假捻變形工藝對滌綸DTY物理及染色性能的影響研究

毛 寧, 盧宏慶, 蔣力明, 易明強(qiáng), 王德軍, 孫 娟, 郭橋生

(浙江昊能科技有限公司,浙江 湖州 313100)

紡織纖維的差別化能夠賦予纖維材料豐富的特性[1-2]。如亞麻長麻/滌綸長絲復(fù)合[3]賦予紗線麻纖維外觀和手感的同時,提升其最小強(qiáng)力并實(shí)現(xiàn)免漿織造;嵌入式花式紗線[4]使紗線呈現(xiàn)特殊的結(jié)構(gòu)和外觀效果;滌綸/不銹鋼絲包覆紗[5]實(shí)現(xiàn)了柔性織物的防割功能。差別化纖維不僅提高了產(chǎn)品的附加值,也拓展了紗線的應(yīng)用領(lǐng)域。其中,假捻變形工藝就是一種典型的差別化纖維加工工藝[6]。假捻變形工藝是采用物理加工的方式,通過假捻變形機(jī)的機(jī)械作用和熱作用,加工滌綸、錦綸等熱塑性化學(xué)纖維,賦予其改善的表觀、物理性能及染色性能等。

滌綸作為產(chǎn)能最大的化學(xué)纖維,具有良好的機(jī)械性能、熱穩(wěn)定性和耐水洗性能,被廣泛應(yīng)用于服裝、家紡及產(chǎn)業(yè)用紡織品等領(lǐng)域[7]。不同的領(lǐng)域?qū)炀]紗線有著不同的具體需求,促進(jìn)了滌綸的差異化發(fā)展。如服裝行業(yè)對紗線舒適性的需求推動了聚酯仿棉產(chǎn)品的差異化發(fā)展[8-9];鞋行業(yè)對紗線強(qiáng)韌性的需求促進(jìn)了高強(qiáng)高韌聚酯產(chǎn)品的研發(fā)[10-11]等。因此,差別化、功能化的滌綸纖維具有良好的推廣應(yīng)用前景。

假捻變形工藝作為最基礎(chǔ)的差別化技術(shù),深刻地影響著滌綸纖維的使用。因此,本文主要研究加彈速度、第一熱箱溫度、牽伸比、假捻比、第二超喂率、第二熱箱溫度等假捻變形工藝參數(shù)對滌綸DTY物理性能和色彩表達(dá)的影響,為滌綸DTY的穩(wěn)定生產(chǎn)和質(zhì)量控制提供參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 原 料

167 dtex/144 F滌綸POY(浙江恒逸石化),純度98%亞甲基藍(lán)染料(武漢福鑫化工有限公司),乙酸和乙酸鈉(南京化學(xué)試劑股份有限公司)。

1.2 設(shè) 備

33H型花式假捻變形機(jī)(日本村田機(jī)械株式會社),YG086型縷紗測長儀、YG020型電子單紗強(qiáng)力儀(常州第一紡織設(shè)備有限公司),YG368型全自動長絲收縮率測試儀(常州市第二紡織儀器廠),HS-12P高溫試色機(jī)(靖江市華夏科技有限公司),Datacolor650超高精度臺式分光光度測色儀(美國Datacolor公司),差示掃描量熱分析儀(美國Thermo Electron),X射線衍射分析儀(美國Perkin Elmer)。

1.3 工藝流程

滌綸DTY的生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。滌綸預(yù)取向絲(POY)經(jīng)過零羅拉和第一羅拉進(jìn)入變形熱箱,然后通過冷卻裝置和假捻裝置,由第二羅拉輸送進(jìn)入定型熱箱,再由二三羅拉輸送進(jìn)入上油裝置和摩擦輥,進(jìn)一步卷裝制備得到DTY成品。該工藝過程中主要的參數(shù)包括:加彈速度、第一熱箱溫度、牽伸比、假捻比、第二超喂率、第二熱箱溫度等。

圖1 滌綸DTY生產(chǎn)流程示意Fig.1 Process of polyester DTY production

1.4 測試方法

1.4.1 正交試驗(yàn)

本文采用正交試驗(yàn)法對加彈工藝速度、第一熱箱溫度、牽伸比、假捻比、第二超喂率、第二熱箱溫度對滌綸DTY強(qiáng)伸性能、結(jié)晶度的綜合影響進(jìn)行探究,如表1和表2所示。首先設(shè)計(jì)了六因素三水平正交試驗(yàn)表,選取合理的參數(shù)范圍。選取加彈速度為500、600、700 m/min;第一熱箱溫度為185、205、225 ℃;牽伸比(D/R)為1.5、1.6、1.7;假捻比(D/Y)為1.3、1.5、1.7;第二超喂率為2%、3%、4%,第二熱箱溫度為150、170、190 ℃,來制定試驗(yàn)方案。

表1 工藝因素水平Tab.1 Level of process factors

表2 正交試驗(yàn)Tab.2 Orthogonal test

1.4.2 紗線基本物理性能測試

采用YG086型縷紗測長儀,根據(jù)GB/T 4743—2009《紡織品 卷裝紗 紗線線密度的測定:絞紗法》測定滌綸DTY的線密度;采用YG020型電子單紗強(qiáng)力儀,根據(jù)GB/T 3916—2013《紡織品 卷裝紗 單根紗線斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測定(CRE法)》測定滌綸DTY的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率;采用YG368型全自動長絲收縮率測試儀,根據(jù)GB/T 6505—2017《化學(xué)纖維 長絲熱收縮率試驗(yàn)方法(處理后)》測定滌綸DTY的卷曲收縮率。

1.4.3 紗線結(jié)晶度測試

本文采用差示掃描量熱法測定滌綸DTY的結(jié)晶度,DSC曲線上熔融峰的溫度和形狀可以反映結(jié)晶的穩(wěn)定情況及其穩(wěn)定性的分布情況。由峰面積可求出質(zhì)量結(jié)晶度XDSC:

(1)

式中:ΔHm為聚合物中結(jié)晶部分的熔融熱(熔融峰曲線和基線所包含的面積);ΔH0為聚合物100%結(jié)晶的熔融熱。

1.4.4 色彩表征

不同假捻加彈工藝得到了18種具有不同結(jié)晶度的滌綸DTY紗線樣品,用襪機(jī)進(jìn)行染色樣布的制備,經(jīng)過染色試驗(yàn),以探究不同結(jié)晶度對DTY染色性能的影響。采用高溫高壓染機(jī),染料采用亞甲基藍(lán)染料,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%;助劑采用1%HAc和1%NaAc;染色條件為75 ℃入浴,升溫速率2 ℃/min,染色溫度125 ℃,染色時間1 h,浴比1︰50。采用Datacolor650超高精度臺式分光光度測色儀,選用D65光源,選取10°視場,測定不同滌綸DTY的著色效果,得到相應(yīng)的色彩指標(biāo),包括明度值L,紅綠度值a,黃藍(lán)度值b,飽和度值C,色調(diào)角H。當(dāng)a為負(fù)值表示綠色,正值表示紅色;當(dāng)b為負(fù)值表示藍(lán)色,正值表示黃色。

2 結(jié)果與分析

2.1 假捻加彈工藝對滌綸DTY物理性能的影響

2.1.1 假捻加彈工藝對滌綸DTY紗線線密度的影響

根據(jù)正交試驗(yàn)極差分析(圖2),各工藝參數(shù)對滌綸DTY線密度的極差由大到小排序?yàn)?牽伸比>第二熱箱溫度>第一熱箱溫度>加彈速度>第二超喂率>假捻比。極差分析結(jié)果表明,牽伸比是影響滌綸DTY紗線細(xì)度最主要的因素,并且呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)性。在假捻加彈工藝中,牽伸比是指第二羅拉和第一羅拉的速度比,速度比越大,紗線受到的機(jī)械作用就越強(qiáng),紗線線密度也就越小。由圖2中的數(shù)據(jù)也可以看出,除了牽伸倍數(shù),其他工藝參數(shù)對于紗線線密度的極差都集中在很小的范圍,紗線線密度的分布范圍都在較小的區(qū)間內(nèi),表明這些工藝參數(shù)對紗線線密度的影響都較為有限。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Orthogonal experiment results

圖2 加彈工藝對滌綸DTY線密度的影響Fig.2 Effect of the draw-texturing process on the linear density of polyester DTY

2.1.2 假捻加彈工藝對滌綸DTY紗線斷裂強(qiáng)度的影響

根據(jù)正交試驗(yàn)極差分析(圖3),各工藝參數(shù)對滌綸DTY紗線斷裂強(qiáng)度的極差由大到小排序?yàn)?第一熱箱溫度>加彈速度>第二熱箱溫度>第二超喂率>假捻比>牽伸比。極差分析結(jié)果表明,第一熱箱溫度、加彈速度、第二熱箱溫度是主要影響因素。隨著第一熱箱溫度的升高,滌綸DTY紗線斷裂強(qiáng)度先提高后降低。其原因在于,隨著第一熱箱溫度的升高,紗線在熱變形過程中的內(nèi)應(yīng)力減小,紗線強(qiáng)度提升;但隨著溫度的進(jìn)一步升高,纖維內(nèi)部的無定形區(qū)會發(fā)生解取向,導(dǎo)致紗線強(qiáng)度降低[12]。在設(shè)定的加彈速度范圍內(nèi),加彈速度與滌綸DTY紗線的斷裂強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān),其原因在于,隨著加彈速度的提高,紗線在熱箱中停留的時間會相應(yīng)地縮短,纖維熱變形時間相應(yīng)減少,內(nèi)應(yīng)力消除不充分,紗線強(qiáng)度下降。對于第二熱箱溫度,當(dāng)達(dá)到190 ℃時,滌綸DTY紗線的斷裂強(qiáng)度發(fā)生顯著的下降,其原因同上。

圖3 加彈工藝對滌綸DTY紗線斷裂強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of the draw-texturing process on the tensile strength of polyester DTY

2.1.3 假捻加彈工藝對滌綸DTY紗線斷裂伸長率的影響

根據(jù)正交試驗(yàn)極差分析(圖4),各工藝參數(shù)對滌綸DTY紗線斷裂伸長率的極差由大到小排序?yàn)?牽伸比>加彈速度>第二熱箱溫度>第二超喂率>第一熱箱溫度>假捻比。極差分析結(jié)果表明,牽伸比、加彈速度、第二熱箱溫度是主要影響因素。牽伸比與滌綸DTY紗線的斷裂伸長率呈顯著的負(fù)相關(guān)性。隨著牽伸比的增大,纖維在熱變形過程中受到的拉伸應(yīng)力增強(qiáng),纖維大分子鏈活動性增加,分子鏈沿著纖維軸向重新聚集和排列,使分子鏈的取向程度提高。因此,其在拉伸過程中能夠被伸長的余量也越少,斷裂伸長率降低[13]。實(shí)際生產(chǎn)過程中,加彈速度最高設(shè)置為700 m/min左右。根據(jù)極差分析,加彈速度取第二水平(600 m/min,K2=345.78)和第三水平(700 m/min,K3=355.16)對DTY紗線斷裂伸長率影響接近。第二熱箱溫度對DTY紗線的斷裂伸長率有顯著的正相關(guān)性,第二熱箱溫度一般比第一熱箱溫度低15～30 ℃。第二熱箱溫度過高,不但對DTY紗線起不到定型作用,還會使纖維大分子解取向,使其斷裂伸長率增加。

圖4 加彈工藝對滌綸DTY紗線斷裂伸長率的影響Fig.4 Effect of the draw-texturing process on the breaking elongation of polyester DTY

2.1.4 假捻加彈工藝對滌綸DTY紗線卷曲收縮率的影響

圖5 加彈工藝對滌綸DTY紗線卷曲收縮率的影響Fig.5 Effect of the draw-texturing process on the crimp shrinkage rate of polyester DTY

2.2 假捻加彈工藝對滌綸DTY結(jié)晶度的影響

根據(jù)正交試驗(yàn)極差分析(圖6),各工藝參數(shù)對滌綸DTY紗線結(jié)晶度的極差由大到小排序?yàn)?加彈速度>第二熱箱溫度>第一熱箱溫度>牽伸比>假捻比>第二超喂率。加彈速度對DTY紗線的結(jié)晶度起到了最主要的影響作用,且在設(shè)置的參數(shù)范圍內(nèi),呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)性。其原因是在于,隨著加彈速度的提高,纖維在熱箱內(nèi)停留的時間縮短,所吸收的熱量減少,纖維大分子吸收的能量降低,分子鏈和鏈段活動性降低,在拉伸過程中結(jié)構(gòu)調(diào)整不充分,導(dǎo)致纖維結(jié)晶度下降[13]。第二熱箱溫度也稱定形溫度,主要對滌綸DTY紗線起到穩(wěn)定尺寸的作用,也是纖維結(jié)晶度第二主要的影響因素。在正交試驗(yàn)的參數(shù)范圍內(nèi),隨著第二熱箱溫度的升高,纖維的結(jié)晶度顯著提高。這是由于熱定形工序會使纖維無定形部分繼續(xù)嵌入晶格發(fā)生重結(jié)晶,而對纖維內(nèi)已經(jīng)成形的晶體不會產(chǎn)生影響[1]2。此外,第一熱箱溫度直接影響著紗線受熱變形的過程,因此也對纖維結(jié)晶度起到重要影響。

圖6 加彈工藝對滌綸DTY紗線結(jié)晶度的影響Fig.6 Effect of the draw-texturing process on the crystallinity of polyester DTY

2.3 纖維結(jié)晶度對滌綸DTY染色性能的影響

基于上述通過不同假捻加彈工藝制備的18種具有不同結(jié)晶度的滌綸DTY紗線樣品,研究了纖維結(jié)晶度對其紗線染色性能影響,如圖7所示。結(jié)果表明,滌綸纖維結(jié)晶度對DTY染色后的色彩表達(dá),即L(明度值)、a(紅綠度值)、b(黃藍(lán)度值)、C(飽和度值),有著一致的影響結(jié)果。從這些色彩指標(biāo)在不同結(jié)晶度下的分布情況來看,隨著纖維結(jié)晶度增大,這些色彩指標(biāo)的離散度也隨之明顯增大。以結(jié)晶度44%為分界,當(dāng)纖維結(jié)晶度小于44%時,DTY色彩指標(biāo)L、a、b、C的平均值分別為22.75、3.87、-42.10、42.89,標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.68、0.46、0.65、0.42;當(dāng)纖維結(jié)晶度大于44%時,DTY色彩指標(biāo)L、值a、b、C的平均值分別為22.85、3.72、-41.99、42.16,標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.92、1.18、1.27、1.16。結(jié)晶度大于44%的這組DTY紗線的色彩指標(biāo)離散度明顯小于結(jié)晶度小于44%的DTY紗線。因此在本文設(shè)置的試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi),纖維結(jié)晶度小于44%時,色彩指標(biāo)分布在更小的范圍,意味著色彩表達(dá)更加統(tǒng)一,染色結(jié)果更加穩(wěn)定。對于滌綸DTY紗線,其纖維超分子結(jié)構(gòu)中,結(jié)晶度越大,表示結(jié)晶完善程度越高,但同時無定形區(qū)所占比例也越小,染色過程中染料進(jìn)入纖維分子內(nèi)部越困難[15-16]。此外,結(jié)晶速度越快,纖維大分子之間越快地形成交聯(lián)點(diǎn),并且在后續(xù)的拉伸變形過程中,首先破壞原有的結(jié)晶交聯(lián)點(diǎn),再重建新的結(jié)晶結(jié)構(gòu),引起纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不勻性[17]?？傮w來說,為了保證DTY紗線染色的均勻性,前期的冷卻過程應(yīng)適當(dāng)放慢,而后期的定形過程中則需要加快,以獲得內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一致性[17-18]。

圖7 纖維結(jié)晶度對滌綸DTY染色性能的影響規(guī)律Fig.7 Effect of the draw-texturing process on the dying behavior of polyester DTY

3 結(jié) 論

1) 在試驗(yàn)范圍內(nèi),牽伸比對滌綸DTY紗線線密度和斷裂伸長率起到最主要影響,且都呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)性;第一熱箱溫度對滌綸DTY紗線斷裂強(qiáng)度起到最主要影響,呈現(xiàn)先正后負(fù)的影響;第二超喂率對滌綸DTY紗線卷曲收縮率起到最主要影響,呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性。綜合各性能考慮,牽伸比選取1.5,加彈速度選取600 m/min,第一熱箱溫度選取205 ℃,第二熱箱溫度選取150 ℃,假捻比選取1.3,第二超喂率選取3%。

2) 在試驗(yàn)范圍內(nèi),加彈速度、第一熱箱溫度、第二熱箱溫度對滌綸DTY紗線的結(jié)晶度起到主要影響,加彈速度呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)性,第一和第二熱箱溫度呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)性。為了控制DTY結(jié)晶度穩(wěn)定,建議加彈速度選取700 m/min,第一熱箱溫度選取185 ℃,第二熱箱溫度選取150 ℃。

3) 在試驗(yàn)范圍內(nèi),結(jié)晶度越大、結(jié)晶速度越快的滌綸DTY紗線,其染色指標(biāo)穩(wěn)定性越差。在保證生產(chǎn)穩(wěn)定的前提下,結(jié)晶度可控制在40%左右。為了提高滌綸DTY紗線的染色均勻性,可以適當(dāng)提高假捻加彈速度、第一熱箱溫度、第二熱箱溫度,以獲得纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一致性。

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