聚酯/聚丙烯皮芯型復(fù)合纖維的紡制*

林 海，李雪梅，黃潔希，王增喜，郭銘信

（廣東省化學(xué)纖維研究所，廣東 廣州510245）

科研與實踐

聚酯/聚丙烯皮芯型復(fù)合纖維的紡制*

林 海，李雪梅，黃潔希，王增喜，郭銘信

（廣東省化學(xué)纖維研究所，廣東 廣州510245）

探討了紡制聚酯/聚丙烯皮芯型復(fù)合纖維的生產(chǎn)工藝技術(shù)，分析了皮芯型復(fù)合纖維的物理指標(biāo)。結(jié)果表明，采用48孔皮芯結(jié)構(gòu)噴絲組件，紡絲速度2 600～3 700 m/min，生產(chǎn)169 dtex/48 f聚酯/聚丙烯皮芯型復(fù)合纖維DTY時，側(cè)吹風(fēng)風(fēng)速為 (0.4～0.6)土0.02 m/s，風(fēng)溫為12～20℃， 濕度為60%～80%；加彈紡速400～500 m/min，B/Y比1.3～1.5，變形溫度120～135℃，定型溫度125～140℃，牽伸比1.3～1.5，可紡制出性能優(yōu)良的復(fù)合型地毯纖維。

聚酯；聚丙烯；皮芯復(fù)合纖維； 側(cè)吹風(fēng)；紡絲工藝

丙綸是當(dāng)今合成纖維中發(fā)展較快的一個品種，由于它質(zhì)地輕、強度高、耐腐蝕、耐磨損、價格便宜，因此被廣泛應(yīng)用于制作地毯。但其突出的缺點是易倒伏、阻燃性差、易老化，另外丙綸和其他高分子聚合物的相容性也較差，因此高檔次地毯很少使用丙綸纖維[1]。高檔地毯一般采用具有吸濕、阻燃、彈性好等性能的羊毛纖維，但其價格昂貴，目前市場趨勢是開發(fā)高性能的復(fù)合型纖維代替羊毛纖維。皮芯型復(fù)合纖維由皮層聚合物組分沿纖維軸向持續(xù)均勻包裹芯層聚合物組分形成， 皮芯結(jié)構(gòu)的復(fù)合纖維對兩組分聚合物之間的黏附力要求較低，選取的皮芯兩種聚合物組分之間即使沒有黏附力，都可以紡制成物理性能穩(wěn)定的復(fù)合纖維，選擇高分子材料組分對纖維進行改性的范圍變得更廣[2]。

滌綸熔點257℃遠高于丙綸的169℃，且在燃燒時熔化而自己熄滅，阻燃性好；PET的彈性模量 ≥90 cN/dtex，遠高于丙綸的27 cN/dtex；除了阻燃性好、剛性大、模量高，還具有很好的抗老化等性能。因此，本實驗采用聚丙烯為芯層組分聚酯為皮層組分，研制具有抗老化、阻燃、不易倒伏等性能的皮芯型復(fù)合地毯纖維，并對復(fù)合紡絲的工藝技術(shù)進行探討。

1 試驗

1．1 試驗原料

PET，SD2010，熔點257℃，特性黏度0.64 dL/g，廣東泰寶聚合物有限公司生產(chǎn)。

PP，Z30S，熔點169℃，熔融指數(shù)25～30 g/10 min，中煤陜西榆林能源化工有限公司生產(chǎn)。

1．2 試驗設(shè)備與儀器

ROSIN干燥機，張家港萬盛機械有限公司；雙螺桿熔融紡絲機，蘇州帝達化纖機械制造有限公司；皮芯型噴絲板，中山太鼎精密機械有限公司；BAW835T-1200卷繞機，北京中麗制機工程技術(shù)有限公司；33H型加彈機，日本村田機械有限公司；YG061A電子單紗強力儀，萊州市電子儀器有限公司；BM-1000型雙目顯微鏡，常州二紡精密機械有限公司。

1.3 紡絲工藝

1.3.1 干燥工藝

PET切片的結(jié)晶溫度為175℃ ，干燥溫度為170℃，干風(fēng)露點-80℃， 干燥風(fēng)量72 m3/h，干燥時間8 h。

PP切片干燥溫度120℃，干燥時間6 h。

1.3.2 技術(shù)路線

聚酯切片皮層組分經(jīng)結(jié)晶干燥，螺桿熔融擠壓，計量泵計量，經(jīng)獨立熔體管、主箱體保溫，經(jīng)皮芯型復(fù)合組件和聚丙烯芯層組分匯合。

聚丙烯切片芯層組分經(jīng)干燥，螺桿熔融擠壓，計量泵計量，經(jīng)獨立熔體管、副箱體保溫，進入主箱體經(jīng)皮芯型復(fù)合組件和聚酯皮層組分匯合，經(jīng)皮芯型復(fù)合噴絲板噴出形成絲束。

絲束經(jīng)冷卻成形、上油、熱輥牽伸，進入卷繞機卷繞，成為FDY產(chǎn)品；或絲束經(jīng)冷卻成形、上油、卷繞機卷繞成為POY產(chǎn)品，POY經(jīng)牽伸、假捻、網(wǎng)絡(luò)、定形、卷繞成為DTY產(chǎn)品。

1．3．3 工藝流程

工藝流程如圖1。

圖1 聚酯/聚丙烯皮芯復(fù)合纖維工藝流程示意圖

1.3.4紡絲工藝參數(shù)

熔融紡絲工藝參數(shù)見表1。

表1 熔融紡絲工藝參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 干燥

PET切片含的水份對復(fù)合紡絲影響極大，切片中的水分使聚酯高分子在紡絲時產(chǎn)生劇烈的水解，從而使分子質(zhì)量降低，導(dǎo)致絲的質(zhì)量下降，且紡程飄絲斷頭增加。干燥工藝對PET干切片含水率的影響如表2。

從表1實驗數(shù)據(jù)可以得出，適當(dāng)降低干燥風(fēng)量時干風(fēng)露點相應(yīng)低些；提高結(jié)晶、干燥溫度對降低PET干切片含水率影響最大；影響干燥效果的因素從大到小排列為：溫度＞時間＞風(fēng)量。但PET干燥溫度不能過高，過高的干燥溫度使PET切片發(fā)生氧化、黏度下降，不利于紡絲。經(jīng)過多次試驗，確定PET干燥工藝為結(jié)晶溫度175℃，干燥溫度170℃，干風(fēng)露點-80℃，干燥風(fēng)量72 m3/h，干燥時間8 h。干燥后 PET干切片含水率降到3.0×10-5，皮芯復(fù)合紡POY試紡順利。

表2 PET切片干燥工藝及干切片含水率

聚丙烯分子不具有吸濕結(jié)構(gòu)，但其外表面的水分影響復(fù)合紡絲的滌綸組分，也需要干燥，與聚酯切片干燥不同的是聚丙烯切片的干燥不需要進行預(yù)結(jié)晶，直接投入干燥塔干燥；干燥溫度120℃，干燥時間4～6 h，PP切片含水率降到5.0×10-5以下時皮芯復(fù)合紡POY紡絲順利。

2.2 復(fù)合比例的選擇

皮層聚合物與芯層聚合物兩組分之間的質(zhì)量比選擇范圍在70/30～50/50之間 ；若皮/芯組分質(zhì)量比低于50/50，則皮層穩(wěn)定性差；若皮/芯質(zhì)量比超過70/30，則芯層聚合物占比太少，難以達到纖維改性要求的效果，所以綜合考慮復(fù)合纖維的物理性能和改性要求，選擇皮芯組分質(zhì)量比為50/50。圖2為聚酯/聚丙烯皮芯組分質(zhì)量比為50/50的纖維截面照片。

圖2 質(zhì)量比為50/50的聚酯/聚丙烯皮芯型纖維截面照片

從圖2可看出，聚酯/聚丙烯皮芯組分質(zhì)量比為50/50時，皮芯結(jié)構(gòu)成形良好，皮層均勻性好，沒有偏芯和皮層破裂的現(xiàn)象。

2.3 紡絲溫度的選擇

合適的紡絲溫度對復(fù)合紡絲影響很大。若溫度偏高，熔體黏度偏小，因為熔體自重產(chǎn)生的拉伸大于噴頭拉伸，紡絲難以進行；若溫度偏低，熔點高的組分切片難以充分熔融，且熔體黏度偏大，流動性變差，會引起熔點高的組分物料在熔體管或紡絲組件中產(chǎn)生阻塞，不能保證纖維的均勻性，阻塞情況嚴重時復(fù)合噴絲板噴出單組分纖維。

根據(jù)兩組分切片原料熔點、黏度等物理指標(biāo)和紡程是否順利等因素選擇紡絲溫度[3-4]。本實驗中，結(jié)合PET/PP切片熔點、黏度檢測數(shù)據(jù)及相關(guān)參考文獻[5]的分析，選擇PET的紡絲溫度至少要高于其熔點20～30℃，選擇PP的高速紡絲溫度至少要高于其熔點80～100℃，結(jié)合兩組分熔體流變分析[6]，且經(jīng)多次紡絲試驗，確定復(fù)合紡主箱體紡絲溫度為285℃。

2.4 側(cè)吹風(fēng)條件

冷卻成形是PET/PP復(fù)合紡絲的重要過程之一。皮層PET易冷卻，凝固點在離噴絲板40～60 cm的區(qū)域內(nèi)；芯層PP難冷卻，凝固點在離噴絲板80～120 cm的區(qū)域內(nèi)。由于兩組分凝固距離不一至，皮層與芯層之間形成微小間隙。外界條件的變化會影響初生復(fù)合纖維的內(nèi)在質(zhì)量，而冷卻條件的變化對絲條均勻性影響更大。均勻性在宏觀上主要是指絲條的直徑、強力、延伸度等；微觀上則是指絲條的取向度和結(jié)晶度。因此，維持外界條件的穩(wěn)定性對紡絲過程非常重要[7]。

2.4.1 側(cè)吹風(fēng)風(fēng)速的選擇

在側(cè)吹風(fēng)風(fēng)速、風(fēng)溫、相對濕度三個因素中，以風(fēng)速及其均勻性穩(wěn)定性對POY條干不勻率、伸長率、伸長不勻率影響最大。增大冷卻風(fēng)速，熔體細流的凝固加快，絲束凝固點與噴絲板的距離變小，形變區(qū)變短，熔體固化成形前受到的拉伸取向作用變?nèi)酰依鋮s速度較快和取向度較弱使結(jié)晶時間減少，纖維的結(jié)晶度較低，POY的拉伸性能得到提高和改善。但冷卻風(fēng)速提高過大，會形成湍流，引起絲條振動，影響纖維條干均勻度。另外側(cè)吹風(fēng)風(fēng)速不均勻和不穩(wěn)定，也會造成纖維的條干不勻率升高。風(fēng)速適當(dāng)，氣流的層流性好的冷卻條件對紡絲十分重要， 選擇風(fēng)速在 (0.4～0.6)土 0.02 m/s。側(cè)吹風(fēng)的風(fēng)壓要穩(wěn)定，風(fēng)壓降低引起風(fēng)速降低，風(fēng)速偏低時影響冷卻效果；反之風(fēng)壓增大引起風(fēng)速增大，風(fēng)速偏大時將引起絲條的振動，實踐表明風(fēng)壓在450～550 Pa、風(fēng)壓變化△P≤5 Pa時，風(fēng)速穩(wěn)定，波動小。

2．4．2 風(fēng)溫、風(fēng)濕的選擇

聚酯熔點約257℃，玻璃化溫度64℃，190℃左右結(jié)晶速度最快；聚丙烯熔點約170℃， 玻璃化溫度 -35℃，120℃左右結(jié)晶速度最快。復(fù)合熔體從噴絲板噴出時溫度在260℃左右，絲條芯層PP冷卻比皮層滌綸困難，需要較低的風(fēng)溫，使絲條停留在120～190℃區(qū)間的時間越短越好，這樣取向和結(jié)晶程度減小，有利于POY的后加工。風(fēng)溫的控制要穩(wěn)定，本實驗選擇在12～20℃范圍內(nèi)。

濕度對芯層聚丙烯沒什么影響。冷卻風(fēng)相對濕度對皮層PET的冷卻有影響，冷風(fēng)的濕度增大時冷風(fēng)的比熱容和熱容量將會增加，熱吸收量隨之增加，從而提高冷卻效果，并且減小絲條產(chǎn)生的靜電，所以要求恒定的相對濕度。相對濕度控制在60%～80%。

2.5 紡絲速度的選擇

選擇3 000 m/min速度進行紡制POY，兩組份質(zhì)量比為50/50，計量泵供膠量相同，兩組分計量泵供膠量選擇30 g/min時，復(fù)合紡絲紡程順利；計量泵供膠量為20 g/min，紡絲速度不變，復(fù)合紡絲紡程順利；計量泵供膠量為15 g/min，紡絲速度不變，出現(xiàn)斷頭現(xiàn)象，復(fù)合紡絲無法進行。在計量泵供膠量不變的條件下，如20 g/min，將紡絲速度降到2 500 m/min以下時，紡制的POY強度≤1.6 cN/dtex，該POY經(jīng)33H加彈機加工DTY時斷頭很多，無法正常加工；計量泵供膠量不變將紡絲速度升到3 800 m/min以上時，POY紡程飄絲斷頭很多，無法正常生產(chǎn)。紡絲速度選擇在2 600～3 700 m/min的范圍內(nèi)，POY復(fù)合紡絲紡程順利，POY強度在1.7～2.2 cN/dtex，加工DTY紡程順利。

3 DTY加彈工藝

織造地毯用料要求絲束旦數(shù)粗且要抗倒伏， 選用加工粗旦絲束有優(yōu)勢的33H加彈機加工DTY，芯組分丙綸熔點低 （169℃）且成品纖維卷曲個數(shù)少抗倒伏性更好，因此變形溫度不能高，B/Y、皮圈角都不能大，定型溫度相比變形溫度要高，粗旦絲加彈易起毛絲，紡速不能高，根據(jù)這些因素制定滌/丙復(fù)合纖維加彈工藝。經(jīng)過多次反復(fù)試驗，最后確定滌/丙復(fù)合纖維主要加彈工藝參數(shù)如表3。

表3 滌/丙復(fù)合纖維主要加彈工藝參數(shù)

4 復(fù)合纖維的主要物理指標(biāo)

采用上述紡絲工藝紡出的復(fù)合纖維主要物理性能指標(biāo)如表3。

表4 滌/丙皮芯復(fù)合纖維主要物理性能指標(biāo)

從表4中纖維的物理指標(biāo)可知，纖維的強伸度能滿足使用要求，且纖維的均勻性很好。

5 結(jié)語

選用PET為皮層PP為芯層，使用熔融紡絲工藝紡制出聚酯/聚丙烯皮芯結(jié)構(gòu)纖維，并確定了適當(dāng)?shù)碾p組分紡絲工藝條件：復(fù)合紡絲主箱體溫度為285℃ ，皮芯組分質(zhì)量比例為50/50，在16～30 g/min范圍內(nèi)選擇計量泵供膠量，在2 600～3 700 m/min范圍內(nèi)選擇紡絲速度;加彈紡速400～500 m/min，B/Y比1.3～1.5，變形溫度120～135℃，定型溫度125～140℃，牽伸比1.3～1.5。

針對地毯纖維要求的抗倒伏性能，制定了后紡加彈工序中 “定型溫度高于變形溫度”的特定工藝。

PET/PP皮芯復(fù)合纖維為地毯纖維多一個選擇品種，其價格低廉且具有阻燃、抗老化、抗倒伏等優(yōu)良使用性能。

[1] 趙梓年，沈惠玲，劉敏江.高模量彈性體對PP結(jié)晶行為及力學(xué)性能的影響 [J].現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用，1999，11（2）:13-16.

[2] 崔衛(wèi)國，吳峰.PE/PP皮芯型復(fù)合纖維 [J].化纖與紡織技術(shù)，2005（4）:18-22.

[3] 趙敏，高俊剛.改性聚丙烯新材料 [M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002:304.

[4] 楊旭儉，王學(xué)晨.EVA/PP共混物皮芯復(fù)合中空纖維的熔融紡絲工藝 [J].天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，26（1）:15-19.

[5] 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)高分子物理教研室.高聚物的結(jié)構(gòu)與性能 [M].北京：科學(xué)出版社，2004.

[6] 李傳，王燕萍，王依民.茂金屬聚烯烴彈性體及其纖維的性能研究 [J].合成纖維工業(yè)，2006，29（5）:31-34.

[7] 魏大昌.化纖機械設(shè)計原理 [M].北京.紡織工業(yè)出版社1984.

國外消息

美國科學(xué)家制造出了一件太陽能衣服用衣服給手機充電

在X-Men系列電影的啟發(fā)下，美國中佛羅里達大學(xué) （UCF）納米科學(xué)技術(shù)中心副教授JayanThomas和他的團隊制造出了一件能夠吸收和儲存太陽能的衣服。JayanThomas教授一直致力于利用納米技術(shù)研發(fā)高密度的超級電容器。1989年的電影 《回到未來2》中，主角馬丁有一雙可以自動系鞋帶的耐克鞋。Thomas受此啟發(fā)，在新的研究中嘗試利用納米技術(shù)制造太陽能驅(qū)動的衣物。

他在新聞稿中稱： “這部電影啟發(fā)了我，我想如果在衣物中加入自動充電裝置，便可以實現(xiàn)電影里的場景，這會相當(dāng)酷。”在這篇發(fā)表在Nature Communications的研究中，Thomas和他的同事通過納米技術(shù)制造出了一個被稱為 “銅帶”的帶狀材料，這種 “銅帶”薄而柔軟，可以嵌入到衣物中，并且能夠同時吸收和儲存太陽能。每一塊 “銅帶”由共享電極的一個太陽能電池板和一塊能儲存能量的超級電容器組成，用紗線可以將這些 “銅帶”編織在一起，從而實現(xiàn)可穿戴。

據(jù)了解，現(xiàn)有的便攜太陽能電池板通常無法儲存能量，因此電池板吸收的太陽能如果無法立即連接到用電設(shè)備，便需要額外的體積較大的蓄電池來存儲能量。Thomas的這一創(chuàng)造性研究大大提高了太陽能電池的便攜性。因此，除了用來制造自動系鞋帶的耐克鞋，或是讓衣服給手機充電之外，這一研究成果將在電子科技甚至軍事領(lǐng)域得到更大的應(yīng)用。

關(guān)于眼前 “太陽能衣物”的這一構(gòu)想，Thomas和他的團隊也在進一步研究如何更好地調(diào)整 “銅帶”里電池和電容器的組合結(jié)構(gòu)，使其更靈活。目前它還不能實現(xiàn)很好的彎折，同時作為一件衣服怎么去清洗也會是一件麻煩事。看來，要想真正把太陽能電池穿上身，我們還得等上一段時間。

（摘自中國紡織網(wǎng)）

PRODUCTION OF PET/PP CORE-SHEATH COMPOUND FIBER

LIN Hai，LI Xue-mei，HUANG Jie-xi，WANG Zeng-xi，GUO Ming-xin
(Guangdong Province Chemical Fiber Research Institute，Guangzhou Guangdong 510245，China)

Discussed the producing technology of PET/PP core-sheath compound fiber，analyzed the corresponding products performance testing items.Results show that，when using 48 holes spinning pack，spinning speed 2 600～3 700 m/min，cross-air blasting speed（0.4～0.6）±0.02 m/s，cross-air blasting temperature 12～20℃，humidity 60～80%，draw texturing speed 400～500 m/min，B/Y ratio 1.3～1.5，texturingtemperature120～135℃，settingtemperature125～140℃，drawratio1.3～1.5，169dtex/48 f PET/PP core-sheath DTY fiber was got.Product has fine properties，could be used as composite carpet fiber.

polyester，polypropylene，core-sheath compound fiber，cross air blow，spinning process

TQ342.94

B

10.3969／j.issn.1672-500x.2016.04.001

1672-500X(2016)04-0001-05

2016-10-31

林海 (1967-)，男，廣東高州人，工程師，主要從事紡織化纖產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)管理工作。

廣東省屬科研機構(gòu)改革創(chuàng)新領(lǐng)域項目 （2014B070706029）。