高流動性PA 6超細纖維的制備及其性能研究

陳忠海，劉玉峰，胡天輝，劉躍軍，鄧如生

(1.株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007; 2.湖南工業大學，湖南 株洲 412007)

高流動性PA 6超細纖維的制備及其性能研究

陳忠海1，劉玉峰1，胡天輝1，劉躍軍2，鄧如生1

(1.株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007; 2.湖南工業大學，湖南 株洲 412007)

采用自制的高流動性聚己內酰胺(HPA 6)、普通聚己內酰胺(PA 6)、低密度聚乙烯(LDPE)為原料，通過共混紡絲法分別制備HPA 6/LDPE定島纖維和HPA 6/PA 6/LDPE不定島纖維，溶解去除LDPE，得到一系列HPA 6超細纖維；研究了HPA 6的可紡性及其超細纖維的線密度、力學性能、染色性能等。結果表明：由于HPA 6在紡絲溫度下較好的流動性和高支化結構及大量末端基團，HPA 6可紡性良好；HPA 6/LDPE質量比為70/30時，157.4 dtex/36 f HPA 6超細纖維斷裂強度為3.85 cN/dtex，斷裂伸長率為14%，染色深度為1.809，色牢度達5級；HPA 6超細纖維的力學性能和染色性能優異，與PA 6超細纖維性能相當，可拓展其在纖維領域的應用。

聚己內酰胺纖維 高流動性 超細纖維 海島結構 共混紡絲

超細纖維通常是指單絲線密度在0.55 dtex以下的纖維[1]。因直徑小、比表面積大，超細纖維及其制品的手感柔軟性、蓬松性、保暖性、清潔性、覆蓋性明顯優于其他纖維，同時具有良好的防水透氣效果與抗皺性能，因此，在高檔織物、皮革、過濾材料、醫療防護用品等領域得到廣泛應用。超細纖維的生產方法有超拉伸法、靜電紡絲法、海島復合紡絲法[2-3]。海島復合紡絲法是指通過共混紡絲制備海島纖維，再通過溶解去除連續相(海相)成分得到由分散相(島相)形成的超細纖維的制備過程，在推動聚酯(PET)和尼龍(PA 6)纖維實現超細化進程中得到廣泛應用。

PA 6樹脂因其良好的力學性能及較寬的加工溫度范圍而廣泛應用于機械、化工、汽車、紡織等領域。高流動性PA 6(HPA 6)由于其高度支化的三維球狀結構及豐富的末端化學基團，不僅具有優異的流動性、易成型、對玻璃纖維等的完善浸漬與對填充物的高度分散性等優點，同時保持良好的力學性能[4]，具有廣闊的應用前景。但目前關于HPA 6的報道集中在HPA 6的阻燃、增強和增韌改性，以及其在電子電器、汽車與軌道交通輕量化方面的應用[4-7]，HPA 6在超細纖維方面的應用鮮有報道。

作者通過HPA 6與低密度聚乙烯(LDPE)共混紡絲制備了以LDPE為海相，HPA 6為島相的超細纖維原絲，經二甲苯溶解去除LDPE后得到HPA 6超細纖維，研究了HPA 6在超細纖維應用中的可紡性，并對制備的HPA 6超細纖維的線密度、力學性能和染色性與普通PA 6超細纖維進行了對比研究。

1 實驗

1.1 原料

HPA 6切片：牌號XC010，株洲時代新材料科技股份有限公司產；普通PA6切片：牌號M3280，廣東新會美達錦綸股份有限公司產；LDPE樹脂：牌號1150A，中石化北京燕山石油化工股份公司產；染料：雅格賽特，上海雅運集團產；二甲苯：分析純，市售。

1.2 主要儀器與設備

熔法紡絲機：北京服裝學院制；紡織機：福建華陽超纖有限公司制；ME600光學顯微鏡：日本尼康公司制；S-2150掃描電鏡(SEM)：日本日立公司制；Datacolor SF600 Plus測色配色系統：Datacolor公司制。

1.3 HPA6超細纖維及其織物的制備

首先將干燥的PA 6(M3280或XC010)切片與LDPE按照一定的比例配合，并進行熔融共紡，得到相應的海島型纖維，再經上油、拉伸(拉伸倍數為2.5)、二甲苯溶解剝離、卷曲、干燥定型及切斷得到相應的PA 6或HPA 6超細纖維。

將熔融共混紡絲得到的超細纖維進行紡織，相應的得到織物，以備相關性能測試。

M3280/XC010/LDPE不定島纖維紡絲工藝參數如下：螺桿溫度分別為一區210 ℃、二區245 ℃、三區245 ℃、四區245 ℃，熔體分配管溫度250 ℃，紡絲箱體溫度250 ℃，紡絲速度300 m/min，PA6切片/LDPE質量比為50/45，其中，M3280/XC010質量比分別為0/100，20/80，50/50和100/0。

XC010/LDPE定島纖維的紡絲工藝見表1，其中， XC010切片/LDPE質量比分別為50/50，60/40和70/30。

表1 XC010/LDPE定島纖維紡絲工藝Tab.1 Spinning process parameters of XC010/LDPE figured islands-in-sea fiber

1.4 超細纖維及其織物的染色

以雅格賽特染料0.1 g、硫酸銨(1 g/L)和醋酸(1 g/L)各50 mL混合均勻，將5g超細纖維或超細纖維編織物在常溫下染色10 min(浴比1:10)，以1 ℃/min升溫至98 ℃，保持50 min，然后降溫至室溫，最后在碳酸鈉和皂粉的混合液中皂洗10 min，皂洗溫度98 ℃，浴比1:30。

1.5 分析與測試

流變性能：分別在225,230,240和250 ℃測試HPA 6(XC010)的黏度，并測定紡絲溫度下(240 ℃和250 ℃)各原料的流變性。

纖維形貌：在光學顯微鏡下觀察超細纖維的形態并拍照記錄放大倍數為200和1 000時的微觀形態；試樣表面做離子濺射鍍金后，在掃描電鏡上觀察其形態并照相，記錄其放大倍數為2 000時的微觀形態。

線密度：測試試樣為經拉伸后的共紡原絲，參照標準GB/T 1798—2008進行。

力學性能：采用GB/T 14337—1993常規方法測試，每類品種至少測試5個試樣，取平均值。

染色深度(K/S)：采用DatacolorSF600plus測色配色系統在D65光源，10°下測試，不同部位測試5次取平均值。

染色牢度：采用LFY-304型紡織品耐摩擦色牢度試驗儀對染色后的M3280和XC010超細纖維編織物按標準GB/T3921—1997進行測試。

2 結果與討論

2.1 HPA 6的可紡性

良好的可紡性是HPA 6在超細纖維中應用的重要前提。而海島型纖維的可紡性與紡絲體系在紡絲溫度下的流動性及“海相”與“島相”的黏度及配比密切相關。因此，首先對M3280/XC010及LDPE在紡絲溫度下的流變性進行了考察。

一般而言，要求在紡絲溫度下，“海相”的黏度略小于“島相”的黏度，以利于海島結構的形成及“島相”在“海相”中的分散；若二者之間的黏度相差太大，紡絲過程中出現熔體向高黏度方向彎曲現象，導致粘附噴絲板表面，紡絲困難；而“島相”在紡絲溫度下流動性差會導致二者相容性差，造成分層破裂，無法正常紡絲[8]。由圖1可以看出，在紡絲溫度240～250 ℃下，XC010略大于LDPE的黏度，且M3280與XC010復合可有效降低M3280的黏度，有利于海島結構的形成，以及PA6相(島相)在LDPE相(海相)的均勻分散。結合熔融共混紡絲過程可知，XC010和M3280/XC010與LDPE的共紡工藝均穩定，各混合比例可紡性均良好，所得纖維粗細均勻，卷繞成形良好，外觀良好。

圖1 紡絲原料的流變性能Fig.1 Rheological properties of feedstocks ●—XC010；▲—LDPE；▼—M3280； ?—M3280/XC010質量比為50:50； ?—M3280/XC010質量比為20:80

溶解去除拉伸絲中的LDPE后，采用掃描電鏡和光學顯微鏡對HPA 6超細纖維的微觀形態進行研究，見圖2、圖3所示。定島XC010/LDPE纖維(拉伸絲)經二甲苯剝離后得到的HPA 6超細纖維粗細均勻，直徑約3.0～3.5 μm，纖維表面光滑，纖維之間無粘接。此外纖維直徑隨XC010比例的增加而略增加，這與文獻[8]中報道的島相尺寸隨其比例增加而增大一致。

圖2 定島XC010/LDPE超細纖維SEM照片Fig.2 SEM images of XC010/LDPE figured islands-in-sea ultrafine fibers

圖3 不定島M3280/XC010/LDPE 超細纖維光學顯微鏡照片Fig.3 Optical microscopic images of M3280/XC010/LDPE unfigured islands-in-sea fibers

不定島M3280/XC010共紡超細纖維粗細均勻，直徑為2～4 μm，當M3280/XC010質量比為20/80時，纖維直徑低至2 μm。這是由于在紡絲溫度下，XC010較M3280流動性好(如圖1所示)，更易形成均勻且尺寸較小的海島結構[8-9]，即粗細均勻、直徑較小的超細纖維。

綜合HPA 6紡絲過程及其超細纖維的微觀形態可知，HPA 6(XC010)可紡性良好，所得超細纖維粗細均勻，且直徑小于普通PA6超細纖維。

2.2 HPA 6超細纖維的力學性能

由表2可知：不定島XC010超細纖維(M3280/XC010質量比為0:100)的線密度較M3280超細纖維(M3280/XC010質量比為100:0)降低13.45%，且力學性能相當；M3280/XC010 共紡超細纖維的線密度和力學性能顯著改善，當M3280/XC010質量比為20/80時，所得超細纖維線密度較M3280超細纖維降低21%，斷裂強度和斷裂伸長率分別提高約12%和38%；定島XC010超細纖維的線密度在160 dtex/36f以下，且其斷裂強度隨XC010的用量增加顯著提高， XC010/LDPE質量比為50:50，60:40，70:30的纖維斷裂強度分別為2.88，3.62，3.85 cN/dtex，與文獻[8]報道相符，但斷裂伸長率略降低。

HPA 6(XC010)超細纖維較M3280超細纖維的線密度低，一方面是由于XC010黏度較低，在紡絲溫度下的流動性良好而導致超纖維直徑較小(如前所述)，另一方面是由于高支化的結構有助于其與LDPE相容性的提高，從而使XC010可以均勻分散于LDPE海相中。

表2 HPA 6超細纖維的力學性能Tab.2 Mechanical properties of HPA 6 ultrafine fibers

2.3 HPA 6超細纖維的染色性能

由表3可知，XC010超細纖維染色性能良好，定島和不定島超細纖維染色都基本均勻，且不定島M3280/XC010 超細纖維的K/S隨XC010添加量增加而增加。

表3 HPA 6超細纖維的染色性能Tab.3 Dyeing behavior of HPA 6 ultrafine fibers

這一方面是由于HPA 6(XC010)的高支化結構在其分子中引入了大量末端基團，有利于染料的吸附與染色牢度的提高；另一方面，XC010的高支化結構降低了PA 6的結晶度和結晶溫度，有利于染料的牢固吸附[10]。此外，定島超細纖維較不定島纖維的染色程度深，這是由于定島結構中超細纖維的尺寸更均勻、結構更規整所致[9]。

另外，將不定島XC010超細纖維進行編織，并對織物進行染色，結果表明，XC010超細纖維織物的染色性優良，甚至優于對比樣M3280超細纖維織物，二者牢度相當，干摩擦色牢度均達5級。

3 結論

a. HPA 6樹脂(XC010) 具有優良的可紡性，其共混紡絲工藝穩定，所得超細纖維粗細均勻，外觀較好，線密度、力學性能、纖維及其織物的K/S、染色均勻度和色牢度達到較高水平，與市售PA6樹脂(M3280)相當，在纖維紡織領域具有較好的產業化應用前景。

b. HPA 6中大量的末端基體及其高支化結構和良好的流動性有利于超細纖維線密度的降低和力學性能及染色性能的提升。

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Preparation and properties of high-flowability PA 6 ultrafine fibers

Chen Zhonghai1, Liu Yufeng1, Hu Tianhui1, Liu Yuejun2, Deng Rusheng1

(1.ZhuzhouTimesNewMaterialTechnologyCo.,Ltd.,Zhuzhou412007; 2.HunanUniversityofTechnology,Zhuzhou412007)

By using a self-made high-flowability polycaprolactam (HPA 6), traditional polycaprolactam (PA 6) and low-density polyethylene (LDPE) as raw material, an HPA 6/LDPE figured islands-in-sea fiber and an HPA 6/PA 6/LDPE unfigured islands-in-sea fiber were prepared via blend spinning process, which were produced into HPA 6 ultrafine fibers by removing LDPE. The spinnability of HPA 6 and the linear density, mechanical properties and dyeing behavior of the ultrafine fiber were studied. The results showed that HPA 6 exhibited fairly good spinnability due to the high flowability at spinning temperature, highly-branched structure and a large amount of end groups; the HPA 6 ultrafine fiber of 157.4 dtex/36 f had the breaking strength of 3.85 cN/dtex, elongation at break 14%, dyeing depth 1.809 and color fastness grade 5 as the HPA 6/LDPE mass ratio was 70-30; HPA 6 ultrafine fiber possessed excellent mechanical properties and dyeing behavior equal to those of PA 6 ultrafine fiber, so its application could be expanded in fiber field.

polycaprolactam fiber; high-flowability; ultrafine fiber; islands-in-sea structure; blend spinning

2016-12-19； 修改稿收到日期：2017- 02- 07。

陳忠海(1963—)，男，高級工程師，主要從事高分子材料的開發及推廣應用。E-mail：chenzhonghai1996@csrzic.com。

TQ342+.11

A

1001- 0041(2017)02- 0034- 04