彩色夜光聚丙烯纖維紡絲工藝探討

范艷蘋,陶仁中,汪樂江

(浙江省現(xiàn)代紡織工業(yè)研究院, 浙江 紹興 312081)

彩色夜光聚丙烯纖維紡絲工藝探討

范艷蘋,陶仁中,汪樂江

(浙江省現(xiàn)代紡織工業(yè)研究院, 浙江 紹興 312081)

以熔體流動(dòng)指數(shù)為每10 min 40g的聚丙烯(PP)為原料,以稀土長余輝蓄光型夜光粉和原液著色顏料為添加劑，采用獨(dú)特的分散技術(shù)，使夜光粉和顏料與PP基體充分混合均勻；以添加夜光粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的PP為皮層，顏料質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的PP為芯層，通過皮芯復(fù)合紡絲，紡制彩色夜光PP纖維，探討了其紡絲工藝條件。結(jié)果表明：當(dāng)夜光粉粒徑小于等于4 μm，皮芯質(zhì)量比40:60，紡絲溫度230 ℃，拉伸倍數(shù)4.0時(shí)，紡絲順利，纖維性能較好；紡制的167 dtex/24 f彩色夜光PP纖維夜光效果達(dá)到吸光15 min，持續(xù)發(fā)光肉眼可見超過10 h，纖維的力學(xué)性能達(dá)到丙綸拉伸絲一等品標(biāo)準(zhǔn)。

聚丙烯纖維 夜光粉 原液著色 夜光纖維 熒光亮度

發(fā)光纖維是指在普通光或特殊光照射下能夠發(fā)光的功能纖維。夜光纖維作為發(fā)光纖維的一種，主要是利用稀土材料作為發(fā)光體，以聚酯、聚酰胺或聚丙烯(PP)樹脂為基質(zhì)，添加稀土鋁酸鹽微粒和納米級(jí)助劑， 經(jīng)過紡絲制成的具有夜光性能的蓄能纖維，該纖維具有在受光照射時(shí)捕集激發(fā)態(tài)電子，然后進(jìn)行持續(xù)發(fā)光躍遷的功能[1-2]。夜光纖維制成的紡織品在白天具有與普通纖維一樣的使用性能，不會(huì)使人感到有任何特異之處，更重要的是，其發(fā)光成分已經(jīng)分散于纖維分子之中，發(fā)光特性不會(huì)受水洗的影響[1]。

目前已研制出的夜光纖維可呈現(xiàn)多種色彩，如紅色、黃色、藍(lán)色、綠色等。蓄光型彩色夜光纖維色光絢麗多彩，最終產(chǎn)品無需染色，避免了染整工序產(chǎn)生的廢水對(duì)環(huán)境的嚴(yán)重污染，廣泛應(yīng)用于紡織服裝、航空航海、國防工業(yè)、建筑裝飾、交通運(yùn)輸、夜間作業(yè)、日常生活及娛樂休閑等領(lǐng)域。

以前人們一般采用單組份共混紡絲的辦法生產(chǎn)夜光纖維,由于夜光粉粒徑比較大,給纖維的強(qiáng)度帶來不利影響，妨礙了纖維的應(yīng)用，而且基體聚合物的紡絲溫度高，造成纖維的熒光亮度衰減，效果不佳，為此，作者選取稀土長余輝型蓄光夜光粉，克服以往粉體發(fā)光強(qiáng)度弱，對(duì)人體有不良影響的缺陷；夜光粉和顏料能和基體聚合物充分混合均勻，纖維中夜光粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)5%以上；采用皮芯紡絲技術(shù)，選擇不同的皮芯復(fù)合比例和高熔體流動(dòng)指數(shù)(MFI)的PP原料，以降低紡絲溫度、提高拉伸倍數(shù)從而達(dá)到提高纖維強(qiáng)度的目的。

1 試驗(yàn)

1.1 原料和設(shè)備

蓄光型夜光母粒：PP基黃綠光長余輝稀土熒光母粒，夜光粉體質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%，MFI每10 min 33 g,自制；Exxon 3155E3型PP切片：MFI每10 min 28 g;以Exxon 3155E3 PP切片為基料的高M(jìn)FI PP切片：MFI為每10 min 40 g，自制;原液著色色母粒：粉紅、嫩黃、灰色，顏料質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%,MFI為每10 min 35 g,自制。

紡絲設(shè)備：雙組份皮芯組件，單部位雙組份熔融紡絲機(jī)，自制；ZG-45動(dòng)態(tài)真空干燥機(jī)：杭州創(chuàng)勝紡織科技有限公司制；XRZ 400A熔融指數(shù)測定儀：長春市第二材料試驗(yàn)機(jī)廠制；Statimat M強(qiáng)伸儀：德國Textechna公司制；PR-305長余輝熒光粉余輝測量系統(tǒng)：浙大三色儀器有限公司制；壓差法SF-1型微量水份測定儀：上海精密儀器儀表有限公司制。

1.2 彩色夜光PP纖維的紡制

原料紡前準(zhǔn)備：儲(chǔ)光型夜光母粒于105 ℃溫度，抽真空動(dòng)態(tài)干燥10 h，烘干后母粒含水率小于20 μg/g。PP切片在105 ℃下抽真空動(dòng)態(tài)干燥2 h，烘干后切片含水率小于100 μg/g。PP不含結(jié)晶水，紡絲時(shí)無需干燥，但由于添加了夜光粉體容易吸水變質(zhì)，因此也需要控制水分。

皮層儲(chǔ)光型夜光PP/ 芯層原液著色PP：在皮層混合熒光母粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%，實(shí)際粉體質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%；芯層添加色母粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%，實(shí)際顏料質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%。

紡絲工藝：紡絲速度1 200 m/min，螺桿溫度215～245 ℃，箱體溫度230～245 ℃，拉伸倍數(shù)3～4。皮芯質(zhì)量比為40:60或50:50或60:40。

1.3 分析與測試

含水率：參照GB/T 14190—2008《纖維級(jí)聚酯(PET)切片試驗(yàn)方法》,采用壓差法SF-1型微量水份測定儀測試。

纖維力學(xué)性能：按照GB/T 14344—2008《化學(xué)纖維 長絲拉伸性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測試。

熒光效果：采用PR-305長余輝熒光粉余輝測量系統(tǒng)測試。每種纖維各取(15±0.1) g,繞在6 cm×6 cm的工字板上，激發(fā)照度1 029 lx,激發(fā)時(shí)間15 min,等待10 s后檢測，得到初始熒光亮度。余輝采樣時(shí)間15～600 min。

2 結(jié)果和討論

2.1 熒光粉體粒徑

從發(fā)光的原理上分析，使用同種熒光粉制成的夜光纖維熒光強(qiáng)度與熒光粉的粒徑成正比，和熒光粉的添加量成正比。激發(fā)光強(qiáng)和激發(fā)時(shí)間只對(duì)初始亮度產(chǎn)生較大的差異，初始亮度大，衰減速率反而更快，15 min后熒光亮度趨向接近[2]。通過對(duì)粒徑分別為1～2 μm、4～6 μm和大于等于10 μm的熒光粉體進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)了相似的規(guī)律。考慮到纖維的直徑一般在30 μm以下,為使纖維保證織造所需的必要強(qiáng)度,兼顧纖維的熒光強(qiáng)度,選擇熒光粉的粒徑小于等于4 μm為佳。

2.2 紡絲溫度

熒光粉體對(duì)溫度比較敏感，因此實(shí)驗(yàn)中以MFI為每10 min 28 g的Exxon 3155E3 PP切片和以此切片為基材自制MFI為每10 min 40 g的PP切片為原料進(jìn)行對(duì)比紡絲。從表1可知，兩種MFI的PP切片在紡絲溫度介于230～245 ℃時(shí)熔體流動(dòng)都很穩(wěn)定,沒有出現(xiàn)飄絲情況。在此溫度范圍內(nèi)提升溫度對(duì)提高M(jìn)FI為每10 min 40 g PP纖維拉伸倍數(shù)的作用不太明顯。但紡絲溫度在230 ℃時(shí)MFI高的PP切片紡絲性能更佳，拉伸倍數(shù)可以更大，這對(duì)提高纖維的強(qiáng)度更加有利，因此選擇高M(jìn)FI的PP切片有利于在較低工藝溫度下紡絲。

表1 不同MFI的PP的紡絲溫度及工況Tab.1 Spinning temperature and operation condition for PP with different MFI

注：皮芯復(fù)合質(zhì)量比為40:60。

從表2可知，4#試樣斷裂強(qiáng)度最大，變異系數(shù)最小，達(dá)到丙綸拉伸絲一等品的指標(biāo)。分析認(rèn)為PP的熔點(diǎn)為164～170 ℃，但由于表觀黏度高，所以紡絲溫度較高，隨著紡絲溫度的提高，使PP相對(duì)分子質(zhì)量大幅降低[3]，聚合物相對(duì)分子質(zhì)量分布變寬，從而影響了纖維的拉伸性能，造成纖維強(qiáng)度下降。綜合以上因素，確定較佳的紡絲工藝條件如下：以MFI為每10 min 40 g的PP為原料，紡絲溫度為230 ℃，拉伸倍數(shù)為4。

表2 PP纖維的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率Tab.2 Breaking strength and elongation at break of PP fiber

注：纖維規(guī)格為167 dtex/24 f。

2.3 皮芯質(zhì)量比

由于顏料對(duì)熒光有阻擋作用[4]，因此在確定紡絲工藝的情況下，將熒光母粒添加到皮層中，芯層添加原液色母粒。紡絲溫度為230 ℃，紡絲速度1 200 m/min，纖維規(guī)格167 dtex/24 f，測試不同皮芯比例的PP纖維熒光衰減情況，見表3。由表3可知，不同皮芯質(zhì)量比的PP夜光纖維在初始熒光亮度上差異較大，但在15 min后初始熒光亮度大的纖維衰減速度大于熒光亮度小的夜光纖維，在60 min后3種皮芯質(zhì)量比的PP夜光纖維的熒光亮度較為接近。人眼在極端黑暗條件下的分辨力為0.32 mcd/m2,不同皮芯質(zhì)量比的PP纖維余輝時(shí)間600 min后的熒光亮度仍高于肉眼的分辨力，都符合要求。

由表4可知,皮芯質(zhì)量比為40:60的夜光纖維強(qiáng)度最大，達(dá)到丙綸拉伸絲一等品標(biāo)準(zhǔn)。分析認(rèn)為，為保證較大的熒光亮度，選用的夜光粉體粒徑大，粉體粒徑離散率也大，大顆粒存在的地方形成纖維的薄弱點(diǎn)，纖維的強(qiáng)度主要由芯層支撐，所以皮層比例的提高，造成纖維斷裂強(qiáng)度下降，強(qiáng)度變異系數(shù)增大。反之皮層比例越小越有利于PP夜光纖維強(qiáng)度的提高。在實(shí)際生產(chǎn)中PP夜光纖維的熒光衰減時(shí)間長短比熒光的初始亮度更有意義，因此紡制PP夜光纖維時(shí)選擇皮芯質(zhì)量比為40:60的應(yīng)用價(jià)值更大。

表4 皮芯質(zhì)量比對(duì)PP夜光纖維斷裂強(qiáng)度的影響Tab.4 Effect of sheath-to-core mass ratio on breaking strength of luminescent PP fiber

3 結(jié)論

a. 在紡制彩色夜光PP纖維時(shí)考慮熔體的可紡性，熒光粉體的粒徑應(yīng)小于等于4 μm；粒徑越大初始熒光亮度越大，衰減呈非線性變化，在60 min后熒光亮度接近。

b. 皮芯質(zhì)量比為40:60可以保證纖維有較高的強(qiáng)度，皮層含熒光粉體質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的皮芯結(jié)構(gòu)PP夜光纖維能保持10 h肉眼可以分辨。

c. 在合理的溫度范圍內(nèi)，選用MFI為每10 min 40 g的PP切片在較低溫度下紡絲，熔體流動(dòng)性更好，拉伸倍數(shù)更高，纖維強(qiáng)度也更高。

d. 皮層比例增加，纖維的斷裂強(qiáng)度下降，斷裂強(qiáng)度變異系數(shù)增大。

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Discussion of spinning process of colored luminescent polypropylene fiber

Fan Yanping, Tao Renzhong, Wang Lejiang

(ZhejiangInstituteofModernTextileIndustry,Shaoxing312081)

A high-melting index polypropylene (PP) with the melt flow index of 40 g per 10 min as raw material was completely uniformly dispersed with rare earth long afterglow light-retaining luminous powder and dope pigment through a special dispersion technique. A colored luminescent PP fiber was prepared with PP containing 5% luminous powder by mass fraction as the sheath and PP with 1% dope pigment by mass fraction as the core via sheath-core composite spinning process. The spinning process conditions were discussed. The results showed that the spinning process proceeded smoothly and the produced fiber exhibited good properties when the particle size of luminescent powder was not higher than 4 μm, the sheath-core mass ratio 40:60, spinning temperature 230 ℃, draw ratio 4.0; the produced luminescent PP fiber of 167 dtex/24 f possessed the light-absorbing for 15 min, sustainable visible light over 10 h and the mechanical properties reaching the top-quality standard of PP fully-drawn yarn.Key words: polypropylene fiber; luminescent pigment; dope dyeing; luminescent fiber; fluorescent brightness

2017- 01- 08； 修改稿收到日期：2017- 04-23。

范艷蘋(1981—)，女，碩士，主要從事功能性纖維及功能紡織品的研發(fā)與項(xiàng)目管理。E-mail：fan_yan_ping@163.com。

浙江省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(2009R50013)。

TQ342.62

B

1001- 0041(2017)03- 0067- 03