高強低伸低干熱有光縫紉線用滌綸短纖維影響因素研究

殷曙光

(中國石化儀征化纖有限責任公司短纖部，江蘇儀征 211900)

根據上海某知名高端縫紉線用戶的生產工藝，以及其前期大量染色的實驗結果，中石化儀征化纖有限責任公司需要為其定制化生產新產品替代其部分進口產品，要求斷裂強度6.50 cN/dtex以上，斷裂伸長率控制中心值為20%，干熱收縮率2.8%以下。

目前生產的1.33 dtex有光縫紉線用滌綸短纖維，對比用戶新需求，斷裂強度偏低、斷裂伸長偏大、干熱收縮率偏大，且后紡的各項工藝參數在第二代產品中已經使用至極限，生產新產品需重新整體優化前后紡工藝參數。本文以提高斷裂強度、降低斷裂伸長率、降低干熱收縮率為目的，開展提升有光縫紉線用滌綸短纖維產品性能的研究。

1 試 驗

1.1 原料

五釜流程聚酯裝置生產的熔體：特性黏度0.645～0.675 dL/g。

1.2 設備

滌綸短纖維連續紡生產線，15 000噸/年，日本東洋紡；纖維強伸度測試儀，XQ-1型，常州市第一紡織有限公司；纖維熱收縮儀，XH-1型，上海新纖儀器公司；烏氏黏度測定儀，SYP-265B型，上海平軒科學儀器有限公司。

1.3 生產工藝流程

聚酯熔體經過交接點、增壓泵輸送增壓、熔體過濾器、靜態混合器冷卻混合后，由計量泵精確計量后輸入紡絲箱體，由紡絲組件噴絲孔中流出，通過環吹冷卻固化、卷繞上油落桶，集束生頭，后處理牽伸、切斷、打包。

1.4 分析測試

斷裂強度、斷裂伸長率：試驗用標準大氣，溫度(20±2)℃，相對濕度(65±5)%，預張力0.075 cN/dtex，夾持距離20 mm，拉伸速度20 mm/min。用纖維強伸度測試儀測試斷裂強度、斷裂伸長率，檢測50根纖維取均值。

干熱收縮率：試驗用標準大氣，溫度(20±2)℃，相對濕度(65±5)%，熱處理溫度180 ℃，時間30 min，熱處理后平衡30 min，用纖維熱收縮儀測試干熱收縮率，檢測30根取均值。

特性黏度：使用溶劑25 ℃苯酚-四氯化碳(1∶1質量比)，配制PET溶液，濃度為5 g/L，用烏氏黏度計進行特性黏度檢測。

1.5 纖維性能與加工工藝的相關性

根據日本東洋紡的經驗公式(1)和公式(2)進行分析，要提高成品纖維強度、降低纖維伸長率，后紡主要是提高兩段牽伸倍率、以及提高牽伸輥筒定型溫度，但在開發第二代縫紉線產品時，因牽伸倍率及定型溫度均已經接近后紡極限，且本次用戶需要斷裂伸長率在20%左右，要求極高，單獨后紡優化工藝，已經不能達到要求，所以需要從前紡著手開發方向，故前紡原絲的EYS1.5成為調整和優化的首要目標。

日本東洋紡經驗公式：

DT(干強)=6.4+2(DR-3.43)+0.01(TD-190)-0.024(EYS1.5-195)

(1)

DE(干伸度)=25.0-18.7(DR-3.43)-0.03(TD-190)+0.21(EYS1.5-195)

(2)

EYS1.5=K-0.25(TQC-20)-500(IVf-0.60)-0.15(VSP-1300)+1.4(TP-287)-0.7(LNZ-60)+14(VQC-1.1)

(3)

式中：DR為總拉伸倍率；TD為DF3出口處絲束溫度；EYS1.5為拉伸應力為屈服應力1.5倍時的伸長率[2]；TQC為環吹風溫度；IVf為無油絲黏度；Vsp為紡絲速度；Tp為紡絲溫度；LNZ為冷卻空氣吹出距離；Vqc為環吹風速度。

因EYS1.5是原絲拉伸性能的數據表現，由公式(3)可知，排除次要因素，在環吹風速和風溫以及紡絲溫度不變的情況下，其受到負荷和紡絲速度、絲束冷卻空氣吹出距離、以及熔體的特性黏度的影響。故工藝優化方向有3個方面：一是負荷和紡絲速度，二是絲束冷卻空氣吹出距離LNZ，三是熔體的特性黏度。

2 結果與討論

2.1 負荷和紡絲速度

聚酯黏度、紡絲溫度、環吹風溫風速、LNZ、牽伸倍率、定型溫度等不變的情況下，對負荷和紡絲速度進行調整對比，試驗中的原絲EYS1.5、成品斷裂強度、斷裂伸長率見表1。

表1 不同負荷和紡速下的EYS1.5以及成品纖維強伸度指標

紡絲過程中得到的取向度，對拉伸工序的正常操作和纖維的取向度有很大的影響，對結晶動力學和晶體形態也有一定的影響。有資料[3]指出，負荷不變的情況下，隨著紡速的提高，纖維的結晶度和預取向度增大，具備一定的初始模量和較高的斷裂強力，經得起一定應力的拉伸。在影響初生纖維預取向的因素中，卷繞速度(即紡絲速度)起著決定性的作用[4]。

根據相對速度公式

V=V0/D0

(4)

式中:V指紡絲相對速度；V0指紡絲速度，m/min；D0指名義負荷，t/d。

由公式4可知，紡絲相對速度與原絲纖度成反比，在產生原絲預取向的過程中，紡絲相對速度起著關鍵的作用。對成品短纖維而言，斷裂強度在于結晶度、取向度，提高原絲的預取向度，在后紡牽伸條件等同的情形下，能夠適量提高成品纖維的斷裂強度，降低其斷裂伸長率。但紡絲速度不能無限度提高，需要考慮卷繞機臺的穩定性和承受力；負荷也不能降得太低，因為從生產成本考慮，負荷需要盡量最大化。結合表1強伸度質量指標以及后紡每日原絲吞吐量即后處理能力，選擇名義負荷55.9 t/d，此時紡絲速度1 270 m/min，卷繞能長周期穩定運行。EYS1.5略低，不影響牽伸正常生產，且強度較高。

2.2 冷卻空氣吹出距離LNZ

定好名義負荷55.9 t/d、紡絲速度1 270 m/min，對冷卻空氣吹出距離LNZ進行調整對比，試驗中的原絲EYS1.5、成品斷裂強度、斷裂伸長率見表2。

表2 不同冷卻空氣吹出距離下的EYS1.5以及成品纖維強伸度指標

有良好拉伸性能的原絲，必須使固化時絲條的內應力特別低，從而使分子預取向度降低。增加徐冷環，使熔體細流出噴絲板后不是被驟冷，而是緩慢的冷卻，也就是使冷卻速率降低，延長熔態區，使固化點下移，從而減小了噴頭拉伸的張力，使初生纖維的預取向度減小[5]。降低冷卻空氣吹出距離的調整結果與提高紡絲相對速度一致。雖然一般熔紡初生纖維的預取向度都較低，但它對后拉伸的影響卻不應忽視。隨著初生纖維預取向度的增大，大分子鏈沿纖維軸向排列規整性提高，使大分子鏈和鏈段的運動以及大分子間滑移變得困難，致使拉伸操作中易于出現毛絲斷頭，而給拉伸帶來困難[1]。EYS1.5在160%以下后，后紡運轉極差，不能正常生產。為了提高拉伸倍率，并且拉伸順利，使成品纖維有較大強度、較小斷裂延伸，應適當控制紡絲條件，必須保證原絲的可拉伸性，不要使初生纖維預取向度太高。通過現場生產狀況和斷裂強度、斷裂伸長的質量指標，最終選擇冷卻空氣吹出距離為60 mm。

2.3 熔體的特性黏度

名義負荷55.9 t/d、紡絲速度1 270 m/min，冷卻空氣吹出距離60 mm，其它工藝不變，在生產能保障正常的前提下，采用最大的牽伸倍率，進行不同熔體的特性黏度和牽伸倍率對比試驗，成品斷裂強度、斷裂伸長率見表3。

表3 不同的黏度和牽伸倍率下的成品纖維質量指標

一般說，隨著初生纖維相對分子量的增大，高黏熔體在相對較高的拉伸條件下，保證取向和結晶的前提下，因分子間作用力增大，成品纖維強度提高。當所使用的紡絲熔體黏度過低時，熔體強度過低，成纖性能較差，甚至造成紡絲液流一離開噴絲板便成滴狀下落[6]。在0.645 dL/g的特性黏度下，因黏度低造成紡絲漿塊增多，影響原絲可拉伸性，造成后紡牽伸倍率低、運轉率低。但初生纖維的相對分子量并不是越大越好，事實上，隨著相對分子量的增加，分子間的作用力增強，使分子間的相對滑移困難，即難以實現塑性形變。所以，相對分子量如超過一定限度，反而會使纖維的可拉伸性降低[4]。特性黏度為0.645 dL/g時，因原絲漿塊過多影響運轉，造成第二牽伸機、第三牽伸機纏輥很多，牽伸倍率只能選擇3.689 5，無法提高倍率造成強度很低。結合成品纖維質量指標和后紡運轉率，最終選擇0.653 dL/g的特性黏度。

2.4 干熱收縮率

因干熱收縮率是纖維經180 ℃干熱空氣處理前后長度的差數與處理前纖維長度的百分比。滌綸有光縫紉線采用的是高溫緊張熱定型生產工藝，影響干熱收縮率的主要因素是定型的溫度、時間，以及回縮倍率。但定型是修補和改善纖維在成形過程中已經形成的結構，而不是重建。溫度過高，會引起纖維內未穩定取向大分子的解取向，嚴重的造成纖維軟化、黏連，致使纖維結構的破壞，影響纖維的機械性能[4]。故定型溫度直接使用生產線能穩定提供的較高溫度190 ℃左右，理論上，在此溫度下不會因溫度過高而影響纖維強度。又因用戶要求干熱收縮率需控制在2.8%以下，定型時溫度達到高分子的最快結晶溫度(PET通常為186 ℃)后，對熱收縮影響最大的因素是定型回縮比，其次是定型時間，故對定型時間和回縮倍率進行對比試驗，干熱收縮率見表4。

表4 不同牽伸速度和回縮倍率下的干熱收縮率

張力情況指第三牽伸機和五輥定型機之間絲束張力能否快速建立，生產能快速穩定的情況。張力不能快速建立和穩定，會影響疊絲機張力和卷曲狀況，甚至會造成纏輥，需要快速建立和穩定。根據表4可知，方案2、方案5和方案6都能保證干熱收縮率和張力情況，其中方案2張力建立最快，方案5后處理能力最強，方案6最能有效保障干熱收縮率，但能力過剩。結合生產現場的需要，最終選擇方案5。

2.5 成品質量結果

采用名義負荷55.9 t/d、紡絲速度1 270 m/min，冷卻空氣吹出距離60 mm，熔體特性黏度0.653 dL/g，牽伸倍率3.8，定型溫度190 ℃，牽伸速度275 m/min，回縮倍率0.91。成品質量指標見表5。

表5 用戶標準與第三代產品的主要成品指標對比

第三代有光縫紉線用滌綸短纖維產品，生產穩定，成品強度高、伸長低、干熱收縮率低，能夠滿足用戶需求，用戶染色及生產均正常。

3 結 論

a) 一定范圍內提高紡絲相對速度，降低冷卻空氣吹出距離，可以提高成品纖維斷裂強度、降低斷裂伸長。

b) 適當降低熔體的特性黏度,可以提高原絲拉伸性能，進一步提高倍率后，不但能滿足成品質量，還可以優化生產運行。