PPS/PET海島型復合纖維開纖工藝研究

(1. 天津工業大學紡織學院，天津，300160；2. 中國紡織科學研究院江南分院，紹興，312071)

超細纖維是近代一種高科技新型產品，具有直徑小、比表面積大、手感柔軟、彎曲剛度低、光澤柔和、透氣性良好等許多優異的特性。采用超細纖維制成的非織造布以其質輕、柔軟、透濕(氣)、強力好、高吸收、接近或超過天然材料等優良性能，受到國內外用戶的青睞，已被廣泛應用于服裝、醫學和過濾等領域。

超細纖維是差別化化學纖維中技術含量最高的品種之一，具有許多不同于其他纖維獨有的特性[1]。上世紀60年代美國杜邦公司發明了雙組分復合纖維制造技術，70年代日本廠商采用該工藝率先研制成海島型超細纖維，經過幾十年的發展該紡絲技術現已日趨成熟，并成為生產超細纖維的基本工藝[2-3]。

海島型超細纖維又稱原纖型纖維，在海島型復合纖維中以一種原纖結構聚合物作為島相組分，在其表面包覆另一種無定形結構聚合物作為海相組分。海島型復合纖維在外形上與常規纖維一樣，具有常規纖維的線密度和長度等外觀形態，而在纖維內部兩種組分的聚合物在縱向連續密集、均勻分散。海島型復合纖維中有許多單獨連續的島組分，經開纖之后每個島得到一根超細纖維。在一根復合纖維中，島的個數越多，則得到的超細纖維根數越多，單絲線密度就越小[4]。用海島型復合紡絲法制得的超細纖維線密度可小至0.000 099 dtex[5]。

本試驗采用基布為常規聚苯硫醚(PPS)機織物、迎塵面為PPS/聚酯(PET)海島型復合纖維、凈氣面為常規PPS纖維制成的針刺氈作為研究對象。在高溫高壓條件下用NaOH溶液對針刺氈進行處理，根據針刺氈的失重率來衡量開纖情況，研究開纖條件對PPS復合超細纖維針刺氈開纖水平的影響。

1 PPS/PET海島型復合纖維開纖機理

海島型復合紡絲法是分別將紡絲性能相近但溶解性能不同的兩種聚合物經各自的螺桿擠壓機熔融擠出，再經過濾、計量后在噴絲頭小孔處匯合，紡出具有截面類似海島型的纖維[6-7]。復合纖維中海組分可溶解于酸、堿或有機溶劑等化學品中，但這些化學品對島組分沒有影響。經過處理之后，海組分被去除，留下中間的島組分，復合纖維從一根雙組分粗纖維變成一束單組分細纖維從而完成開纖，獲得超細纖維。在PPS/PET復合纖維中，PPS作為難溶性聚合物構成島組分，而易溶于NaOH的PET構成海組分。PPS/PET海島型復合纖維經針刺加固以后，以針刺氈的形式通過堿減量處理，使復合纖維中海組分PET溶解在NaOH溶液中而去除，留下難溶于NaOH的島組分PPS，從而得到PPS超細纖維的針刺氈。

2 試驗部分

2.1 材料

2.1.1 針刺氈

由基布PPS機織物以及上下兩面分別為PPS/PET海島型復合纖維和常規PPS纖維制成針刺氈。每根PPS/PET海島型復合纖維有37個島。PPS纖維網+PPS基布與PPS/PET海島型復合纖維網的質量比約為50∶50，復合纖維中PPS(島組分)與PET(海組分)的質量比約為 80∶20。PPS/PET海島型復合纖維由中國紡織科學研究院提供，PPS纖維由四川得陽化學有限公司提供，針刺氈由浙江宇邦濾材有限公司制備。

2.1.2 藥品

NaOH，分析純；堿促劑A(自復配)。

2.1.3 儀器

JA2003N型電子天平，DH27-9140A型烘箱，HT24型紅外線小樣染色機，日立S-4800型電子掃描電鏡。

2.2 開纖試驗

2.2.1 試驗方法

剪取100 cm2(5 g左右)的針刺氈若干塊，按1∶30的浴比置于不同濃度的NaOH溶液中，分別在高溫高壓染色機中于不同溫度下處理一段時間；堿減量開纖處理之后取出針刺氈，清水沖洗至中性，烘干并于干燥器內靜置干燥。

為使開纖過程中堿液對PPS/PET海島型復合纖維的開纖順利進行和更加均勻，本研究在堿溶液中加入適量堿促劑A。

2.2.2 稱重

試驗前將剪好的針刺氈樣品放入烘箱，在100 ℃下烘至恒重，再于干燥器內靜置到常溫，稱重，記錄數據，計作G0。

試驗后，為盡量去除針刺氈樣品上殘留的堿劑，對堿處理后的針刺氈進行清水沖洗、浸泡并揉搓10次，直至針刺氈表面沒有油滑的感覺，再放到100 ℃的烘箱內烘燥2 h，然后移放到干燥器內，到常溫恒重后再進行稱重，記錄數據，計作G1。

2.3 開纖率計算

由于開纖率比較難以計算，本文通過針刺氈樣品的失重率來衡量開纖率。根據堿處理開纖前后的針刺氈樣品烘干后的稱重數據，按下式計算失重率[6]：

式中：G0——開纖前針刺氈樣品的干重；

G1——開纖后針刺氈樣品的干重。

3 結果與討論

3.1 堿處理開纖試驗設計

選擇了NaOH濃度、堿促劑A濃度、處理溫度和處理時間四個主要因素,采用L9(34)正交試驗設計安排試驗,對針刺氈進行堿減量開纖工藝研究。因素水平表見表1。

表1 針刺氈開纖正交試驗因素水平表

3.2 開纖試驗結果與分析

3.2.1 正交試驗

在PPS/PET海島型復合纖維中海組分PET的質量分數約為20%，折合在針刺氈中的質量分數近于10%。在高溫的NaOH溶液中，因海組分的PET分子的酯鍵被水解，斷裂形成不同聚合度的水解產物，最后在OH-1的作用下形成苯二甲酸鈉和乙二醇而溶解消失[9]。雙組分海島型復合纖維經堿處理后完成開纖過程，獲得開纖后單纖線密度約為0.088 dtex的PPS超細纖維。試驗結果見表2。

表2中的失重率數據表明，影響本研究所用PPS/PET海島型復合纖維針刺氈的堿減量開纖的因素排序由大到小為堿促劑A濃度、處理時間、NaOH濃度和處理溫度。

表2 針刺氈開纖正交試驗設計及結果

由試驗結果可知，堿促劑A的質量濃度為2和3 g/L時的樣品失重率明顯高于質量濃度為1 g/L時的結果。同時，由于堿處理溫度對開纖的影響較小，在常壓100 ℃條件下也可以達到很好的開纖效果，考慮到成本以及某些設備達不到高溫高壓的情況，可選定最優堿處理溫度為100 ℃、堿促劑A的質量濃度為2 g/L。

3.2.2 補充試驗

為了進一步了解開纖時間和堿濃度各自對失重率的影響，在上述試驗基礎上對主要影響因素NaOH濃度與處理時間又進行了幾組試驗。

(1)開纖時間試驗

設定NaOH質量濃度70 g/L、溫度100 ℃、堿促劑A質量濃度2 g/L，改變開纖處理時間進行試驗。由圖1可見:隨著開纖時間的增加，失重率升高；當開纖時間在60 min及以上時，失重率幾乎不再升高，并趨近10%，說明復合纖維已完全開纖。由于復合纖維中海組分PET易溶解于堿溶液，在理想狀態下，隨著開纖時間的延長，PET將被徹底溶解。然而，由于本文中復合纖維是以針刺氈的形式進行堿減量處理的，針刺氈中復合纖維的開纖難于單獨復合纖維的開纖，所以在滿足海島型復合纖維完全開纖前提下，選擇60 min的開纖時間就可以達到要求。這相對于更長的開纖時間，可以縮短工藝時間和節約生產成本。

圖1 開纖時間與失重率的關系曲線

(2)NaOH濃度試驗

設定溫度100 ℃、堿促劑A質量濃度2 g/L、處理時間60 min，改變NaOH濃度進行試驗。由圖2可知：隨NaOH濃度增大，失重率提高；當NaOH質量濃度大于60 g/L時，失重率趨近于10%，并且隨著NaOH濃度的提高，失重率不再提高，說明海組分PET已幾乎完全被溶解掉，開纖完全。因此，本研究中復合纖維針刺氈開纖的最優NaOH質量濃度為60 g/L。

圖2 NaOH濃度與失重率的關系曲線

3.3 最佳開纖工藝

從上述數據分析可得，本試驗的PPS/PET海島型復合纖維針刺氈的最優開纖工藝參數為：NaOH質量濃度60 g/L，堿促劑A質量濃度2 g/L，開纖溫度100 ℃；開纖時間60 min。

經開纖后獲得的PPS超細纖維針刺氈的SEM照片見圖3。

4 結論

(1)NaOH是PPS/PET海島型復合纖維的有效的開纖劑，可以順利實現針刺氈中PPS/PET海島型復合纖維的超細化。在NaOH質量濃度60 g/L、堿促劑A質量濃度2 g/L、100 ℃條件下處理60 min，可獲得單纖線密度約為0.088 dtex的PPS超細纖維。

圖3 開纖后針刺氈的SEM照片

(2)堿促劑A的濃度對開纖工藝影響最大。加入質量濃度為2 g/L的堿促劑A可使堿利用率提高，堿處理試驗穩定，且有利于復合纖維的開纖。

(3)在小樣試驗條件下與在工廠生產加工條件下，PPS/PET海島型復合纖維針刺氈的開纖效果會有很大區別，對于在不同設備中的開纖工藝還需要進行更深入的研究，以合理選擇開纖工藝，使纖維內外的海組分充分水解剝離，達到完全開纖。

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