一步法滌綸雙收縮絲紡絲工藝及性能研究

孫世元，付春紅，薛 元

(1.嘉興市產品質量監督檢驗所，浙江 嘉興314050;2.嘉興市方圓公正檢驗行，浙江嘉興314050;3.嘉興學院材料與紡織工程學院，浙江嘉興314001)

雙收縮混纖復合絲(BSY)是將兩種以上不同潛在收縮率的纖維混纖復合而成的，可賦予紗線蓬松、卷曲、彈性等特性，這種具有特殊風格特點的差別化纖維是滌綸長絲未來的發展方向之一［1－2］。傳統工藝上的BSY是采用兩步法復合生產工藝，先分別紡出兩種沸水收縮率不同的長絲，再將二者進行復合以及網絡、空氣變形、卷繞等后加工。兩步法投資大，生產流程長，生產速度僅600～900 m/min，效率低，消耗高。一步法是近幾年新發展起來的高效成形工藝，是將紡程中相鄰紡絲位吐出的絲束經過不同的熱歷程和拉伸變形工藝，分別得到高收縮預取向絲(POY)組分與低收縮全拉伸絲(FDY)組分，然后合并進行加彈或網絡變形后卷繞成形，一步完成紡絲、拉伸、定型、混纖、加彈、卷繞的過程［3］。生產速度可高達3 000 m/min以上，具有流程短、產率高、消耗低的特點，可大幅度降低生產成本并提高BSY的產品質量。在一步法生產過程中，紡絲工藝參數對控制BSY的產品質量起著關鍵作用［4］。作者探討了拉伸、定型與卷繞工藝對纖維結晶取向度、力學性能以及沸水收縮率(S)的影響規律，以期對BSY的一步法生產起到指導作用。

1 實驗

1.1 原料

PET 切片:特性黏數(0.648 ±0.005)dL/g，熔點261℃，端羧基含量25 mol/t，TiO2含量0.27 μg/g，二甘醇質量分數為1.17%，常規紡絲及切片，市售。

1.2 一步法BSY紡絲實驗

BSY一步法紡絲工藝流程如圖1所示。

圖1 一步法BSY紡絲工藝流程Fig.1 Flow chart of one-step BSY spinning process

PET紡絲熔體經螺桿箱體及各自噴絲板擠出后，低收縮組分經 GR1，GR0，GR2進行紡絲-拉伸加工工藝形成拉伸取向絲FDY;高收縮組分經GR0，GR2進行紡絲不拉伸工藝形成預取向低結晶絲POY，在凹槽導絲盤上混合后，經中間網絡、主網絡變形加彈后卷繞成形。不同工藝條件下得到3種纖維試樣，即94 dtex/72 f高收縮絲POY，56 dtex/36 f低收縮絲FDY和150 dtex/108 f雙收縮絲BSY。

紡絲工藝條件如下:預結晶熱風溫度(175±5)℃，預結晶時間 15～20 min;螺桿轉速 30 r/min，螺桿一區至六區加熱溫度依次為275，285，292，292，290，290 ℃，箱體溫度(290 ±3)℃，側吹風溫度(28±1)℃，側吹風速度0.8 m/s。

拉伸、定型及卷繞工藝如下:影響高收縮組分POY、低收縮組分FDY以及BSY結晶取向結構、沸水收縮率以及力學性能的主要工藝參數有紡絲速度(V0)，拉伸倍數(DR)，拉伸溫度(GR1溫度T1)、定型溫度(GR2溫度T2)。

BSY:GR1速度(V1)為650～1 400 m/min，GR0和GR2速度(V2)為2 950 m/min，V0為3 000 m/min;T1為80～95℃;T2為100～120℃。

低收縮組分FDY:V1分別設為900，1 400，2 600 m/min，V2，V0設為4 200 m/min，T1，T2分別為85，120℃。

高收縮組分 POY:V2，V0為 1 000～6 000 m/min，T2為120℃。

1.3 分析測試

結晶度(Xc):采用德國Netzsch DSC-2000PC型DSC差示掃描量熱儀測試。將纖維試樣切碎成粉末狀，稱取8～10 mg，高純氮氣氛圍，升溫速率5℃/min，測試溫度30～300℃。

取向度:采用SCY-Ⅲ型聲速取向測試儀測試纖維試樣的聲速取向因子(fs)。測試條件:聲頻5×103Hz，測取長度 40 cm，預張力為 0.098 cN/dtex。采用倍長法求得延長時間和聲速值，計算得到fs。

力學性能:采用YG 061FQ型電子單紗強力儀參照GB/T 3916—2013測試。測試條件為預加張力(0.05 ±0.01)cN/dtex，隔距 250 mm，速度250 mm/min，溫度20℃，相對濕度65%。

S:參照GB/T 6505—2001測試高收縮POY、低收縮FDY以及一步法BSY的S［5］。分別選取一定長度的纖維試樣，固定在煮絲板上，置于100℃沸水中煮30 min，取出冷卻平衡2 h后，再次測量纖維長度，測量時預加張力為(0.05±0.01)cN/dtex。

2 結果與討論

2.1 紡絲速度

從圖2可知，隨著紡絲速度的提高，滌綸高收縮POY的熔融峰面積逐漸增大，對應纖維的XC增大。當紡絲速度大于4 000 m/min后冷結晶放熱峰消失，且隨著紡絲速度的提高熔融峰向右偏移。

圖2 不同紡絲速度下POY的DSC曲線Fig.2 DSC curves of POY at different spinning speed

從圖3可以看出，當紡絲速度為2 500～4 000 m/min時，POY具有較高的 S(50% ～65%)，紡絲速度在4 000～5 000 m/min時，S急劇下降至5%左右，超過6 000 m/min后纖維的S基本保持在5%左右不變。纖維的fs隨著紡絲速度的增大而增大，說明長絲的取向度隨著紡絲速度的提高而逐漸增大。

圖3 紡絲速度對POY fs及S的影響Fig.3 Effect of spinning speed on fsand S of POY

從圖4可知，隨著紡絲速度的提高，POY的斷裂強度逐漸提高，而斷裂伸長率逐漸減小。由此可見，紡絲速度是影響POY組分結晶取向結構、力學性能以及S的主要因素，當紡絲速度為3 000 m/min時，POY具有最大的S(65%)和較為穩定的結晶取向結構。

圖4 紡絲速度對POY力學性能的影響Fig.4 Effect of spinning speed on mechanical properties of POY

高收縮組分POY與低收縮組分FDY間的S差是體現滌綸雙收縮混纖絲風格特點的核心指標。為了凸顯BSY的風格特點，在不影響力學性能的前提下，高收縮POY組分的S應該盡可能地大。因此，實驗選擇GR0，GR2和卷繞頭速度約為3 000 m/min，高收縮POY組分S達到最大，可以此為基礎調整GR1的速度即V1和GR1溫度來控制低收縮FDY組分的S，實現對一步法BSY組分間S差及其結構與性能的調控。

2.2DR

從表1可知，隨著DR逐漸增大，FDY的XC、fs、斷裂強度、初始模量逐漸增大，斷裂伸長率、S逐漸變小。

表1 DR對FDY聚集態結構及性能的影響Tab.1 Effect of DR on aggregation structure and properties of FDY

從表2可知，隨著低收縮FDY DR逐漸增大，BSY的XC、斷裂強度、初始模量逐漸增加，fs總體呈上升趨勢;斷裂伸長率沒有明顯的升降規律，S呈小幅逐漸減小。

表2 DR對BSY聚集態結構及性能的影響Tab.2 Effect of DR on aggregation structure and properties of BSY

從表1，2還可知，當DR在3～4時，FDY組分收縮率較小，BSY相對具有較大的S，且具有較好的結晶取向結構和物理力學性能。

2.3 T1

從表3可以看出，當T1為80～95℃時，隨著T1逐漸升高，BSY的XC、斷裂強度逐漸增大，取向度、斷裂伸長率逐漸減小，S先增大后略有減小。隨著T1逐漸升高，FDY初生纖維的分子鏈能夠獲得更多的能量，大分子鏈段活動能力加強，溫度誘導結晶的作用也加強，從而使得BSY的XC變大;同時，初生絲的大分子解取向作用也隨著溫度升高逐漸加劇，與XC提高對大分子沿纖維軸向取向的貢獻相比，解取向作用可能處于優勢，這或許是BSY取向度降低的主要原因。當T1為85℃時，BSY的S最大，其他性能指標也較好，因此可確定T1為85℃。

表3 T1對BSY聚集態結構及性能的影響Tab.3 Effect of T1on aggregation structure and properties of BSY

2.4 T2

從表4可以看出，隨著T2逐漸升高，BSY的XC逐漸增大，fs先增大后稍有減小。XC提高主要有兩方面的原因:一方面，大分子鏈段的活動能力隨著溫度的升高而增強，使得更多的鏈段能參與結晶過程;另一方面，在張緊熱定型過程中，溫度升高使得結晶速度也增大，從而導致誘導結晶作用加強。在以上兩方面作用下，XC逐漸增大。當T2從100℃增大到110℃時，纖維在熱作用及張力誘導下大分子沿軸向取向能力增強，同時，無定形區大分子的松弛也有可能使微晶沿纖維軸進一步取向，綜合表現出纖維fs隨溫度升高而增大。當T2從110℃升高到120℃時，BSY的fs反而降低，這是因為當溫度過高時，大分子的解取向將占主導地位，導致非晶區取向有所降低。

表4 T2對BSY聚集態結構及性能的影響Tab.4 Effect of T2on aggregation structure and properties of BSY

隨著T2的升高，BSY的斷裂強度略有降低，斷裂伸長率先減小后增大，S逐漸降低。斷裂強度減小可能是由于溫度升高導致纖維fs降低引起的;斷裂伸長率與fs有關，fs越高，纖維分子鏈的伸直度越高，斷裂伸長率就越低，所以斷裂伸長率先減小后增大;T2是影響FDY的S，進而影響BSY的 S的主要因素［6－7］。隨著 T2升高，BSY 的S逐漸降低，到120℃時，減至29.05%。這是因為，隨著T2升高，纖維XC逐漸增大，使得阻礙纖維發生收縮運動“壁壘”增多，S減小。當T2為110℃時，BSY具有較高的 S為40.80%，同時XC，fs等力學性能指標也較好。因此，實驗選擇GR2溫度為 110℃。因此，當 V0，V1，V2分別為3 000，820，2 950 m/min，T1，T2分別為85，110 ℃時，得到BSY的S較大為40.80%，其他力學性能指標也較為優異，斷裂強度為1.909 cN/dtex，斷裂伸長率為38.17%。

3 結論

a.POY組分的紡絲速度，FDY組分的DR、拉伸定型溫度是影響BSY結構性能及其S的重要紡絲工藝參數，可以通過調控上述參數生產具有不同S和物理力學性能的BSY。

b.對于高收縮組分POY，結晶取向結構主要取決于V0，當V0在2 500～4 000 m/min時，其S最大可達50%～65%。對于低收縮組分來說，隨DR的增大，其S逐步降低。

c.當熱輥 GR1，GR2的速度分別為820，2 950 m/min，溫度分別為85，110 ℃，V0為 3 000 m/min時，得到BSY的S較大，為40.80%，且具有較為優異的力學性能。

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