滌綸針刺濾料的熱處理原理及工藝分析

張麗霞

（上海締榮紡織品有限公司，上海 200000）

滌綸針刺濾料是目前國內常使用的濾料品種之一，無論在常溫使用、液體過濾方面，產量比例占短纖濾料的60%以上。滌綸針刺濾料的使用溫度在130℃以下，瞬間運行溫度可以達到150℃。滌綸針刺濾料一般的加工工藝是纖維經開松、梳理、鋪網后經中間鋪放基布過預刺、主刺等工序，得到針刺后的半成品，而后經過熱定型軋光（軋機定型或烘箱定型與軋機定型）、單面燒毛最終得到厚度穩定、具有一定熱穩定性的成品。其中，熱定型工藝對提高產品尺寸穩定性、熱穩定性以及提高表面清灰效果起到決定性的作用。

1 滌綸濾料熱處理的原因及目的

1.1 滌綸短纖的性能及生產與加工

滌綸纖維為熔體紡絲，包括切片紡絲法和直接紡絲法兩種。

切片紡絲是將縮聚后的高聚物熔體經鑄帶、切粒而得到切片，再經過干燥、熔融而紡絲。熔融過程中，切片所含的水分能使聚酯發生水解而影響紡絲性能和纖維質量。因此，在紡絲前必須經過干燥，使切片含水率降低到0.01%以下。

直接紡絲則將高聚物熔體干燥后的滌綸切片在螺桿中加熱熔融，擠壓送入紡絲箱體的各個紡絲部位，由計量泵精確計量和過濾后，從噴絲板的小孔中噴出。纖維經過上油、冷卻、拉伸等工序初步成型，再經集束、拉伸、卷曲、熱定形、切斷等工序得到成品[1]。一般用于濾料加工的滌綸要求高強低伸。在拉伸后需要經過一次180℃左右的緊張熱定形，則可得到強度達到6g/dan左右，伸長率在30%以下的高強度、低伸長率短纖維。

1.2 滌綸熱縮的機理，解取向及應力消除作用

滌綸纖維的熱縮性能主要與大分子的聚集態結構有關。纖維加工中的大分子排列的主要空間變化形式是分子鏈的結晶及單軸取向。滌綸纖維加工時，熔融的黏流態熔體從噴絲孔噴出，經拉伸若干倍，為提高產品的強力后續工藝經高溫張力定型有助于進一步提高纖維中大分子鏈的取向和結晶。取向的另一個結果使分子鏈吸收彈性能而處于熱力學不穩定狀態，故取向是被動的，需要外加張力，而解取向相對于取向而言，使分子鏈釋放彈性能而恢復熱力學穩定狀態，故解取向是自發的，因此在熱力學上纖維的高分子取向狀態是一種非平衡態。在高彈態下，拉伸可以使高分子鏈段取向，但一旦外力去除，鏈段便自發解取向而恢復原態。在纖維加工過程中，在高分子黏流態下，外力單向拉伸是分子鏈取向，外力消失后，分子要自發解取向。為了維持取向態，獲得取向的纖維材料，必須在取向后使溫度快速降到玻璃化溫度以下，使分子和鏈段的運動“凍結”，這種狀態的取向態不是熱力學平衡態，只有相對的穩定性，時間長了，特別是溫度升高或者高分子被溶劑溶脹時，仍然要發生自發地解取向。只是在自然狀態下，溫度足夠低，解取向過程十分會緩慢不易被察覺。

取向有助于提高纖維的力學性能，使材料具備各向異性，同時高度的取向可以提高聚合物的玻璃化溫度，但取向度愈大纖維的回縮或熱收縮（解取向）也越大。為此，一般合成纖維生產過程中，常常將纖維進行適當的熱處理，如處理的目的是使小的鏈段解取向，消除內應力，而大的整個鏈不解取向。小鏈段解取向使纖維具有一定的彈性，整個鏈保持取向態使纖維具有高強度[2]。熱處理的目的是使拉直的纖維受熱收縮變形，經過熱處理鏈段已經發生卷曲，在使用過程中就不會再變形。所以，就纖維大分子結構而言，拉伸的解取向，是造成纖維收縮變形的主要因素。

熱定型處理的主要目的在于進一步消除纖維自身的內應力，降低纖維收縮率保證產品的尺寸穩定性和提高熱穩定性。

2 滌綸針刺濾料的熱定型處理熱量傳遞的機理

2.1 針刺濾料熱定型溫度的設定

針刺濾料產品通產的使用溫度在130℃以下，瞬間耐受溫度可以達到150℃。由于材料制成濾袋后通常長度較長可達到6m～10m的濾筒，使用時的累計形變對產品的使用性能具有非常明顯的影響，所以在定型時采用的溫度高于使用保證產品的正常使用。

一般生產廠家采用三輥或兩輥熱軋機通過高溫熱軋實現針刺濾料的熱穩定性，同時有助于提高產品平整度和表面光滑度利于加工和清灰，熱軋時通常溫度設定200℃～220℃，要求大于產品的最高使用溫度，小于材料的熔點，有利于提高定型效果和速度。

2.2 滌綸濾料熱定型內部熱量傳到分析

對針刺濾料的熱定型處理主要是一個熱傳遞過程，是熱量從高溫區域向低溫區域傳播的過程，同時期間伴隨著纖維之間位置、纖維內部大分子鏈之間的位置、取向、結晶狀態等變化。

通常熱量的傳遞分為3種基本方式:傳導、對流和輻射，這三種形式在針刺濾料定型處理時都有發生。從宏觀角度看，滌綸針刺濾料作為滌綸纖維和空氣的集合體，由于織物內部的纖維之間、紗線之間或紗線與纖維之間的縫隙孔洞相對較小，對流和輻射的傳熱效果在常規條件下小于熱傳導對傳熱的貢獻[3]。由于滌綸纖維導熱系數遠大于空氣導熱系數。常規條件下滌綸導熱系數0.301W/m.K，空氣的導熱系數是0.092。[4]沿纖維軸向的導熱系數遠大于沿纖維徑向的導熱系數，這是由于纖維大分子中原子排列很不規整，相當于有很多晶格缺陷，并沿纖維徑向相當于有很多晶粒界面，故沿纖維經向的導熱系數遠小于沿纖維軸向的導熱系數，更小于理想晶體的導熱系數，熱量的傳遞勢必尋找最小阻力途徑，故有較多的熱量沿纖維軸向傳導[5]。此時，熱流行進路程雖大于織物兩表面間的垂直距離，但使織物整體的熱阻值最小。從微細形態來看則熱量傳導并不總是沿織物平面的法向，也不總是與等溫面垂直，而更多是集中于纖維內部，沿纖維軸向曲折前進，并在適當的地方轉移到另一根纖維接力進行。雖然熱傳導，特別是纖維內部發生的熱傳導對整個織物的傳熱效果常起主要作用，但仍不能排除對流和輻射傳熱，甚至在一定的條件下起重要作用。

3 軋機定型的熱傳導工藝及分析

無論對于兩輥軋機還是三輥軋機，工藝設定的關鍵包括：溫度、壓力、速度，其中溫度、速度主要決定產品的熱縮指標和表面狀態。以三輥軋機為例，為提高速度保證定型效果，常采用的包覆形式如圖1所示。

圖1 三輥軋機包覆示意圖

對于針刺濾料在經過三輥筒時，纖維受到輥筒熱量傳導、張力牽引、輥筒壓力等共同作用。一方面，纖維在高溫作用下發生解取向應力消除，纖維卷曲收縮。另一方面，纖維在高溫及張力、輥筒壓力的共同作用下結晶度提高。3個輥筒溫度的設定、速度和壓力，決定了產品的定型效果。

根據熱力學第一定律：

W + Q = ΔU

式中，W為外界對物體做的正功，Q 為物體吸收的熱量，ΔU為增加的內能。

做功和熱傳遞，這兩種改變物體內能的方式，在效果上是等效的。對于針刺濾料熱軋過程中產品的A、B兩面我們可以看做無做功狀態，則：Q = ΔU。意味著物體吸收的熱量等于增加的內能。

熱量計算公式：Q = C·m·Δt

Q表示吸收（或放出）的熱量，C表示比熱容，m表示物質的質量，Δt表示升高（或降低）或降低的溫度。

4 不同密度下產品的熱縮性能

針刺過濾材料所選用的滌綸短纖材料，通常出廠時提供纖維的180℃干熱收縮值，這個值一般為5.0%～6.5%。實驗數據見表1。

表1 170℃下不同密度下產品的熱縮性能測試（基布熱縮縱向2.7%，橫向2.5%）

（1）無基布產品的熱縮縱橫向值非常接近，表明熱縮性能只受纖維影響，而有基布產品熱縮性能要受基布影響。

（2）無基布產品的熱縮性能在只由纖維的熱縮性能決定。在厚度4.95mm時，產品的熱縮產品的厚度方向有影響。針刺密度影響纖維糾結程度可以忽略。

（3）含基布產品的熱縮性能，除纖維的熱縮性能影響外，隨針刺效果的增加，密度變小，熱縮性能接近與基布熱縮。

5 不同溫度下累計時間產品的熱縮性能

表2實驗結果：

（1）針刺滌綸產品的收縮在很短的時間內大部分收縮指標完成。

（2）針刺濾料的收縮隨時間的增加呈現累計的規律，表明纖維的收縮隨時間的增加而增加。150℃較170℃更明顯。

（3）150℃溫度下，普遍較170℃溫度下收縮值小，說明隨溫度提高產品得到充分收縮。

實驗數據見表2。

表2 測試樣品的針刺密度相同（700刺/cm2）

續表2

6 熱定型過程常見問題的處理

針刺滌綸濾料常規產品在熱定型處理是常見的問題主要包括：熱縮處理不充分，造成產品的熱縮值超標，另一個問題是產品處理完后單面起皺。

6.1 熱縮值超標

為保證產品的正常使用，對于滌綸濾料的熱縮性能需要保證最終產品的熱縮性能不超標。通常熱縮超標的原因是定型不充分，溫度、速度、壓力間需要做出調整。

6.2 表面起皺

表面起皺的現象多發生在無基布高克重的產品上，原因在于，纖維受熱傳導過程伴隨著收縮變形，造成熱傳導熱量不勻，局部收縮造成起皺。針對這一現象可以采用烘箱+軋機定型的模式，利用熱風穿透對產品先做定型處理，再通過熱軋作用，減少受熱收縮不勻的問題。

7 結語

熱定型工藝對滌綸濾料的最終使用有決定性作用，無論是產品表面狀態、厚度、透氣、熱穩定性、尺寸穩定性，因此，在這一階段要保證定型充分。