李圣軍，甘勝華，蔣佳怡，張守運(yùn)，朱 鋒，錢婷婷，樓夢(mèng)娜

(浙江桐昆新材料研究院有限公司，浙江 嘉興 314500)

近年來，我國(guó)聚酯纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，常規(guī)產(chǎn)品的需求已大量減少，而功能性產(chǎn)品正受到人們的歡迎。隨著人們對(duì)自身健康的重視，保健功能性產(chǎn)品擁有巨大的市場(chǎng)需求[1]。負(fù)氧離子是空氣電離生成的帶有負(fù)電荷的離子[2]，不僅能改善空氣的質(zhì)量，還能緩解人體疲勞，活化細(xì)胞，提高機(jī)體免疫力[3]。

負(fù)氧離子纖維及其制品在靜態(tài)或動(dòng)態(tài)下通過單纖之間的相互摩擦而產(chǎn)生負(fù)氧離子，并向周圍發(fā)射，從而促進(jìn)人體的血液循環(huán)和新陳代謝，具有抗衰老、抗疲勞等健康保健等功能。目前對(duì)滌綸和錦綸等纖維的負(fù)氧離子改性，主要是在纖維制備過程中添加電石氣和金屬鍺等。凌榮根等[4]制備了不同異形截面的電石氣負(fù)氧離子改性錦綸6，電石氣改性纖維均具有一定的負(fù)氧離子發(fā)射率。俞春華等[5]對(duì)含鍺改性面料的負(fù)氧離子等功能性進(jìn)行了研究，認(rèn)為即使鍺元素的含量不斷增加，鍺改性面料的負(fù)氧離子發(fā)射量仍處于中等水平。電石氣具有一定的輻射性，對(duì)身體健康有一定的影響，產(chǎn)品需要穿著安全性測(cè)試和檢驗(yàn)，而鍺元素改性效果比較弱，通常負(fù)氧離子的輻射率只能達(dá)到中等水平。

甲殼素主要取自海洋甲殼生物的外殼，是一種天然可降解的堿性多糖物質(zhì)[6]。由于具有優(yōu)良的生物活性和易成膜成纖的性質(zhì)，甲殼素及其衍生物已經(jīng)在食品工業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生、紡織化工等多個(gè)領(lǐng)域有所應(yīng)用[7]。將甲殼素應(yīng)用到滌綸長(zhǎng)絲的生產(chǎn)上，能賦予滌綸長(zhǎng)絲及其織物良好的生物相容性、生物可降解性、透氣性、吸濕性等功能；同時(shí)，因甲殼素是帶正電荷的堿性多糖，添加到高聚物纖維中，隨纖維及織物運(yùn)動(dòng)摩擦，很容易產(chǎn)生游離的負(fù)電荷，因此還能賦予滌綸長(zhǎng)絲及其織物良好的負(fù)氧離子功能。

作者采用共混熔融紡絲方法，在聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)紡絲過程中添加甲殼素母粒，生產(chǎn)細(xì)旦多孔負(fù)氧離子滌綸預(yù)取向絲(POY)，然后進(jìn)行加彈得到83 dtex/72 f細(xì)旦多孔負(fù)氧離子滌綸拉伸變形絲(DTY)，探討了甲殼素母粒添加量及干燥、紡絲、環(huán)吹風(fēng)、上油等工藝條件對(duì)負(fù)氧離子滌綸POY生產(chǎn)的影響，以及加彈速度、拉伸比、速比(D/Y)、熱箱溫度、上油率等因素對(duì)負(fù)氧離子滌綸DTY生產(chǎn)及性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 主要原料

甲殼素母粒：甲殼素質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%，納米級(jí)，臺(tái)灣華懋科技股份有限公司產(chǎn)；半消光PET切片：纖維級(jí)，浙江桐昆集團(tuán)恒盛化纖有限公司產(chǎn)。PET切片與甲殼素母粒的主要指標(biāo)見表1。

表1 PET切片與甲殼素母粒主要指標(biāo)

1.2 主要設(shè)備與儀器

FBM320型預(yù)結(jié)晶干燥設(shè)備：鄭州中遠(yuǎn)干燥技術(shù)有限公司制；POY高速紡絲機(jī)：上海金緯化纖機(jī)械制造有限公司制；ATi-418R/12 ORCA型POY卷繞機(jī)：日本TMT機(jī)械株式會(huì)社制；EFK-V型假捻變形加彈機(jī)：歐瑞康巴馬格公司制；YG023B-Ⅱ型全自動(dòng)單紗強(qiáng)力機(jī)：常州紡織儀器有限公司制；YG368型全自動(dòng)沸水收縮率測(cè)試儀：常州市雙固頓達(dá)機(jī)電科技有限公司制；USTER 5型條干儀：瑞士烏斯特技術(shù)有限公司制；MQ-20C纖維含油率分析儀：德國(guó)Bruker公司制。

1.3 負(fù)氧離子滌綸DTY的生產(chǎn)

對(duì)甲殼素母粒采用較低溫度干燥，并適當(dāng)延長(zhǎng)干燥時(shí)間；半消光PET切片采用連續(xù)式干燥；按設(shè)定比例計(jì)量，將甲殼素母粒均勻添加到PET切片中熔融混合均勻，經(jīng)熔融紡絲得到負(fù)氧離子滌綸POY；POY經(jīng)拉伸假捻變形及熱定型等后加工得到負(fù)氧離子滌綸DTY。

在負(fù)氧離子滌綸POY生產(chǎn)中，添加甲殼素母粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%～6%，螺桿擠出機(jī)一至五區(qū)溫度分別為265，270，272，274，276 ℃，POY紡絲工藝參數(shù)見表2，DTY加工工藝參數(shù)見表3。

表2 POY紡絲工藝參數(shù)

表3 DTY加工工藝參數(shù)

1.4 分析與測(cè)試

力學(xué)性能：根據(jù)GB/T 14344—2008《化學(xué)纖維 長(zhǎng)絲拉伸性能試驗(yàn)方法》，采用全自動(dòng)單紗強(qiáng)力機(jī)對(duì)滌綸POY與DTY進(jìn)行測(cè)試。

條干不勻率：根據(jù)GB/T 14346—2015《化學(xué)纖維 長(zhǎng)絲條干不勻率試驗(yàn)方法 電容法》，采用條干儀對(duì)滌綸POY與DTY進(jìn)行測(cè)試。

卷曲收縮率：根據(jù)GB/T 6506—2001《合成纖維變形絲卷縮性能試驗(yàn)方法》，對(duì)細(xì)旦多孔負(fù)氧離子滌綸DTY進(jìn)行測(cè)試。

沸水收縮率：根據(jù)GB/T 6505—2008《化學(xué)纖維長(zhǎng)絲熱收縮率試驗(yàn)方法》，采用全自動(dòng)沸水收縮率測(cè)試儀對(duì)滌綸POY與DTY進(jìn)行測(cè)試。

含油率：根據(jù)GB/T 6504—2017《化學(xué)纖維 含油率試驗(yàn)方法》，采用MQ-20C纖維含油率分析儀對(duì)滌綸POY與DTY進(jìn)行測(cè)試。

負(fù)氧離子性能：根據(jù)GB/T 30128—2013《紡織品 負(fù)離子發(fā)生量的檢測(cè)和評(píng)價(jià)》，采用摩擦電離生成負(fù)氧離子的方法對(duì)細(xì)旦多孔負(fù)氧離子滌綸DTY及其織物進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 POY紡絲工藝

2.1.1 原料干燥工藝

原料PET切片和甲殼素母粒的干燥需要根據(jù)干燥后其含水率和干燥過程中的黏度降[8]來選擇控制干燥溫度和干燥時(shí)間等，從而保證紡絲過程的穩(wěn)定并便于后道加工。原料干燥時(shí)間太短或溫度太低，則干燥不充分，切片含水太高，在紡絲中大分子易水解，飄絲斷頭多，成品強(qiáng)度低；干燥時(shí)間太長(zhǎng)或溫度太高，則切片發(fā)生水解和熱降解嚴(yán)重，黏度下降幅度大，其大分子結(jié)構(gòu)被破壞，切片顏色偏黃，紡絲時(shí)斷頭增加，同時(shí)纖維的力學(xué)性能變差。試驗(yàn)表明，控制PET切片預(yù)結(jié)晶溫度160～170 ℃，預(yù)結(jié)晶時(shí)間30～45 min，干燥溫度170～175 ℃，干燥時(shí)間8～10 h，干燥后PET切片含水率達(dá)22～25 μg/g；控制甲殼素母粒干燥溫度110～120 ℃，干燥時(shí)間15～20 h，干燥后母粒含水率達(dá)35～40 μg/g。上述條件下負(fù)氧離子滌綸POY生產(chǎn)較穩(wěn)定。

2.1.2 甲殼素母粒添加量

甲殼素的添加量對(duì)負(fù)氧離子滌綸DTY生產(chǎn)的穩(wěn)定性及其負(fù)氧離子發(fā)射量均有影響。從表4可知：添加甲殼素母粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于7%時(shí)，成品滌綸DTY負(fù)氧離子發(fā)射量較高，但生產(chǎn)中熔體黏度及成品纖維斷裂強(qiáng)度下降較大，生產(chǎn)不穩(wěn)定，出現(xiàn)飄絲，斷頭嚴(yán)重；添加甲殼素母粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于4%時(shí)，生產(chǎn)中熔體黏度及成品纖維斷裂強(qiáng)度受影響較小，生產(chǎn)穩(wěn)定，但成品纖維負(fù)氧離子發(fā)射量較低，功能性明顯下降。綜合考慮，添加甲殼素與PET共混紡絲生產(chǎn)負(fù)氧離子滌綸DTY，控制甲殼素母粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5%～6%較為合適。

表4 甲殼素母粒添加量對(duì)負(fù)氧離子滌綸DTY生產(chǎn)及性能的影響

2.1.3 紡速速度

紡絲速度對(duì)滌綸POY生產(chǎn)穩(wěn)定性及其質(zhì)量有很大的影響。通常，提高紡絲速度，POY的斷裂伸長(zhǎng)率降低，斷裂強(qiáng)度增加，但紡絲速度過高，則會(huì)出現(xiàn)絲條運(yùn)行不穩(wěn)，紡絲張力波動(dòng)大，纖維條干不勻率增大，出現(xiàn)斷頭現(xiàn)象；紡絲速度太低，則紡絲張力太小，斷裂伸長(zhǎng)率增大，斷裂強(qiáng)度降低，纖維易抖動(dòng)，條干不勻率也會(huì)增大。從表5可以看出，添加甲殼素母粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%生產(chǎn)負(fù)氧離子滌綸POY時(shí)，紡絲速度為2 700 m/min時(shí)較為理想，生產(chǎn)穩(wěn)定，纖維條干不勻率最小，斷裂強(qiáng)度最高，斷裂伸長(zhǎng)率也較為合適。

表5 紡絲速度對(duì)負(fù)氧離子滌綸POY生產(chǎn)及性能的影響

2.1.4 紡絲溫度

從表6可知：添加甲殼素母粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%生產(chǎn)負(fù)氧離子滌綸POY時(shí)，紡絲溫度對(duì)紡絲的穩(wěn)定性及纖維質(zhì)量影響較大；當(dāng)紡絲溫度高于275 ℃時(shí)，由于大分子容易受降解，熔體黏度下降，出現(xiàn)飄絲斷頭現(xiàn)象，并使纖維斷裂強(qiáng)度降低；紡絲溫度低于265 ℃時(shí)，熔體的流動(dòng)性差，纖維的結(jié)晶和取向等聚集態(tài)的均勻性變差，條干不勻率增大，斷裂強(qiáng)度也降低[9]。試驗(yàn)表明，生產(chǎn)負(fù)氧離子滌綸POY時(shí)，紡絲溫度控制在265～275 ℃較為合適，POY斷裂強(qiáng)度為2.0～2.1 cN/dtex，條干不勻率為1.15%～1.18%，生產(chǎn)穩(wěn)定。

表6 紡絲溫度對(duì)負(fù)氧離子滌綸POY生產(chǎn)及性能的影響

2.1.5 冷卻吹風(fēng)條件

目前熔融紡絲的冷卻吹風(fēng)方式主要有側(cè)吹風(fēng)和環(huán)吹風(fēng)，側(cè)吹風(fēng)是傳統(tǒng)的冷卻方法，在生產(chǎn)細(xì)旦多孔纖維時(shí)，氣流在絲束之間穿透力及均勻穩(wěn)定性均較差，難以保證冷卻均勻，易造成纖維條干不勻，染色均勻性差、強(qiáng)度低等問題。環(huán)吹風(fēng)相對(duì)于側(cè)吹風(fēng)來說，能耗降低，冷卻均勻性好，纖維質(zhì)量均勻[10]，因此采用環(huán)吹風(fēng)冷卻方式生產(chǎn)細(xì)旦多孔負(fù)氧離子纖維更為合適。試驗(yàn)表明，采用環(huán)吹風(fēng)冷卻吹風(fēng)方式，控制風(fēng)溫在18～20 ℃，系統(tǒng)風(fēng)壓在550～580 Pa，環(huán)吹風(fēng)壓20～23 Pa，生產(chǎn)的負(fù)氧離子滌綸POY質(zhì)量均勻，生產(chǎn)穩(wěn)定。

2.1.6 上油工藝

在滌綸POY生產(chǎn)中，與常規(guī)產(chǎn)品相比，添加甲殼素母粒容易增加絲條與接觸部件之間的摩擦力，生產(chǎn)中容易產(chǎn)生單絲斷裂，需要適當(dāng)提高上油率來改善纖維的加工性能。試驗(yàn)表明，生產(chǎn)負(fù)氧離子滌綸POY，油劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～15%，POY上油率控制在0.40%～0.45%，生產(chǎn)中斷頭較少，生產(chǎn)比較穩(wěn)定，POY性能較好。

2.2 DTY加工工藝

2.2.1 加彈速度

加彈速度太高，纖維拉伸變形的時(shí)間縮短，纖維加熱時(shí)間減少，容易出現(xiàn)拉伸變形不充分，DTY卷曲收縮率降低，蓬松性和手感變差；加彈速度太低，生產(chǎn)效率大幅下降，生產(chǎn)成本增加，經(jīng)濟(jì)效益降低[11]。生產(chǎn)細(xì)旦多孔負(fù)氧離子滌綸DTY，由于單纖較細(xì)且添加了甲殼素母粒，單纖容易發(fā)生斷裂，從而產(chǎn)生毛絲甚至毛團(tuán)，因此宜選擇偏低的加彈速度。從表7可知，生產(chǎn)負(fù)氧離子滌綸DTY，加彈速度控制在650～700 m/min較為合適，DTY的卷曲收縮率在21%左右，卷曲穩(wěn)定度高于90%，且外觀良好，生產(chǎn)穩(wěn)定。

表7 加彈速度對(duì)負(fù)氧離子滌綸DTY生產(chǎn)及性能的影響

2.2.2 拉伸比

在滌綸DTY加工過程中，拉伸比太高，纖維張力過大，單絲容易斷裂，產(chǎn)生毛絲或毛團(tuán)，纖維強(qiáng)度降低；拉伸比太低，假捻張力太小，絲條運(yùn)行不穩(wěn)，容易產(chǎn)生逃捻，產(chǎn)生僵絲和緊點(diǎn)，纖維蓬松性變差。從表8可知：拉伸比小于1.68時(shí)，DTY斷裂伸長(zhǎng)率較大，斷裂強(qiáng)度較低，外觀存在僵絲、僵點(diǎn)，染色均勻性變差；拉伸比大于1.73時(shí)，DTY的斷裂伸長(zhǎng)率和斷裂強(qiáng)度均降低，外觀出現(xiàn)毛絲和毛團(tuán)，染色均勻性降低。因此，拉伸比控制在1.70～1.72較為合適。

表8 拉伸比對(duì)負(fù)氧離子滌綸DTY性能的影響

2.2.3D/Y

在滌綸DTY生產(chǎn)中，D/Y太低，解捻張力較高，容易產(chǎn)生毛絲和毛團(tuán)；D/Y太高，解捻張力太小，容易解捻不充分，成品絲條卷曲收縮率降低，蓬松性和手感變差，甚至產(chǎn)生僵絲[11]。從表9可以看出：當(dāng)D/Y低于1.65時(shí)，DTY卷曲收縮率和卷曲穩(wěn)定度降低，外觀出現(xiàn)毛絲和毛團(tuán)，染色均勻性變差；當(dāng)D/Y大于1.70時(shí)，DTY卷曲收縮率較高，但卷曲穩(wěn)定度降低，外觀出現(xiàn)僵絲和僵點(diǎn)，染色均勻性變差。因此，D/Y控制在1.65～1.68較為合適。

表9 D/Y對(duì)負(fù)氧離子滌綸DTY性能的影響

2.2.4 熱箱溫度

第一熱箱主要為POY的拉伸變形提供熱量，第一熱箱溫度影響纖維大分子的有序排列，進(jìn)而影響纖維大分子的結(jié)晶度和取向及其均勻性。第一熱箱溫度太高，單絲容易黏連生成緊點(diǎn)絲，DTY蓬松性和手感變差，同時(shí)纖維容易在假捻器處摩擦受損，出現(xiàn)斷頭，產(chǎn)生毛絲，強(qiáng)度降低；第一熱箱溫度太低，纖維拉伸變形效果差，彈性降低。試驗(yàn)表明，生產(chǎn)負(fù)氧離子滌綸DTY時(shí)，第一熱箱溫度控制在180～190 ℃較為合適。

第二熱箱主要對(duì)經(jīng)拉伸假捻變形的絲條進(jìn)行熱定型提供熱量，消除纖維絲條內(nèi)應(yīng)力，去除不穩(wěn)定形變。第二熱箱溫度太高，纖維解取向作用增強(qiáng)，假捻變形度降低，成品強(qiáng)度和蓬松性下降；第二熱箱溫度太低，熱量獲取不足，定型作用不強(qiáng)，卷曲穩(wěn)定度降低，蓬松性保持度和織物保形差[12]。試驗(yàn)表明，生產(chǎn)負(fù)氧離子滌綸DTY時(shí)，第二熱箱溫度控制在150～160 ℃較為合適。

2.2.5 DTY上油率

DTY上油率太低，絲條容易與設(shè)備摩擦產(chǎn)生靜電，發(fā)生斷裂從而形成疵點(diǎn)[13-15]；上油率太高，則容易在織機(jī)一些部件處形成油漬，造成織物污染。試驗(yàn)表明，DTY上油率控制在2.5%～3.0%，DTY使用性能好，織物染色均勻好。

2.3 纖維及織物性能

2.3.1 POY物理性能

根據(jù)上述分析，添加甲殼素母粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%進(jìn)行共混紡絲，控制紡絲速度2 700 m/min，紡絲溫度275 ℃，環(huán)吹風(fēng)溫度19 ℃、風(fēng)壓21 Pa，油劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%，纖維上油率0.40%，生產(chǎn)125.3 dtex細(xì)旦多孔負(fù)氧離子滌綸POY，POY斷裂強(qiáng)度為2.0 cN/dtex，斷裂伸長(zhǎng)率為126.4%(見表10)。這是因?yàn)樘砑拥募讱に啬噶Ｆ茐牧死w維內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其斷裂強(qiáng)度比常規(guī)產(chǎn)品低。

表10 負(fù)氧離子滌綸POY物理性能

2.3.2 DTY物理性能

通過加彈工藝優(yōu)化試驗(yàn)，生產(chǎn)細(xì)旦多孔負(fù)氧離子滌綸DTY較佳工藝條件為：加彈速度700 m/min，拉伸比1.72，D/Y為1.68，第一熱箱溫度190 ℃，第二熱箱溫度160 ℃，上油率2.5%～3.0%。從表11可知，上述加彈工藝下生產(chǎn)的83 dtex/72 f細(xì)旦多孔負(fù)氧離子滌綸DTY斷裂強(qiáng)度為3.8 cN/dtex，斷裂伸長(zhǎng)率為20.3%，使用性能較好。

表11 83 dtex/72 f 負(fù)氧離子滌綸DTY物理性能

2.3.3 織物的負(fù)氧離子性能

根據(jù)GB/T 30128—2013《紡織品 負(fù)離子發(fā)生量的檢測(cè)和評(píng)價(jià)》，當(dāng)負(fù)離子發(fā)生量大于等于550個(gè)/cm3且小于等于1 000個(gè)/cm3時(shí)，可認(rèn)為負(fù)離子發(fā)生量中等；當(dāng)負(fù)離子發(fā)生量為1 000個(gè)/cm3以上時(shí)，則認(rèn)為負(fù)離子發(fā)生量較高。對(duì)83 dtex/72 f細(xì)旦多孔負(fù)氧離子滌綸DTY的織物進(jìn)行負(fù)氧離子功能測(cè)試，織物的負(fù)離子發(fā)生量為823個(gè)/cm3，該纖維織物的負(fù)離子發(fā)生量為中等水平。

3 結(jié)論

a.控制PET切片預(yù)結(jié)晶溫度160～170 ℃，預(yù)結(jié)晶時(shí)間30～45 min，干燥溫度170～175 ℃，干燥時(shí)間8～10 h，干燥后的PET切片含水率為22～25 μg/g；控制甲殼素母粒干燥溫度110～120 ℃，干燥時(shí)間在15～20 h，干燥后母粒的含水率為35～40 μg/g，可滿足紡絲要求。

b.選擇甲殼素母粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%～6%，控制紡絲速度2 700 m/min、紡絲溫度265～275 ℃，采用環(huán)吹風(fēng)冷卻吹風(fēng)方式，風(fēng)溫18～20 ℃，環(huán)吹風(fēng)壓20～23 Pa，上油率控制在0.40%，生產(chǎn)的細(xì)旦多孔負(fù)氧離子滌綸POY加工性能良好。

c.在加彈速度700 m/min，拉伸比1.72，D/Y比1.68，第一熱箱溫度190 ℃，第二熱箱溫度160 ℃，上油率2.5%～3.0%的加彈工藝條件下，生產(chǎn)的83 dtex/72 f細(xì)旦多孔負(fù)氧離子滌綸DTY斷裂強(qiáng)度為3.8 cN/dtex，斷裂伸長(zhǎng)率為20.3%，其織物的負(fù)離子發(fā)生量為823個(gè)/cm3。