多功能液芯熔紡長絲

R. Hufeus， M. Heuberger， A. A. Leal

1. 瑞士聯邦材料科學與技術研究所 瑞士聯邦材料科學技術實驗室 高性能纖維實驗室(瑞士) 2. 瑞士ABB有限公司 絕緣和聚合物技術組 企業研究室(瑞士)

1 液芯長絲的熔融紡絲

雙組分熔紡工藝指2種具有不同化學和/或物理性能的聚合物從一個噴絲孔擠出形成長絲，其目的是實現均勻的纖維橫截面并賦予長絲多種功能。受昆蟲翅膀中充滿液體的翅脈具有機械阻尼性能的啟發，一種由聚合物鞘和微型液芯組成的液芯長絲被成功開發。基于此，中試規模的連續穩定熔融紡絲工藝(卷取速度高達1 000 m/min)應運而生，經此工藝制備的液芯合成纖維長絲中液芯體積百分比高達25%。

圖1 液芯纖維共擠出生產線示意圖

在圖1所示的紡絲裝置中，單螺桿擠出機中的聚合物由齒輪泵(Thermo Haake Rheomex OS)擠出，經高壓注射泵(Telegyne ISCO 260 D)注入液體形成液芯。離開噴絲頭后，長絲的生產工序與常規熔融紡絲相同：擠出長絲進入冷卻室，通過幾個不同轉速的導輥進行拉伸，最后卷繞在筒管上。采用此工藝，若以合成油作為內芯液體，聚烯烴或聚酰胺作為鞘聚合物，可實現直徑為45～200 μm的液芯單絲中試規模的生產。單絲中存在連續液芯已通過光學測試、掃描電子顯微鏡與計算機斷層掃描得以證實。

2 相關的工藝參數

對具有相似尺寸的中空纖維進行后續填充以制備液芯纖維不切實際，因此原位生產連續液芯纖維頗具吸引力。

由于聚合物熔體具有非線性和彈流性，會導致熔融聚合物和液芯共擠出時流動不穩定，故通過模型試驗設計特殊的紡絲組件，以實現復雜雙組分長絲的穩定熔融紡絲。如圖2所示，液體在高壓下通過毛細管注入，并在離開噴絲頭之前與聚合物熔體相遇。

圖2 液芯填充同步纖維共擠出用紡絲組件

合適的芯部液體必須滿足如下基本要求，以便能被連續穩定地注入熔紡長絲：

——必須在加工溫度下具有優異的熱穩定性和相對較低的蒸汽壓(<1.013×105Pa)，以防擠出的鞘聚合物熔體在出口處發生噴射現象；

——不能腐蝕擠出設備，并且不能溶解聚合物組分；

——芯部液體和聚合物熔體間的黏度比和界面張力應相匹配，以免導致共擠出不穩定；

——聚合物應具有足夠低的加工溫度，以便能與芯部液體共擠出，熔體強度尤應較高，以滿足成纖要求。

3 潛在應用

眾所周知，碳纖維增強環氧樹脂復合材料具有較差的振動阻尼性能。為評估液芯聚合物長絲的阻尼性能，將其插入碳纖維織物增強環氧樹脂復合材料的層間區域，測試其對復合材料阻尼性能的影響。液芯纖維以開孔柵格形式插入，主體材料的力學性能基本不受影響。對受高頻激發產生的響應振幅測試結果進行分析表明，碳纖維織物增強環氧樹脂復合材料加入液芯聚合物長絲后，在千赫茲頻率范圍內的阻尼因子得以提高。但由于試樣尺寸有限，材料中液體總含量小于0.2%，復合材料制造工藝存在的瑕疵造成其他組分變化，致使未能連續檢測到材料阻尼性能的變化。

利用此紡絲新技術，可采用熱穩定型液體阻燃劑(FR)作為液芯，制備液芯體積百分比高達15%的聚合物長絲。為檢測其阻燃性，以聚酰胺66單絲為經紗，以FR填充的聚丙烯(PP)單絲為緯紗，制成平紋織物。與空白樣(緯紗為純PP單絲)相比，盡管織物中僅緯紗含有阻燃物質，但液芯緯紗織物仍顯示出良好的阻燃性(表1)。

表1 阻燃液體填充纖維對織物可燃性的影響：瑞士BKZ垂直燃燒和極限氧指數(LOI)試驗

通常情況下，將FR直接摻入聚合物基體僅限于低添加量(體積百分比<5%)，以免損害熔紡纖維的可紡性和力學性能。通過在纖維芯部加入FR可獲得較高添加量，不僅可制備阻燃長絲，還可為周圍材料提供防火保護，且不會損害紡織品或纖維復合材料的結構完整性。

液芯長絲可進一步功能化，如：采用可產生香味的精油填充PP長絲，生產具有香味的熔紡纖維。目前使用的香料多為丁子香酚和香葉醇。作為液芯注入的香料可經受嚴格的熔融紡絲條件，且氣味分子可穿過聚合物鞘擴散而散發香味。與浸漬工藝相比，此技術中液芯可起到香精儲存器的作用，為纖維提供持久的香味(圖3)。含香氛液芯纖維的織物，可用于制作能經受印染、穿著和洗滌并持續釋放香味的完美紡織品。

圖3 芳香液芯可作為長期儲存器持續釋放香味

4 結語

液芯熔紡聚合物長絲可為紡織品和復合材料提供前所未有的性能，且不損害其力學性能、染色性能與洗滌性能。若用液體填充中空纖維工藝制備液芯長絲，時間成本將隨纖維長度延長而增加，這不經濟。通過標準的熔融紡絲生產線，采用高性能流體泵并結合先進而巧妙的紡絲組件設計，可在生產過程中使液體立即充滿長絲。通過精心選擇芯部液體，可實現結實且柔韌長絲的連續有效共擠出。