熊思維,殷松甫,殷晃德,龐旭章,陳少華,殷先澤,許 靜,王羅新,*

(1.武漢紡織大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,湖北 武漢430073;2.湖北省宇濤特種纖維股份有限公司,湖北 咸寧437500)

低熔點(diǎn)纖維是一種具有較低熔點(diǎn)的合成纖維,用作熱熔型黏合材料,可取代化學(xué)黏合劑,其優(yōu)點(diǎn)是黏結(jié)迅速、性能穩(wěn)定、節(jié)約原材料、降低能耗、無三廢污染,被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)用、服用和家用紡織品領(lǐng)域[1-2]。低熔點(diǎn)纖維按組分特點(diǎn)可分為單組分和復(fù)合型低熔點(diǎn)纖維。一般單組分低熔點(diǎn)纖維屬于全熔型纖維,而復(fù)合型低熔點(diǎn)纖維使用時(shí)僅發(fā)生局部熔融[3]。

目前,復(fù)合型低熔點(diǎn)纖維的研究與產(chǎn)業(yè)化較為成熟,但單組分低熔點(diǎn)纖維,尤其是低熔點(diǎn)聚酯長絲的開發(fā)相對較弱。單組分低熔點(diǎn)聚酯樹脂一般通過共聚法制備,然后采用熔融紡絲得到纖維。各類改性組分的添加對共聚酯的熔點(diǎn)和結(jié)晶性能影響較大,其紡絲成型技術(shù)難度最大,曾新等[4]利用實(shí)驗(yàn)紡絲機(jī),通過FDY紡絲法制備出性能較好的低熔點(diǎn)聚酯纖維,但紡絲速度較低,難以工業(yè)化生產(chǎn)。本文在系統(tǒng)研究低熔點(diǎn)聚酯樹脂特性和實(shí)現(xiàn)紡絲中試試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,與生產(chǎn)企業(yè)深度合作,通過對工業(yè)化紡絲裝備的系統(tǒng)改造和紡絲工藝優(yōu)化,成功實(shí)現(xiàn)了低熔點(diǎn)聚酯長絲的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。開發(fā)的單組分低熔點(diǎn)聚酯長絲纖維產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)具有生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定的特點(diǎn),對于充分發(fā)揮低熔點(diǎn)聚酯纖維的特性,擴(kuò)大低熔點(diǎn)聚酯長絲纖維產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原料和設(shè)備

聚酯切片,熔點(diǎn)為110℃,由中國石化上海石油化工股份有限公司提供;FDY紡絲機(jī),由武漢紡織大學(xué)和湖北省宇濤特種纖維股份有限公司共同研發(fā)[5-6]。

1.2 低熔點(diǎn)纖維的紡絲工藝流程

FDY的紡絲工藝流程:切片干燥→熔融→紡絲→冷卻→上油→拉伸→熱定型→上油→卷繞。

1.3 低熔點(diǎn)纖維的性能測試

采用深圳冠亞電子科技有限公司SFY-20型水分測定儀對干燥過程中低熔點(diǎn)樹脂切片的含水率進(jìn)行測定。采用上海利浦應(yīng)用科學(xué)技術(shù)研究所XD-1型纖維細(xì)度儀對試驗(yàn)所制得的低熔點(diǎn)纖維的纖度進(jìn)行測定。采用上海利浦應(yīng)用科學(xué)技術(shù)研究所XQ-1C型纖維強(qiáng)伸度儀測定纖維強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 切片干燥條件

低熔點(diǎn)聚酯切片軟化點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于水的沸點(diǎn),切片受熱極易黏合,如何控制切片含水率,防止切片在使用過程中再次吸濕,是實(shí)現(xiàn)順利紡絲的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)[7]。對于熔點(diǎn)為110～130℃的未結(jié)晶聚酯切片,其干燥難度大,干燥溫度過高易發(fā)生切片結(jié)團(tuán)和粘壁,干燥溫度過低則很難排除切片里的微量水分尤其是結(jié)構(gòu)水分,導(dǎo)致后續(xù)成絲困難。以單組分低熔點(diǎn)聚酯切片為例,比較了低熔點(diǎn)聚酯干燥條件與干燥效果,見表1。

由表1可知,切片在真空度(表壓)為-0.14 MPa條件下,采用優(yōu)化后的低溫程序升溫干燥技術(shù),即50～60℃干燥4 h結(jié)晶,60～70℃干燥16 h,可以有效避免了干燥時(shí)切片結(jié)團(tuán)和粘壁等問題,縮短了干燥時(shí)間,干燥后的切片含水率可以控制在0.005%以內(nèi)。

表1 低熔點(diǎn)聚酯(110℃)干燥條件

2.2 紡絲溫度

紡絲溫度直接影響紡絲是否順利,溫度過高,熔體黏度過小,由自重引起的拉伸超過噴頭拉伸,飄絲多,斷頭增加;溫度偏低,熔體表觀黏度過高,流動性差,紡絲困難,難以成纖。根據(jù)低熔點(diǎn)聚酯流變性能的研究,分別設(shè)計(jì)了不同的螺桿加熱區(qū)溫度,研究了熔體擠出時(shí)的外觀現(xiàn)象及熔體壓力變化,具體結(jié)果如表2所示。

螺桿一區(qū)為進(jìn)料區(qū),溫度過高,切片過早軟化粘連,則容易造成環(huán)結(jié)阻料,切片無法正常輸送。對于熔點(diǎn)為110℃的聚酯,螺桿一區(qū)溫度設(shè)置為120～140℃,均能有效避免環(huán)結(jié)阻料,超過145℃,出現(xiàn)環(huán)結(jié)阻料。螺桿熔融段和計(jì)量段的最優(yōu)溫度設(shè)定為表2中的3號參數(shù),此時(shí)得到的熔體外觀均勻,紡絲過程也十分順利。若螺桿加熱區(qū)溫度高于260℃,則熔體出現(xiàn)氣泡甚至有黃變現(xiàn)象,紡絲過程中飄絲。

表2 螺桿擠出過程中各區(qū)溫度設(shè)置與塑化效果對比

2.3 紡絲速度

對于熔點(diǎn)為110℃的聚酯切片,首先采用低速紡絲進(jìn)行試驗(yàn),在最優(yōu)的塑化條件下,調(diào)整側(cè)吹風(fēng)溫度為25～27℃,濕度為50%～70%,控制紡速為1 000～1 200 m/min,順利得到成品絲。隨后逐步提高紡絲速度,最終發(fā)現(xiàn),在紡絲設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)改造后,隨著紡絲速度提高,當(dāng)?shù)谝粺彷佀俣冗_(dá)到2 000 m/min左右,第二熱輥達(dá)到速度3 800～4 300 m/min時(shí),需要調(diào)整側(cè)吹風(fēng)溫度為15～18℃,濕度為60%～70%。在低熔點(diǎn)切片高速紡絲過程中,適當(dāng)降低側(cè)吹風(fēng)溫度可以加快絲條冷卻,保持絲條冷卻長度不要波動過大,有效避免了斷頭絲和毛絲問題。最后,卷繞頭的卷繞速度比第二熱輥速度低50～80 m/min,在此紡速下均能獲得性能良好的長絲。

2.4 拉伸溫度和倍率

對于低熔點(diǎn)纖維來說,適當(dāng)提高拉伸溫度,拉伸張力減小,大分子容易排列取向,有利于絲條形變,使拉伸順利進(jìn)行,同時(shí)可提高絲條的強(qiáng)度。但溫度過高則拉伸張力小,大分子發(fā)生松弛,產(chǎn)生解取向,絲條強(qiáng)度反而降低,同時(shí)絲條在熱輥上易滑移不穩(wěn)定,且發(fā)生絲條粘連甚至斷頭現(xiàn)象。拉伸溫度過低,使拉伸形變阻力大,因而產(chǎn)生毛絲。對于熔點(diǎn)為110℃的聚酯纖維,牽伸熱輥溫度宜控制在70～80℃之間,紡絲效果良好。

拉伸倍率主要由第一輥和第二輥的速度比決定,但第一輥的速度對拉伸倍率的影響更大,第一輥速度提高,噴絲板處的拉伸比大,剩余拉伸就小,則拉伸倍率要相應(yīng)減少,因此可從初生絲的剩余伸長來估計(jì)拉伸倍率。由于實(shí)際生產(chǎn)過程中希望盡可能提高生產(chǎn)效率,所以需要盡可能提高第一熱輥速度。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),紡絲卷繞最高速度達(dá)到4 200 m/min左右時(shí),第一熱輥速度取1 800～2 400 m/min為適宜。表3為拉伸比對低熔點(diǎn)聚酯長絲性能的影響結(jié)果,可以看出,隨著拉伸倍率的提高,絲條強(qiáng)度也提高,但過高的伸長比也會導(dǎo)致毛絲的出現(xiàn),合適的拉伸比在1.8～2.0左右。

表3 低熔點(diǎn)纖維拉伸倍率的選擇

2.5 熱定型溫度

纖維在拉伸后,仍處于緊張狀態(tài),熱定型過程有助于纖維內(nèi)分子鏈間的纏結(jié)點(diǎn)的舒解,消除纖維的內(nèi)應(yīng)力。FDY紡絲方法是拉伸定型一步完成,其中第二熱輥起到定型作用,屬于緊張熱定型。由于低熔點(diǎn)聚酯分子結(jié)構(gòu)規(guī)整性差,分子鏈的結(jié)晶能力非常弱,提高熱定型溫度依然很難顯著提高聚酯纖維的結(jié)晶性能,但對成品纖維的干熱收縮率有一定影響。在90、95、100℃定型溫度下,成品絲的干熱收縮率分別為8.2%、6.5%和3.6%。經(jīng)過牽伸后的纖維具有較高的取向度,隨著熱定型溫度的升高,取向的非晶態(tài)分子鏈熵力逐漸增大,促使纖維消除應(yīng)力,從而提高纖維尺寸穩(wěn)定性。

2.6 FDY紡絲關(guān)鍵裝置改進(jìn)

常規(guī)FDY紡絲設(shè)備是1個(gè)熱輥配1個(gè)分絲輥(冷輥),由于紡絲過程中絲束只有半圈受熱,繞的圈數(shù)越少,絲束與熱輥接觸時(shí)間越短,熱輥加熱溫度就要求越高。對于低熔點(diǎn)聚酯紡絲,熱輥溫度較高時(shí),絲束在熱輥上劇烈跳動;熱輥溫度適當(dāng)降低可以解決絲束跳動問題,但會影響牽伸定型質(zhì)量,特別是一位多頭高速紡時(shí)更加明顯。針對上述技術(shù)難點(diǎn),對現(xiàn)有FDY紡絲機(jī)上的熱輥-分絲輥進(jìn)行了重新設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)出一種多功能熱輥系統(tǒng)。即將分絲輥設(shè)計(jì)成具有加熱功能的熱輥,形成熱輥對,增加絲束與熱輥的接觸面,減少絲束在任一個(gè)熱輥上繞的圈數(shù),同時(shí)適當(dāng)降低熱輥溫度,這樣有效解決了低熔點(diǎn)長絲在牽伸和熱定型過程中發(fā)生粘輥、斷絲和絲束跳動的難題,大幅提高長絲產(chǎn)品質(zhì)量、成品率和產(chǎn)量,降低生產(chǎn)成本。

將FDY紡絲系統(tǒng)的分絲輥(冷輥)改裝為熱輥后,提高了紡絲速度,紡絲過程中,牽伸之前對絲束上油(第一道油嘴)僅能保證牽伸的正常進(jìn)行。絲束在牽伸后進(jìn)入卷繞時(shí),由于熱定型輥溫度高,絲束運(yùn)動快,卷繞時(shí)絲束來不及冷卻,原先殘留的油劑不足以對絲餅進(jìn)行很好的潤滑,從而導(dǎo)致出現(xiàn)絲餅退繞粘連、毛絲多、絲束抱合性不夠好的質(zhì)量問題。

針對這一技術(shù)難點(diǎn),對FDY紡絲系統(tǒng)的上油裝置進(jìn)行了重新設(shè)計(jì),將上油裝置改成兩道油嘴上油。在第二熱輥后增加一道油嘴上油系統(tǒng),使經(jīng)牽伸定型后的絲再集束冷卻進(jìn)入卷繞工序。第二道油嘴上油裝置具有冷卻及潤滑作用,能夠確保卷繞和退繞的順利進(jìn)行,使產(chǎn)品的質(zhì)量更高。

3 結(jié)論

(1)采用了程序升溫低溫干燥方法,有效控制真空度,使低熔點(diǎn)聚酯切片的含水率達(dá)到了紡絲要求。

(2)采用FDY紡絲牽伸一步法可以生產(chǎn)低熔點(diǎn)聚酯長絲,但紡絲工藝需要根據(jù)樹脂特性進(jìn)行設(shè)計(jì),紡絲溫度、紡絲速度、牽伸倍率、定型溫度等對纖維成型影響較大。

(3)FDY法生產(chǎn)低熔點(diǎn)聚酯長絲,需要對熱輥和上油系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn),通過熱輥對和雙上油裝置的設(shè)計(jì),結(jié)合紡絲工藝優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)低熔點(diǎn)聚酯長絲的工業(yè)化生產(chǎn)。

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