低熔點(diǎn)皮芯復(fù)合纖維黏結(jié)強(qiáng)力影響因素研究

嚴(yán) 巖,潘曉娣,劉傳生

(1. 中國石化儀征化纖有限責(zé)任公司研究院,江蘇儀征 211900; 2. 江蘇省高性能纖維重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇儀征 211900)

低熔點(diǎn)皮芯復(fù)合纖維是指用低熔點(diǎn)聚酯(LMPET)和普通聚酯(PET)兩種不同的聚合物以皮芯結(jié)構(gòu)紡制的纖維,皮層為LMPET,芯層為PET。LMPET是一種具有較低熔點(diǎn)的改性聚酯,通過共聚的方法引入改性組分對PET進(jìn)行改性[1],破壞聚酯分子鏈結(jié)構(gòu)的規(guī)整性,并增加分子鏈的柔順性以增加聚酯的熔融熵、降低聚酯的熔融焓,從而達(dá)到降低熔點(diǎn)的目的[2]。低熔點(diǎn)皮芯復(fù)合纖維在加熱條件下,皮層熔化而芯層可保持原有物理結(jié)構(gòu),冷卻后起到物理黏結(jié)作用[3],低熔點(diǎn)皮芯復(fù)合纖維是利用熱黏結(jié)工藝生產(chǎn)非織造布的重要原料[4-6]。

低熔點(diǎn)皮芯復(fù)合纖維在用于生產(chǎn)熱黏結(jié)無紡布時,希望纖維在160～200 ℃加熱條件下充分熔融流動黏結(jié),以達(dá)到理想的黏結(jié)效果,或者能夠降低熱黏無紡布加工溫度、提高加工速度。因此,提高低熔點(diǎn)皮芯復(fù)合纖維黏結(jié)性對纖維的后道使用尤為重要[7-8]。孫佩雄等[9]研究了非織造氈熱壓成型復(fù)合材料過程中溫度和壓強(qiáng)對亞麻/低熔點(diǎn)滌綸滲漬情況的影響。李建秀[10]探討了ES纖維的用量,加熱時間、溫度及壓力等熱軋工藝參數(shù)的配合對亞麻纖維非織造布黏結(jié)強(qiáng)力的影響。目前,相關(guān)研究多為非織造布加工條件對黏結(jié)性能的影響,低熔點(diǎn)聚酯原料、纖維生產(chǎn)工藝對黏結(jié)強(qiáng)力影響的系統(tǒng)性研究較少。

本研究使用低熔點(diǎn)聚酯和常規(guī)PET紡制皮芯復(fù)合纖維,測試?yán)w維熱黏結(jié)無紡布試樣斷裂強(qiáng)力,研究低熔點(diǎn)聚酯特性黏度、改性單體添加量、纖維加工工藝及熱黏無紡布熱處理工藝對黏結(jié)強(qiáng)力的影響規(guī)律,找到影響低熔點(diǎn)復(fù)合纖維黏結(jié)性能的關(guān)鍵因素和適宜的后道加工條件。

1 試 驗(yàn)

1.1 原料

對苯二甲酸(PTA),工業(yè)級,中國石化儀征化纖有限責(zé)任公司;乙二醇(EG),工業(yè)級,中國石化揚(yáng)子石化有限責(zé)任公司;間苯二甲酸(IPA),工業(yè)級,中國石化燕山石化有限責(zé)任公司;二甘醇(DEG),工業(yè)級,中國石化揚(yáng)子石化有限責(zé)任公司;乙二醇銻,分析純,江蘇大康公司;PET切片,FC510,特性黏度為0.670 dL/g,中國石化儀征化纖有限責(zé)任公司;6D×51 mm有硅中空纖維,ZK615,中國石化儀征化纖有限責(zé)任公司。

1.2 儀器設(shè)備

150 L聚合反應(yīng)釜,定制;復(fù)合紡絲機(jī),定制,北京中麗制機(jī)化纖工程技術(shù)有限公司;后牽伸試驗(yàn)線,STATIMATM型,鄭州紡織機(jī)械廠;開松梳棉機(jī),16079型,常州華紡紡織儀器有限公司;鼓風(fēng)烘箱,DHG-9035A型,上海一恒科學(xué)儀器有限公司;萬能材料試驗(yàn)機(jī),Instron 2519-103型,美國英斯特朗;顯微鏡,DM2700P型,德國徠卡公司;相對黏度儀,Y501C型,英國Viscotek公司;氣相色譜儀,HP580型,美國安捷倫公司;聲速纖維取向測量儀,SCY-Ⅲ型,上海東華凱利新材料公司。

1.3 試驗(yàn)過程

1.3.1 低熔點(diǎn)聚酯的合成

制備低熔點(diǎn)聚酯的改性單體選擇IPA和DEG。

將一定重量的PTA、EG、IPA、DEG、乙二醇銻加入到150 L聚合反應(yīng)釜內(nèi),氮?dú)庵脫Q三次之后進(jìn)行加壓酯化反應(yīng),酯化溫度225～250 ℃、壓力0.2～0.3 MPa條件下進(jìn)行酯化反應(yīng),待出水量大于理論出水量的90%,開始泄壓升溫,在溫度270～280 ℃、真空度20～50 Pa條件下進(jìn)行縮聚,待攪拌功率達(dá)到一定數(shù)值后,結(jié)束反應(yīng),用氮?dú)庀獌?nèi)真空,出料、水冷切粒。IPA/DEG(質(zhì)量比4/1)的添加量為聚酯理論重量的32%～38%,如表1所示。

使用IPA/DEG添加量為32%～38%的低熔點(diǎn)聚酯,研究IPA/DEG添加量對黏結(jié)強(qiáng)力影響。使用IPA/DEG添加量為35%,合成不同特性黏度低熔點(diǎn)聚酯,研究特性黏度對黏結(jié)強(qiáng)力影響。

1.3.2 低熔點(diǎn)皮芯復(fù)合纖維紡絲

以IPA/DEG添加量為32%～38%、特性黏度0.73 dL/g左右的LMPET與常規(guī)PET為原料,紡制成皮芯復(fù)合纖維。以IPA/DEG添加量為35%,特性黏度為0.635～0.737 dL/g的LMPET與常規(guī)PET為原料,紡制成皮芯復(fù)合纖維。

考慮皮層和芯層兩種物料的不同特性,LMPET進(jìn)料螺桿和熔體管道溫度設(shè)定為260 ℃,常規(guī)PET進(jìn)料螺桿和熔體管道溫度設(shè)定為290 ℃,紡絲箱體溫度為288 ℃。實(shí)驗(yàn)采用皮芯復(fù)合比例為50∶50,紡絲速度1 100 m/min。

噴絲組件噴絲孔規(guī)格為0.3 mm(孔徑)×0.9 mm(孔長)。

1.3.3 后紡牽伸

低熔點(diǎn)復(fù)合纖維熔點(diǎn)低,受熱容易軟化黏結(jié)。后紡牽伸與常規(guī)牽伸方式不同,一級牽伸使用特殊的加熱方式,牽伸運(yùn)行速度為100 m/min,牽伸采用不同的牽伸工藝進(jìn)行試驗(yàn),短纖維規(guī)格為4D×51 mm。

1.3.4 熱黏結(jié)無紡布試樣制備

按一定比例稱取低熔點(diǎn)復(fù)合纖維和有硅中空纖維初步混合,在梳棉機(jī)中進(jìn)行開松混合、梳理成網(wǎng),稱取10 g厚度均勻鋪在固定面積的濾篩中,上蓋板放置200 g砝碼給纖維施加一定壓力,置于鼓風(fēng)烘箱,在不同溫度和不同時間條件下黏結(jié)形成無紡布試樣。

1.4 分析測試

黏結(jié)強(qiáng)力測試:根據(jù)國標(biāo)GB/T 24218.3—2010《非織造布試驗(yàn)方法第3部分:斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測定》,將上述無紡布試樣剪裁50 mm×150 mm樣條,夾持在試驗(yàn)機(jī)以100 mm/min測試速度拉伸,記錄拉伸過程中最大的力,作為黏結(jié)強(qiáng)力,同一樣品,測試5次以上,取平均值。

特性黏度測試:采用國標(biāo)GB/T 14190—2017纖維級聚酯切片試驗(yàn)方法測試。

DEG含量測試:采用美國安捷倫公司的HP580型氣相色譜儀,按照國標(biāo)GB/T 14190—2017纖維級聚酯切片試驗(yàn)方法測試。

纖維聲速取向因子測試:采用聲速纖維取向測量儀,纖維一端由樣品夾固定,與發(fā)振器的簧片接觸,另一端經(jīng)滑輪加力0.1 gf/dtex張力。在示波器上顯示的波形不失真且狀態(tài)穩(wěn)定時連續(xù)記下10個表示聲波傳播時間的數(shù)字,即為L長度纖維內(nèi)聲波的傳播時間TL,每個試樣測5次,每次測定40 cm和20 cm兩個長度的TL。

采用倍長法求延遲時間Δt=2T20-T40。

聲速值C的計算公式:

(1)

纖維試樣聲速取向因子fs由莫斯萊公式計算:

(2)

式中作為相對比較,Cu以PET無取向時的標(biāo)準(zhǔn)聲速值1.35 km/s代替,C為纖維試樣的實(shí)測聲速。

IPA測試:采用美國安捷倫公司的HP580型氣相色譜儀,柱溫為180 ℃,進(jìn)樣口溫度為250 ℃,檢測器溫度為250 ℃,氮?dú)饬魉贋? mL/min,氫氣流速為5 mL/min,空氣流速為30 mL/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 改性單體添加量對纖維黏結(jié)強(qiáng)力的影響

添加不同量IPA和DEG合成低熔點(diǎn)聚酯切片,紡絲制備皮芯復(fù)合纖維,制成無紡布試樣,并進(jìn)行熱處理,處理溫度180 ℃,處理時間5 min,測試黏結(jié)強(qiáng)力,不同IPA/DEG添加量與纖維黏結(jié)強(qiáng)力關(guān)系如圖1所示。

圖1 IPA/DEG添加量與纖維黏結(jié)強(qiáng)力關(guān)系

由圖1可以看出,纖維黏結(jié)強(qiáng)力隨著IPA/DEG添加量的提高而變大。由于IPA/DEG的添加,低熔點(diǎn)聚酯分子鏈排列和堆砌更加松散、柔性更大,溫度升高時,分子鏈更容易克服分子間的相互作用而產(chǎn)生熱運(yùn)動,宏觀上表現(xiàn)為熔融流動。吸收相同的熱量,IPA/DEG添加量高的低熔點(diǎn)聚酯熔融流動更充分,相互黏結(jié)更加牢固,黏結(jié)強(qiáng)力更大。

由圖1還可以看出,IPA/DEG添加量34%左右,黏結(jié)強(qiáng)力有較大提升,添加量大于34%,黏結(jié)強(qiáng)力曲線較為平穩(wěn),說明在溫度180 ℃,時間5 min的熱處理條件下,IPA/DEG添加量高于34%,黏結(jié)充分,黏結(jié)強(qiáng)力較大。不同IPA/DEG添加量低熔點(diǎn)聚酯纖維黏結(jié)點(diǎn)顯微鏡照片見圖2。

(a):32%;(b):33%;(c):34%;(d):35%

從圖2黏結(jié)點(diǎn)顯微鏡照片也可以看出,IPA/DEG添加量大于34%,低熔點(diǎn)聚酯才能充分熔融,黏結(jié)點(diǎn)由“點(diǎn)”變?yōu)椤懊妗薄?/p>

2.2 低熔點(diǎn)聚酯特性黏度對纖維黏結(jié)強(qiáng)力的影響

熔體特性黏度反映熔體在一定溫度下流動性能的好壞,使用不同特性黏度的低熔點(diǎn)聚酯紡絲制備皮芯復(fù)合纖維,制成無紡布試樣,并進(jìn)行熱處理,處理溫度180 ℃,處理時間5 min,測試黏結(jié)強(qiáng)力,低熔點(diǎn)聚酯特性黏度與纖維黏結(jié)強(qiáng)力關(guān)系如圖3所示。

圖3 低熔點(diǎn)聚酯特性黏度與纖維黏結(jié)強(qiáng)力關(guān)系

由圖3可以看出,低熔點(diǎn)聚酯特性黏度低,黏結(jié)強(qiáng)力略有提高,但聚酯特性黏度對黏結(jié)強(qiáng)力影響不顯著。在實(shí)驗(yàn)中的溫度和外力作用下,低熔點(diǎn)聚酯僅軟化變黏,并未達(dá)到充分熔融流動狀態(tài),不同特性黏度低熔點(diǎn)聚酯的流動性差異并未充分體現(xiàn),故聚酯特性黏度對纖維黏結(jié)強(qiáng)力影響很小。另外,聚酯特性黏度降低還會造成纖維強(qiáng)度降低及紡絲穩(wěn)定性下降,低熔點(diǎn)聚酯特性黏度應(yīng)大于0.660 dL/g以保證復(fù)合紡絲穩(wěn)定性。

2.3 后紡牽伸溫度對纖維黏結(jié)強(qiáng)力的影響

由于低熔點(diǎn)聚酯軟化點(diǎn)、熔點(diǎn)很低,使用水浴牽伸,會造成纖維黏結(jié)、發(fā)硬和干熱收縮率高,后紡無法正常穩(wěn)定運(yùn)行。采用特殊的加熱方式,溫度在聚酯玻璃化溫度以上,各牽伸輥均不加熱。不同牽伸溫度下制備皮芯復(fù)合纖維,制成無紡布試樣,并進(jìn)行熱處理,處理溫度180 ℃,處理時間5 min,測試黏結(jié)強(qiáng)力,不同牽伸溫度與纖維黏結(jié)強(qiáng)力關(guān)系如圖4所示。

圖4 牽伸溫度與纖維黏結(jié)強(qiáng)力關(guān)系

牽伸溫度低于常規(guī)PET玻璃化轉(zhuǎn)變溫度76 ℃,PET分子鏈段熱運(yùn)動能量低,不足以激發(fā)鏈段運(yùn)動,牽伸產(chǎn)生較多毛絲。牽伸溫度高于89 ℃,低熔點(diǎn)聚酯表面軟化黏結(jié),纖維絲束產(chǎn)生硬結(jié),影響纖維手感,實(shí)驗(yàn)中牽伸溫度為77～89 ℃。由圖4看出,不同牽伸溫度下的纖維黏結(jié)強(qiáng)力變化不大,因?yàn)闋可鞙囟瘸^芯層常規(guī)PET的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,遠(yuǎn)高于LMPET的玻璃化溫度60 ℃,所以牽伸溫度在77～89 ℃范圍內(nèi)的改變對于低熔點(diǎn)聚酯影響不大。

2.4 牽伸倍率對纖維黏結(jié)強(qiáng)力的影響

初生纖維的結(jié)構(gòu)單元排列基本上是雜亂的,或者僅具有較小的取向度,經(jīng)過拉伸,結(jié)構(gòu)單元沿纖維軸向的取向度有顯著的提高,牽伸倍率的大小對纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一定影響。使用不同牽伸倍率制備皮芯復(fù)合纖維,制成無紡布試樣,并進(jìn)行熱處理,處理溫度180 ℃,處理時間5 min,不同牽伸倍率與纖維取向度見圖5,不同牽伸溫度倍率與纖維黏結(jié)強(qiáng)力關(guān)系如圖6所示。

圖5 牽伸與纖維取向度關(guān)系

圖6 牽伸倍率與纖維黏結(jié)強(qiáng)力關(guān)系

圖5表明纖維牽伸倍率越高,取向度變大,由此推測出:牽伸倍率提高,拉伸取向充分,低熔點(diǎn)聚酯分子鏈堆砌更緊密,分子間的作用力(氫鍵數(shù)目、偶極鍵數(shù)目等)增大,需要更多的熱量熔融,導(dǎo)致同樣的熱處理條件下纖維黏結(jié)強(qiáng)力降低。所以,適當(dāng)降低牽伸倍率,有利于提高纖維黏結(jié)強(qiáng)力。

2.5 熱處理溫度對纖維黏結(jié)強(qiáng)力的影響

在熱風(fēng)黏結(jié)過程中,熱的載體是熱空氣,隨著熱空氣穿透纖網(wǎng),將熱量傳遞給纖維,使其熔融而產(chǎn)生黏結(jié)。因此,熱處理的溫度、時間及冷卻速率將直接影響熱黏無紡布的性能和質(zhì)量。

使用不同溫度對皮芯復(fù)合纖維制成的熱黏無紡布試樣進(jìn)行熱處理,熱處理時間5 min,測試黏結(jié)強(qiáng)力,不同熱處理溫度與低熔點(diǎn)復(fù)合纖維黏結(jié)強(qiáng)力關(guān)系如圖7所示。

圖7 熱處理溫度與纖維黏結(jié)強(qiáng)力關(guān)系

由圖7可以看出,隨著熱處理溫度的提高,黏結(jié)強(qiáng)力變大,說明溫度較低時,低熔點(diǎn)纖維尚未軟化或僅表面軟化,黏結(jié)強(qiáng)力較小,當(dāng)溫度升高,纖維逐漸完全軟化,甚至熔融流動,黏結(jié)強(qiáng)力顯著提高。

低熔點(diǎn)聚酯需要足夠熱量產(chǎn)生熔融流動,從而相互黏結(jié)。對于試驗(yàn)采用的低熔點(diǎn)復(fù)合纖維來說,熱處理溫度180 ℃以上,能夠達(dá)到較高的黏結(jié)強(qiáng)力,繼續(xù)升高溫度黏結(jié)強(qiáng)力趨于平穩(wěn),難以使黏結(jié)強(qiáng)力繼續(xù)提高。

2.6 熱處理時間對纖維黏結(jié)強(qiáng)力的影響

必須保證纖網(wǎng)能夠有足夠的受熱時間,以獲得良好的黏結(jié)效果,對皮芯復(fù)合纖維制成的熱黏無紡布試樣進(jìn)行不同時間的熱處理,測試黏結(jié)強(qiáng)力,不同熱處理時間與低熔點(diǎn)復(fù)合纖維黏結(jié)強(qiáng)力關(guān)系如圖8所示。

圖8 熱處理時間與纖維黏結(jié)強(qiáng)力關(guān)系

從圖8可以看出,熱處理時間5 min內(nèi),黏結(jié)強(qiáng)力有所提高,熱處理時間超過5 min,強(qiáng)力不再提高。特別是190 ℃條件下,黏結(jié)強(qiáng)力隨時間延長略有下降,熱處理溫度和時間過長又破壞了已經(jīng)形成的黏結(jié)結(jié)構(gòu),造成黏結(jié)強(qiáng)力下降。

3 結(jié) 論

a) 在研究范圍內(nèi),改性單體IPA/DEG添加量越高,低熔點(diǎn)聚酯纖維黏結(jié)強(qiáng)力越大。IPA/DEG添加量高于34%,黏結(jié)充分,黏結(jié)強(qiáng)力較大。

b) 牽伸倍率適當(dāng)降低,低熔點(diǎn)聚酯纖維取向度低,受熱更容易熔融黏結(jié),纖維黏結(jié)強(qiáng)力提高。

c) 熱處理溫度提高有利于黏結(jié)強(qiáng)力提高,熱處理溫度180 ℃以上,能夠達(dá)到較高的黏結(jié)強(qiáng)力,繼續(xù)升高溫度黏結(jié)強(qiáng)力趨于平穩(wěn)。

d) 熱處理時間5 min內(nèi),纖維黏結(jié)強(qiáng)力隨時間延長有所提高。熱處理時間超過5 min,強(qiáng)力不再提高,190 ℃加熱條件下,纖維黏結(jié)強(qiáng)力隨時間延長有所降低。

e) 低熔點(diǎn)聚酯特性黏度和牽伸溫度對黏結(jié)強(qiáng)力影響不明顯。