扁平截面錦綸6FDY生產工藝

劉冰靈， 金志學， 薛偉仁， 韋 飛

(1.上海交通大學化學化工學院，上海200240；2.福建錦江科技有限公司，福建長樂350212)

傳統錦綸的截面為圓形，與天然纖維相比，圓形截面的錦綸6纖維吸濕性較差，易彎曲起皺，致使其在高端織造領域的發展受到極大限制[1-2]。異形錦綸6纖維為截面非圓形的錦綸，其研究方向在于增加錦綸6纖維的比表面積，即通過異形截面的設計，使錦綸6纖維的光澤、手感、吸濕性、硬挺度和彈性等得到不同程度的提高[3-5]。若是采用全消光切片紡絲，與全消光的柔和性相結合，可以發揮出更好的效果。其中，扁平截面纖維具有一定的剛性，毛立感優異，同時擁有吸濕性好、散熱快、易于染色和抗起球等優點，在織物風格方面接近于天然纖維材料[6]。

本文采用熔融紡絲法，以錦綸6消光切片為原料制備扁平截面錦綸6FDY，用全自動單紗強力儀、Nikon Eclipse等測試扁平截面錦綸6FDY的性能與截面形狀，探索扁平截面錦綸6FDY的生產工藝，使其符合后道加工要求，適用于服裝、家紡面料等領域。

1 實 驗

1.1 原 料

錦綸6消光切片(福建錦江科技有限公司)，特性黏數(2.47±0.03)dL/g，熔點215～225℃，TiO2含量≥1.5%，灰分含量≤0.1%，端氨基含量為(47.0±3.0)mmol/kg，可萃取物含量≤0.5%，水分含量≤0.06%。

1.2 儀器設備

高速卷繞機、側吹風系統(德國巴馬格公司)，Testo425精密型風速儀(德國儀器國際貿易(上海)有限公司)，烏斯特V型條干儀(烏斯特(上海)貿易有限公司)，YG 023B單紗強力機(常州紡織儀器廠)，Nikon Eclipse E100顯微鏡(上海浦赫光電科技有限公司)。

1.3 工藝流程

切片熔融混合→熔體保溫輸送→計量泵精確計量→組件過濾吐絲→側吹風冷卻→集束上油→拉伸定型→網絡交絡→卷裝成形→檢驗→包裝入庫。

1.4 分析與測試

烏斯特條干值:烏斯特V型條干儀，參照GB/T 14346—1993《化學纖維長絲電子條干不勻率試驗方法》進行測試。

拉伸性能:YG 023B單紗強力機，參照 GB/T 14344—2008《化學纖維 長絲拉伸性能試驗方法》進行測試。

截面:Nikon Eclipse E100顯微鏡，放大倍數1 000倍。

2 結果與分析

2.1 紡絲溫度

紡絲溫度主要取決于聚合體的熔點和熔體黏度，在一定溫度下，聚酰胺的熔體黏度隨相對分子質量的增大而增大；在相對分子質量相同的情況下，熔體黏度隨溫度的升高而降低。

在扁平截面錦綸6FDY的生產過程中，紡絲溫度過高，使聚合物熱分解加劇，相對分子質量降低，可能出現“氣泡絲”，造成大量毛絲、斷頭；紡絲溫度過低，則熔體黏度大，熔體的擠出脹大現象嚴重，熔體出噴絲板后絲條取向度大，影響絲條的拉伸，斷頭較多[7]。在合適的溫度范圍內，隨著紡絲溫度的升高，熔體黏度呈指數級下降，熔體的流動性能得到良好的改善，熔體出噴絲板后絲條取向度減小，絲條的拉伸效果優良。經實驗，紡絲溫度控制在254～256℃為宜。

2.2 扁平度

扁平度指噴絲板微孔截面的長寬比。扁平度增大，可使錦綸6纖維的異形度增大，增強其異形效果，使其吸濕性、光澤、抗起毛起球等能力得到顯著改善。但是，扁平度過大，會造成扁平截面錦綸6FDY紡絲難度加大及產品強伸指標下降，造成后加工較困難。表1為不同扁平度下生產的扁平截面錦綸6FDY的物性指標。由表1可知，扁平度為10︰1時，制得的異形錦綸6纖維的扁平度較高，且斷裂強度、斷裂伸長率、條干等指標均能滿足后續加工和使用要求。因此，選擇扁平度為10︰1。

表1 不同扁平度下扁平截面錦綸6FDY的條干及物性指標Tab.1 Evenness and physical property data of nylon 6 FDY of flat section under different flatness

圖1為扁平度為10︰1下生產的扁平截面錦綸6FDY的纖維截面圖。

2.3 側吹風參數

熔體出噴絲孔后，以側吹風與絲束進行熱交換，使熔體細流凝固成纖維。側吹風參數主要包括:風溫、風濕、風壓、風速。與圓形截面纖維相比，扁平絲比表面積較大，易于散熱，冷卻速度較快，絲條的表層和內層溫度梯度增大，絲條可能受到表層的拉伸應力的局部集中，產生裂痕，影響后加工性能。因此，在扁平截面錦綸6FDY的生產過程中，應適當緩和冷卻條件，提高風溫，延長冷卻區，以延緩冷卻速度，使塑性區延長，凝固點下移，減小噴絲頭拉伸張力，維持纖維扁平度，纖維異形度提高。經實驗，側吹風的風溫控制在22～23℃，濕度控制在80%以上，風壓控制在500 Pa，風速應控制在0.6～0.7m/s，冷卻效果較優，無飄絲、斷頭或絲條條干不勻。

圖1 扁平度10︰1下扁平截面錦綸6FDY的纖維截面Fig.1 Fiber section of nylon 6 FDY of flat section under the flatness of 10︰1

2.4 集束點位置

熔體經側吹風冷卻時，空氣流動對絲條產生振蕩，這種振蕩會引起飄絲、斷頭或絲條條干不勻，條干不勻隨振蕩幅度的增大而增大，隨絲條從噴絲板面到集束位置的距離增加而增大。與圓形截面纖維相比，扁平絲比表面積較大，易于散熱，冷卻速度快，可適當提高集束上油位置，降低絲條與空氣間的摩擦，也減輕絲條受風窗外環境中氣流干擾。在扁平截面錦綸6FDY的生產過程中，通過提高集束點位置降低紡絲張力，又降低絲條的抖動。經實驗，集束位置在1 400～1 600mm為宜。

2.5 拉伸倍率

在扁平截面錦綸6FDY的生產過程中，在一定的拉伸倍率下，錦綸6FDY得到拉伸，纖維內大分子會產生取向，并隨著拉伸倍率的增大，纖維大分子的取向度增大[8]。纖維的強伸度與纖維的取向度密切相關。表2為不同拉伸倍率下生產的扁平截面錦綸6FDY的物性指標。

由表2可知，拉伸倍率增大，扁平截面錦綸6FDY的斷裂強度稍有下降，原因在于拉伸倍率打破纖維內大分子結構的平衡，大分子因承受不了強大的拉力而發生滑移和斷裂，使取向度下降。但是，拉伸倍率較小時，扁平截面錦綸6FDY毛絲、圈絲較多，產品質量不穩定，無法滿足后道加工要求。因此，選擇拉伸倍率為1.33。

表2 不同拉伸倍率下扁平截面錦綸6FDY的條干及物性指標Tab.2 Evenness and physical property data of nylon 6 FDY of flat section under different draw ratio

2.6 熱輥溫度

在熱輥上，纖維同時受到拉伸和熱定型作用，熱輥溫度過高，會引起絲束抖動加劇，引發斷頭而影響生產；熱輥溫度過低可能使纖維造成定型效果差，出現縮管現象。表3為不同熱輥溫度下生產的扁平截面錦綸6FDY的物性指標。

由表3可知，熱輥溫度升高，扁平截面錦綸6FDY的斷裂強度稍有增大，原因在于熱輥溫度主要是消除拉伸內應力，使成品絲結構性能穩定。熱輥溫度為170℃時，絲束中大分子鏈活動較強，纖維結晶度較高，絲條的斷裂強度較大。因此，選擇熱輥溫度為170℃，纏繞5.5圈。

2.7 網絡壓力

網絡壓力升高，各單絲間的纏繞程度提高，有利于纖維的集束性能提高。但是，過高的網絡壓力易導致纖維被吹斷造成毛絲，降低纖維的機械性能。表4為不同網絡壓力下生產的扁平截面錦綸6FDY的物性指標。

由表4可知，在扁平截面錦綸6FDY的生產過程中，網絡壓力的增大，可提高扁平截面錦綸6FDY的網絡度，但是，網絡壓力過大，易造成絲條吹斷，引起絲束毛絲、圈絲較多，且油劑飛濺嚴重，能耗增大。因此，選擇網絡壓力為0.35MPa。

表3 不同熱輥溫度下扁平截面錦綸6FDY的條干及物性指標Tab.3 Evenness and physical property data of nylon 6 FDY of flat section under different hot roller

表4 不同網絡壓力下扁平截面錦綸6FDY的物性指標Tab.4 Physical property data of nylon 6 FDY of flat section under different network pressure

2.8 紡絲速度

紡絲速度的提高有利于初生纖維的分子排列和結構較為有序并趨向穩定，條干均勻性好，經拉伸后纖維的機械性能良好[9-10]。表5為不同紡絲速度生產的扁平截面錦綸6FDY的物性指標。由表5可知，在扁平截面錦綸6FDY的生產過程中，紡絲速度過大，易造成冷卻不均，引起絲條條干不勻，毛絲、圈絲較多。因此，選擇紡絲速度為4 500m/min。

表5 不同紡絲速度下扁平截面錦綸6FDY的物性指標Tab.5 Physical property data of nylon 6 FDY of flat section under different spinning speed

2.9 正交實驗

根據單因素實驗結果，采用正交實驗L9(34)，確定最優工藝條件組合。紡絲溫度255℃，側吹風冷卻風速0.65m/s，集束點位置1 600mm，紡絲速度4 500m/min。實驗計劃如表6所示，實驗結果如表7、表8所示。

如表7所示，噴絲板噴絲微孔扁平度8︰1，拉伸倍率為1.33，熱輥溫度145℃，網絡壓力0.39 MPa，扁平截面錦綸6FDY的條干CV值最小。如表8所示，噴絲板噴絲微孔扁平度8︰1，拉伸倍率為1.33，熱輥溫度170℃，網絡壓力0.39MPa，扁平截面錦綸6FDY的斷裂強度最大。綜合扁平截面錦綸6FDY的紡況和物性指標分析，因網絡壓力0.39MPa時，扁平截面錦綸6FDY的生產過程不穩定，斷頭較多，因此，最優工藝條件組合為:噴絲板噴絲微孔扁平度8︰1，拉伸倍率為1.33，熱輥溫度170℃，網絡壓力0.35MPa。

表6 正交實驗設計Tab.6 Orthogonal experiment design

表7 正交實驗結果分析(Ⅰ)Tab.7 Analysis of orthogonal experiment resultsⅠ

表8 正交實驗結果分析(Ⅱ)Tab.8 Analysis of orthogonal experiment resultsⅡ

2.10 工藝與物性指標

為了提高55.56 dtex/10F扁平截面錦綸6FDY的扁平度，且滿足呈現金屬光澤，改善條干均勻度，提高斷裂強度，以工業化生產的圓形截面55.56 dtex/10F錦綸6FDY為對照，表9為經工藝優化后生產的55.56 dtex/10F扁平截面錦綸6FDY與工業化生產圓形截面55.56 dtex/10F錦綸6FDY的工藝條件比較，表10為經工藝優化后生產的55.56 dtex/10F扁平截面錦綸6FDY與工業化生產圓形截面55.56 dtex/10F錦綸6FDY的物性指標比較。由表9、表10可知，經工藝優化后生產的55.56 dtex/10F扁平截面錦綸6FDY，條干均勻，斷裂強度較高，條干與物性指標與圓形截面55.56 dtex/10F錦綸6FDY相近，避免了扁平截面造成絲束冷卻不均引起條干均勻度和斷裂強度降低，滿足后道加工要求。

表9 經工藝優化后生產的扁平截面錦綸6FDY與圓形截面錦綸6FDY的主要工藝參數Tab.9 Main technological parameters of optimized nylon 6 FDY of flat section and nylon 6 FDY of circular section

表10 經工藝優化后生產的扁平截面錦綸6FDY與圓形截面錦綸6FDY的主要物性指標Tab.10 Main physical property data of optimized nylon 6 FDY of flat section and nylon 6 FDY of circular section

3 結 論

1)紡絲溫度254～256℃，噴絲板噴絲微孔扁平度10︰1，側吹風冷卻風速0.60～0.70m/s，集束點位置1 400～1 600 mm，拉伸倍率為1.33，熱輥溫度170℃，網絡壓力0.35 MPa，紡絲速度4 500 m/min，可獲得55.56 dtex/10F扁平截面錦綸6FDY，生產穩定。

2)以上工藝制備扁平截面錦綸6FDY的斷裂強度為3.55 cN/dtex，斷裂伸長率為27.28%，條干烏斯特CV值為1.66%，條干均勻度改善，斷裂強度提高，滿足后道加工要求。

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