謝 巧 麗

(神馬實(shí)業(yè)股份有限公司，河南 平頂山 467000)

尼龍66 纖維因強(qiáng)度高、回彈性好、耐疲勞、耐熱性及耐磨性優(yōu)異，在工業(yè)上廣泛用于制造輪胎簾子布、降落傘布、安全氣囊、傳送帶、帳篷、漁網(wǎng)等[1-2]。近年來，細(xì)旦尼龍66纖維在高速縫紉線、工業(yè)用織物等新應(yīng)用領(lǐng)域的需求不斷增加，這些應(yīng)用領(lǐng)域要求尼龍66纖維具有高強(qiáng)度，且必須保持良好的尺寸穩(wěn)定性。纖維在高溫狀態(tài)下的熱收縮率是衡量其尺寸穩(wěn)定性的重要技術(shù)指標(biāo)，常規(guī)細(xì)旦尼龍66纖維斷裂強(qiáng)度在7.0 cN/dtex以上，熱收縮率在6%～10%；而高強(qiáng)超低熱收縮尼龍66纖維斷裂強(qiáng)度要求在7.5 cN/dtex以上，干熱收縮率要求在4%以下。

目前工業(yè)上主要采用切片紡工藝生產(chǎn)高強(qiáng)超低熱收縮尼龍66纖維，以尼龍66切片為原料進(jìn)行固相聚合，之后再進(jìn)行紡絲、拉伸、熱定型，生產(chǎn)出全拉伸絲[3-4]。該技術(shù)存在能耗高、產(chǎn)品批次間不勻率大等問題。作者采用一步法連續(xù)聚合熔體直紡新工藝，通過對尼龍66聚合物相對黏度、紡絲溫度、上油率、拉伸及熱定型工藝等關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)化，生產(chǎn)的高強(qiáng)超低熱收縮尼龍66纖維斷裂強(qiáng)度高達(dá)8.1 cN/dtex，干熱收縮率低至3.8%，生產(chǎn)過程穩(wěn)定，產(chǎn)品A級品率高達(dá)90%。

1 試驗(yàn)

1.1 主要原料

尼龍66鹽液：質(zhì)量指標(biāo)見表1，神馬尼龍化工有限責(zé)任公司產(chǎn)。

表1 尼龍66鹽液的質(zhì)量指標(biāo)Tab.1 Quality index of nylon 66 salt solution

1.2 主要設(shè)備及儀器

連續(xù)聚合設(shè)備、紡絲箱、側(cè)吹風(fēng)裝置、拉伸機(jī)：日本旭化成株式會(huì)社制；卷繞機(jī)：ASW Baby-604型，德國Barmag公司制；AVL-4C型自動(dòng)黏度儀：SAN DENSHI IND.CO.LTD制；QTY-1型強(qiáng)力機(jī)：日本島津公司制；MK-V型干熱收縮測定儀：英國Testite公司制；YG086型測長儀：常州紡電儀器有限公司制。

1.3 高強(qiáng)超低熱收縮尼龍66纖維的生產(chǎn)

采用一步法連續(xù)聚合熔體直紡生產(chǎn)高強(qiáng)超低熱收縮尼龍66纖維。首先，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)52.8%的尼龍66鹽液在140 ℃高溫狀態(tài)下加熱濃縮100 min，得到高濃度尼龍66鹽液；之后，高濃度尼龍66鹽液在反應(yīng)器中高溫高壓預(yù)聚120 min，完成預(yù)聚脫水，然后在聚合器中依次進(jìn)行高溫常壓聚合55 min、負(fù)壓聚合35 min，縮聚過程中形成的水分在真空條件下逐步脫去，并通過提高真空度使聚合反應(yīng)平衡不斷向右移動(dòng)，進(jìn)一步提高聚合物的黏度，得到尼龍66聚合物熔體；最后，熔體經(jīng)過熔體增壓泵輸送至紡絲箱，經(jīng)紡絲、冷卻、上油、拉伸、熱定型、卷取，得到222 dtex /34 f高強(qiáng)超低熱收縮尼龍66纖維，生產(chǎn)工藝流程見圖1。

圖1 高強(qiáng)超低熱收縮尼龍66纖維生產(chǎn)工藝流程Fig.1 Production process of high-strength ultralow-thermal shrinkage nylon 66 fiber

1.4 分析與測試

相對黏度：稱取一定量的尼龍66聚合物溶解于90%的甲酸溶液，將溶液加入AVL-4C型自動(dòng)黏度測定儀中，測定聚合物的相對黏度。

線密度：根據(jù)FZ/T 54055—2012《縫紉線用錦綸66牽伸絲》，采用YG086型測長儀測定。

強(qiáng)伸度：根據(jù)FZ/T 54055—2012《縫紉線用錦綸66牽伸絲》，采用QTY-1型強(qiáng)力機(jī)測定。

干熱收縮率：根據(jù)FZ/T 54055—2012《縫紉線用錦綸66牽伸絲》，采用MK-V型干熱收縮測定儀測試。

染色均勻度：根據(jù)FZ/T 50008—2015《錦綸長絲染色均勻度試驗(yàn)方法》，采用灰卡判定。

2 結(jié)果與討論

2.1 尼龍66聚合物相對黏度

聚合物的相對分子質(zhì)量是其最基本的結(jié)構(gòu)參數(shù)之一，在工業(yè)生產(chǎn)中通常采用相對黏度表征聚合物相對分子質(zhì)量的大小，高聚物的相對分子質(zhì)量越大，其相對黏度就越大。聚合物的相對黏度對其紡絲性能及纖維質(zhì)量有直接影響。隨著聚合物相對黏度的升高，纖維的拉伸性能提高，機(jī)械強(qiáng)度也隨之提高，但相對黏度過高，熔體在管道中流動(dòng)不均勻，初生纖維拉伸時(shí)易產(chǎn)生毛絲、斷頭，造成紡絲困難[5]；相對黏度過低，熔體從噴絲板噴出后，難以形成持續(xù)不斷的細(xì)流，致使紡絲無法進(jìn)行。因此，在生產(chǎn)中必須將聚合物相對黏度控制在合適范圍之內(nèi)。從表2可知，在生產(chǎn)222 dtex/34 f高強(qiáng)超低熱收縮尼龍66纖維時(shí)，將聚合物相對黏度控制在77～79時(shí)，紡絲過程穩(wěn)定，纖維拉伸性能好，有利于后續(xù)纖維強(qiáng)度的提高。

表2 聚合物相對黏度對可紡性的影響Tab.2 Effect of relative viscosity on spinnability of polymer

2.2 紡絲溫度

高聚物熔體黏度對溫度變化非常敏感，紡絲溫度升高，大分子活動(dòng)性增加，分子鏈之間纏結(jié)降低，熔體黏度降低，流動(dòng)性能增加。但是，紡絲溫度過高將導(dǎo)致聚合物熱降解，在纖維生產(chǎn)中會(huì)導(dǎo)致絲餅發(fā)黃甚至出現(xiàn)黑圈絲，可紡性變差；紡絲溫度較低時(shí)，高聚物熔體黏度會(huì)有所提高，流動(dòng)性變差，不利于后續(xù)的噴絲及拉伸過程，纖維生產(chǎn)中容易出現(xiàn)毛絲、斷頭。因此，為了保證紡絲順利進(jìn)行，必須控制好紡絲溫度即紡絲箱溫度。由表3可知，通過對紡絲箱溫度進(jìn)行試驗(yàn)，將紡絲箱溫度由(300±2)℃開始降溫，當(dāng)紡絲箱溫度為(300±2)℃時(shí)，熔體相對黏度較高，斷絲次數(shù)少，因此，確定合適的紡絲溫度為(300±2)℃。

表3 紡絲溫度對熔體黏度及斷絲次數(shù)的影響Tab.3 Effect of spinning temperature on melt viscosity and yarn breakage number

2.3 上油率

尼龍66纖維上油率過低，纖維容易起靜電，纖維間抱合力差，與設(shè)備零件的摩擦力較大，不利于后面的卷繞和后加工；但上油率過高不僅會(huì)增加油劑消耗，導(dǎo)致擦輥周期變短，同時(shí)絲束表層附著過多的油劑亦會(huì)導(dǎo)致纖維在拉伸輥表面打滑，起不到拉伸作用致使纖維強(qiáng)力下降。因此，為使纖維能夠順利拉伸，必須確定合適的上油率。

由表4可以看出：當(dāng)上油率為0.55%時(shí)，紡絲時(shí)每班斷絲次數(shù)較多，產(chǎn)品A級品率為83%；當(dāng)上油率為0.80%時(shí)，紡絲時(shí)每班斷絲次數(shù)較少，且產(chǎn)品A級品率高達(dá)90%；當(dāng)上油率進(jìn)一步增加至1.20%時(shí)，每班斷絲次數(shù)反而增高，產(chǎn)品A級品率也降低。因此，根據(jù)試驗(yàn)確定合適的上油率為(0.80±0.10)%。

表4 上油率對生產(chǎn)及產(chǎn)品質(zhì)量的影響 Tab.4 Effect of oil pick-up on product quality and production

2.4 拉伸倍數(shù)

高強(qiáng)超低熱收縮纖維要求纖維強(qiáng)度高，且具有足夠低的干熱收縮率。工業(yè)生產(chǎn)中為了提高纖維的強(qiáng)度，最有效的方法是提高拉伸倍數(shù)，隨著拉伸倍數(shù)的提高，纖維分子的取向度增大，纖維強(qiáng)度增加；但拉伸倍數(shù)過高，容易發(fā)生斷絲，致使紡絲中斷，而且隨著纖維大分子取向度增加，發(fā)生取向的非晶區(qū)分子鏈段在受熱時(shí)更容易發(fā)生卷曲，進(jìn)而影響到纖維的尺寸穩(wěn)定性。從圖2可知，隨著拉伸倍數(shù)的提高，纖維的斷裂強(qiáng)度和干熱收縮率都有升高的趨勢。因此，兼顧纖維高強(qiáng)力與超低熱收縮性能，選擇合適的拉伸倍數(shù)為5.40±0.10。

圖2 拉伸倍數(shù)對尼龍66纖維斷裂強(qiáng)度和干熱收縮率的影響Fig.2 Effect of draw ratio on breaking strength and dry-hot shrinkage of nylon 66 fiber

2.5 熱定型溫度和松弛比

2.5.1 熱定型溫度

經(jīng)過高倍拉伸后的纖維內(nèi)部超分子結(jié)構(gòu)已經(jīng)基本形成，但是纖維內(nèi)部存在著不均勻的應(yīng)力，纖維內(nèi)的結(jié)晶結(jié)構(gòu)也有很多缺陷，為了增加纖維的尺寸穩(wěn)定性，必須通過松弛熱定型使纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)舒解重建，消除內(nèi)應(yīng)力，使纖維內(nèi)部較不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定度較高的結(jié)構(gòu)。從圖3可以看出：熱定型溫度由180 ℃提高至220 ℃時(shí)，纖維的斷裂強(qiáng)度由6.82 cN/dtex增加至8.10 cN/dtex；當(dāng)熱定型溫度高于220 ℃時(shí)，隨著溫度的提高，纖維的斷裂強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢；纖維的干熱收縮率隨著熱定型溫度的升高而降低，這可能是由于隨著熱定型溫度升高，分子鏈段運(yùn)動(dòng)能力增強(qiáng)，這有助于原有結(jié)構(gòu)破壞并重建，消除內(nèi)應(yīng)力[6]，但溫度過高使纖維解取向程度增大，纖維強(qiáng)度下降。因此，兼顧纖維高強(qiáng)力與低熱收縮性能，在紡制222 dtex/34 f高強(qiáng)超低熱收縮尼龍66纖維時(shí)，合適的熱定型溫度為210～220 ℃。

圖3 熱定型溫度對尼龍66纖維斷裂強(qiáng)度與干熱收縮率的影響Fig.3 Effect of heat setting temperature on breaking strength and dry-hot shrinkage of nylon 66 fiber

2.5.2 松弛比

從圖4可以看出，隨著松弛比提高，尼龍66纖維的干熱收縮率升高。但若松弛比過低，絲條在拉伸輥表面劇烈跳動(dòng)，絲束不穩(wěn)易造成斷絲，可紡性變差。綜合考慮，在紡制222 dtex/34 f高強(qiáng)超低熱收縮尼龍66纖維時(shí)，在保證可紡性良好的情況下為得到超低熱收縮纖維，選擇合適的松弛比為0.88～0.92。

圖4 松弛比對尼龍66纖維干熱收縮率的影響Fig.4 Effect of relax ratio on dry-hot shrinkage of nylon 66 fiber

2.6 較佳生產(chǎn)工藝條件和產(chǎn)品質(zhì)量

經(jīng)過對聚合物相對黏度、紡絲溫度、上油率、拉伸倍數(shù)、熱定型溫度及松弛比等工藝參數(shù)的優(yōu)化，得出222 dtex/34 f高強(qiáng)超低熱收縮尼龍66纖維的較佳生產(chǎn)工藝條件見表5，在較佳工藝條件下實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定生產(chǎn)，產(chǎn)品A級品率達(dá)90%，產(chǎn)品主要質(zhì)量指標(biāo)見表6。

表5 222 dtex/34 f高強(qiáng)超低熱收縮尼龍66纖維較佳生產(chǎn)工藝條件Tab.5 Rational production process conditions of 222 dtex/ 34 f high-strength ultralow-thermal shrinkage nylon 66 fiber

表6 222 dtex/34 f高強(qiáng)超低熱收縮尼龍66纖維主要質(zhì)量指標(biāo)Tab.6 Quality index of 222 dtex/ 34 f high-strength ultralow-thermal shrinkage nylon 66 fiber

3 結(jié)論

a. 采用連續(xù)聚合熔體直紡技術(shù)，通過對紡絲、拉伸、熱定型各工序工藝條件的優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)超低熱收縮尼龍66纖維的穩(wěn)定生產(chǎn)。

b. 控制尼龍66聚合物相對黏度在77～79，選擇紡絲溫度298～302 ℃、上油率(0.80±0.10)%、拉伸倍數(shù)5.40±0.10、熱定型溫度210～220 ℃、松弛比0.88～0.92，生產(chǎn)222 dtex/34 f高強(qiáng)超低熱收縮尼龍66纖維時(shí)生產(chǎn)過程穩(wěn)定，纖維斷裂強(qiáng)度高達(dá) 8.1 cN/dtex，干熱收縮率低至3.8%，產(chǎn)品A級品率達(dá)90%。