時，組件壓力為98～245 bar（1 bar=100 kPa），滌綸絲成品質(zhì)量較好。隨著組件使用時間的延長，過濾層中的雜質(zhì)逐漸增多，阻力越來越大，導(dǎo)致組件的壓力越來越大。對于組件壓力，工藝上主要考慮上機的初始壓力和后續(xù)使用的升壓速度，與過濾層的泵供量、熔體溫度及黏度等有關(guān)，一般以98～147 bar為宜。初期壓力可以通過計算得出，也可以從實際經(jīng)驗出發(fā)，確定一個合適的濾材配方，達(dá)到預(yù)期要求。當(dāng)組件正常使用時，組件在單位時間內(nèi)（小時或天）壓力上升的程度叫升壓速度[2]。

表1是箱體溫度與組件壓力不同搭配呈現(xiàn)的紡絲狀態(tài)（由于受到生產(chǎn)現(xiàn)狀的影響，箱體溫度只能在287.0～293.0 ℃調(diào)整）。

表1 不同箱體溫度與組件壓力狀態(tài)下的紡絲狀況

從表1可以看出，當(dāng)箱體溫度低于287.0 ℃、組件壓力小于160 bar時，紡絲熔體在噴絲板微孔出口處的流動性降低，熔體固化速度較快，導(dǎo)致單絲破裂，紡絲出現(xiàn)飄絲現(xiàn)象。但當(dāng)箱體溫度和組件壓力過高時，熔體的流動黏度過度降低，輕者使“十”字形纖維的異形度減小，嚴(yán)重時會導(dǎo)致熔體粘在噴絲板表面從而使可紡性下降。因此，合理調(diào)整箱體溫度和部件初壓是紡絲穩(wěn)定的關(guān)鍵所在。通過一系列工藝調(diào)試試驗得出結(jié)論，當(dāng)箱體溫度在290.0 ℃和組件初期壓力大于160 bar時，飄絲的問題能妥善解決。

3.2 緩冷區(qū)域和冷卻條件

緩冷區(qū)（無風(fēng)區(qū)）：在噴絲板下設(shè)置密閉區(qū)（無風(fēng)區(qū)）非常重要，因為聚酯熔體從噴絲板中被擠出，由于高分子物質(zhì)的彈性記憶效應(yīng)，產(chǎn)生了擠出物脹大的現(xiàn)象，不利于異形絲成品異形度的提高。此時的熔體細(xì)流溫度較高，細(xì)流十分脆弱，經(jīng)不起任何氣流的沖擊。通過試驗得出緩冷區(qū)長度在30～50 mm之間時產(chǎn)品異形度高、產(chǎn)品質(zhì)量高、紡絲穩(wěn)定性高。

滌綸長絲生產(chǎn)冷卻方式常見的有側(cè)吹風(fēng)和環(huán)吹風(fēng)兩種。本產(chǎn)品選用側(cè)吹風(fēng)的方式，主要有3個參數(shù)：風(fēng)溫、濕度和風(fēng)速（風(fēng)量）。側(cè)吹風(fēng)網(wǎng)面上的出風(fēng)均勻度也極為重要。側(cè)吹風(fēng)風(fēng)溫一般控制在20.0～25.0 ℃，在實際生產(chǎn)中，根據(jù)生產(chǎn)品種的紡速調(diào)整風(fēng)溫，本產(chǎn)品側(cè)吹風(fēng)溫度控制在20.0 ℃左右。

側(cè)吹風(fēng)需要有一定的濕度，合適的濕度可以減少絲條摩擦產(chǎn)生的靜電、絲條的抖動或跳動。適宜的濕度容易傳熱，有利于絲條降溫，對成品的強度、伸長等物性也有一定的作用。側(cè)吹風(fēng)濕度通?？刂圃?0.00%～90.00%，本品種控制在85.00%左右。

風(fēng)速對滌綸長絲的預(yù)取向（雙折射）和紡絲拉伸有較大作用。隨著風(fēng)速的加快，紡絲拉伸倍數(shù)也在增加，這是因為風(fēng)速快時冷卻效果好，凝固點朝著噴絲板方向移動，縮小了形變區(qū)，在熔體凝固前所受到的拉伸作用減弱。此外，較快的風(fēng)速可改善染色不勻的情況，降低條干不勻率，提高產(chǎn)品抗室外氣流干擾的能力。但風(fēng)速過快會引起絲條搖晃和抖動，也容易將噴絲板表面吹冷，進(jìn)而引發(fā)成品物性指標(biāo)不佳的后果。不同纖度的絲條散熱風(fēng)速如表2所示[3]。

表2 冷卻風(fēng)速參考

與圓形截面纖維相比，異形截面纖維的比表面積更大，所以能更好地散熱，冷卻速度會加快，固化點會明顯向上轉(zhuǎn)移，絲條內(nèi)外層溫度差異加大，絲條表層所受到的拉伸應(yīng)力在局部集中，容易造成絲條損傷，形成毛圈絲，影響后道加工使用。因此，在生產(chǎn)異形絲時，應(yīng)適當(dāng)緩和冷卻條件，提高風(fēng)溫，減緩風(fēng)速，以此延緩冷卻速度，延長塑性區(qū)，使凝固點下移，減小噴絲板的拉伸張力。但如果冷卻速度過慢，則會因熔體擠出物脹大效應(yīng)使異形絲截面趨于圓形，因此，冷卻條件不能過于柔和。合適的冷卻條件會降低產(chǎn)品的條干不勻率，實際工藝調(diào)試過程中各風(fēng)速下的條干不勻率結(jié)果如表3所示。

表3 各風(fēng)速下的條干不勻率數(shù)值

通過調(diào)整緩冷區(qū)長度和側(cè)吹風(fēng)風(fēng)速，確定最佳緩冷區(qū)和冷卻條件，保證“十”字形纖維的異形度和截面完整率，選用30 mm緩冷區(qū)長度，試驗過程及對比如圖3至圖7以及表4、表5所示。

表4 緩冷區(qū)試驗圖片及截面對比

表5 側(cè)吹風(fēng)試驗及截面對比

圖3 緩冷區(qū)50 mm截面

圖4 緩冷區(qū)30 mm截面

圖5 風(fēng)速0.4 m/s截面

圖6 風(fēng)速0.5 m/s截面

圖7 風(fēng)速0.6 m/s截面

綜合圖3至圖7的截面圖以及表4和表5的數(shù)據(jù)可以看出，在縮短緩冷區(qū)和加快側(cè)吹風(fēng)速的情況下，“十”字異形纖維的異形度有了較大程度的提高。

3.3 上油

在生產(chǎn)“十”字截面異形絲時，對油劑的鋪展性能、抱合性、滲透性和在絲條表面形成油膜的牢固度要求較高，這樣才能保證油劑在絲條表面形成非常均勻的油膜，進(jìn)而減小絲條與空氣的摩擦阻力，減少絲條與絲路上導(dǎo)絲器件的摩擦，提高絲束間的抱合性和抗靜電性。由于“十”字截面異形絲的比表面積比常規(guī)圓孔截面絲大得多，一旦整體上油不足，則絲束抱合不好，會生產(chǎn)出大量毛圈絲降等產(chǎn)品。同時上油量也不能過大，否則產(chǎn)品在后道加工生產(chǎn)中容易打滑，在日常生產(chǎn)過程中也會造成纏輥嚴(yán)重、難以正常穩(wěn)定生產(chǎn)的后果。經(jīng)過工藝調(diào)試得出結(jié)論，當(dāng)含油量在0.80%左右時，其生產(chǎn)穩(wěn)定性和后道使用效果均達(dá)到最佳狀態(tài)。

3.4 卷繞生產(chǎn)工藝

本產(chǎn)品是以全拉伸絲（FDY）生產(chǎn)仿制高取向絲（High Oriented Yarn，HOY）的一種新型產(chǎn)品。HOY的取向度是由紡絲熔體從噴絲孔流出后冷卻成型，在固化過程中經(jīng)高速紡絲拉伸，使高分子鏈在聚合物中重新進(jìn)行有序排列得到的。其中，高速紡絲拉伸是通過絲條與空氣的劇烈摩擦并卷曲實現(xiàn)的，拉伸倍數(shù)越大，卷繞張力越大，在卷繞機上卷成成品的難度就越大。本產(chǎn)品為保證更大的拉伸倍數(shù)和更好的產(chǎn)品成型，絲條在冷卻固化后先經(jīng)過常溫的第一熱輥和分絲輥，再經(jīng)過高溫的第二熱輥。通過第二熱輥的定型加熱，釋放剩余張力，同時第二熱輥的設(shè)定速度要大于卷繞速度，形成超喂，使卷繞張力進(jìn)一步降低，從而保證產(chǎn)品的優(yōu)異成型。成品絲截面和物性指標(biāo)如圖8與表6所示。

表6 成品“十”字異形纖維的物性指標(biāo)

圖8 成品絲截面

4 結(jié)論

（1）當(dāng)箱體溫度控制在290.7 ℃、組件初壓控制在158 bar左右時，“十”字異形纖維的紡絲穩(wěn)定性較好。

（2）當(dāng)緩冷區(qū)長度控制在30～40 mm、風(fēng)速控制在0.5～0.6 m/s時，可以保證成品絲異形度和截面完整率較高。

（3）本品含油量控制在0.80%時生產(chǎn)穩(wěn)定性較好。

（4）選擇合理的生產(chǎn)工藝參數(shù)（主要工藝參數(shù)如表7所示），在常規(guī)的紡絲生產(chǎn)設(shè)備上開發(fā)生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的“十”字異形纖維，使產(chǎn)品具有高附加值、品種多樣化。

表7 主要工藝參數(shù)