紡絲工藝對并列復合聚酯纖維性能的影響

李明明， 陳 燁， 李 夏， 王華平,2

(1. 東華大學 材料科學與工程學院， 上海 201620； 2. 東華大學 研究院， 上海 201620)

并列復合型彈性纖維是一類具有潛在彈性的纖維，采用相容性好而熱收縮差較大的2種組分通過并列復合紡絲制得，對其進行牽伸和熱處理使纖維產生熱收縮和不對稱應力，可使并列復合纖維形成三維立體卷曲結構[1-2]。

聚酯纖維作為目前國內生產與使用量最多的合成纖維品種，具有高強高模、抗皺、質輕及易洗快干等優點。將聚酯材料制備成并列復合纖維進一步賦予聚酯纖維優異的三維卷曲和彈性性能，可廣泛用于緊身內衣、絲襪、織帶等彈性織物以及蓬松填充材料等領域。并列復合纖維的紡制一般采用二步法工藝，首先在高速紡絲條件下得到預取向絲(POY)，然后經過牽伸加捻(DT)等工藝使纖維內大分子進行取向和產生卷曲。為探索并列復合纖維的紡絲工藝以滿足不同彈性要求的產品，可研究通過一步法制備彈性纖維，以便工業上進一步取代拉伸變形絲(DTY)，省去加捻等二步處理工藝，節約成本，簡化操作，避免了纖維在變形加工過程中對其結構的損傷，以及纖維在后期使用過程中彈性不穩定，易變形的缺點[3]。

本文以2種黏度的聚酯(PET)為原料，分別采用預取向絲經牽伸加捻制備POY-DT，經一步法制備全拉伸絲(FDY)。通過在相同牽伸倍數和溫度下，對2種工藝制備的并列復合纖維的卷曲性能、力學性能、熱處理方式等進行比較，研究2種纖維的尺寸穩定性。

1 實驗部分

1.1 主要原料及性能

常規PET、瓶級PET，均購自中國石化儀征化纖股份有限公司。原料的黏度([η])、玻璃化轉變溫度(Tg)、結晶溫度(Tc)及熔融溫度(Tm)如表1所示。

表1 樣品原料性能Tab.1 Sample raw material properties

1.2 并列復合聚酯纖維的制備工藝

紡絲前常規PET和瓶級PET均在(180±2)℃下預結晶8 h，并在130 ℃下干燥24 h，將水分含量控制在0.003%以下。

1.2.1 牽伸加捻工藝制備并列復合纖維

將干燥結晶后的常規PET與瓶級PET在東華大學自制的雙螺桿并列復合紡絲機上以1∶1的進料速度進行并列復合紡絲。噴絲板的規格為并列雙組分72孔，噴絲孔長徑比為3∶1，“8”字型噴絲板結構圖如圖1所示。制備得到預取向絲(POY)，紡絲速度為2 780 m/min，紡絲工藝如表2所示。

圖1 “8”字型噴絲孔的參數示意圖Fig.1 Schematic diagram of parameters of 8-shaped orifice

表2 初生POY纖維紡絲工藝參數
Tab.2 Process parameters of primary POY
fiber spinning ℃

原料名稱紡絲溫度一區二區三區四區箱溫聯苯氣相溫度聯苯液相溫度冷凝溫度常規PET290295295290瓶級PET291299300303294295297293

將制備的并列復合纖維POY初生纖維采用TF-100型平行牽伸機盤熱板拉伸，選擇熱盤溫度為100 ℃，熱板溫度為 140 ℃，牽伸倍數為1.9。

1.2.2 一步法工藝制備并列復合纖維

將干燥結晶后的常規PET與瓶級PET在雙螺桿并列復合紡絲機中紡絲，并利用一步法牽伸設備進行牽伸，根據FDY工藝紡絲經驗[4]，第1輥轉速選為1 800 m/min，具體紡絲及牽伸工藝如表3、4所示。

表3 FDY紡絲工藝Tab.3 FDY spinning process ℃

1.3 纖維結構和性能測試

1.3.1 熱性能測試

采用Q-20型差示掃描量熱儀，在N2氛圍下，以10 ℃/min的升溫速率，對共聚酯熱性能進行測試。

表4 FDY牽伸工藝Tab.4 FDY drafting process

1.3.2 結構形態觀察

采用VHX-1000型超景深顯微鏡以及數碼相機拍攝纖維的縱向卷曲形態。

1.3.3 力學性能測試

將纖維在100 ℃下干熱處理10 min，以及在沸水濕熱處理10 min后，采用XL-I型復絲強力儀對未經熱處理、干熱處理、濕熱處理纖維進行力學性能測試。預加張力為0.05 cN/dtex，拉伸速度為 200 mm/min，夾持距離為200 mm。

1.3.4 結晶和取向結構測試

采用廣角X射線衍射法測定纖維的結晶度。將纖維樣品剪碎后，利用D/max-B型X射線衍射儀進行測試。實驗采用管電流為50 mA，管電壓為 40 kV，掃描速度為5(°)/min。

采用東華大學材料學院自制的SCY-Ⅲ型聲速取向儀測定纖維的取向性能。根據樣品線密度施加張力，張力大小按照0.1 cN/dtex計算。

1.3.5 收縮性能測試

參照GB/T 6505—2008《化學纖維 長絲熱收縮率試驗方法》測定纖維的沸水收縮率，將纖維用紗布包好，放置在恒溫水浴鍋中沸水處理30 min，取出自然干燥后在標準狀態下放置24 h。沸水收縮率按下式進行計算。

式中：S為沸水收縮率，%；L0為沸水處理前的絲絞長度，mm；L1為沸水處理后的絲絞長度，mm。

采用相同方法進一步測試纖維在經沸水處理30 min后的即時收縮率和放置12、24、72、168 h的長期收縮率。

1.3.6 卷曲性能測試

由于FDY纖維在熱處理前不具有卷曲結構，因此，對2種樣品經過100 ℃、10 min的濕熱處理工藝后進行卷曲性能的評價。

參照GB/T 14338—2008《化學纖維 短纖維卷曲性能試驗方法》測定纖維的卷曲性能，包括卷曲率(J)、卷曲回復率(Jw)和卷曲彈性率(Jd)，分別按照下式進行計算：

式中：L2為纖維在輕負荷下測得的長度，mm；L3為纖維在重負荷下測得的長度，mm；L4為纖維在重負荷釋放后經2 min回復，再在輕負荷下測得的長度，mm。

2 結果與討論

2.1 卷曲形態分析

圖2示出并列復合纖維卷曲結構。

圖2 2種并列復合纖維的卷曲結構Fig.2 Two kinds of parallel composite fiber crimped structure.(a)POY-DT without boiling water treatment；(b)FDY without boiling water treatment；(c)POY-DT in boiling water treatment；(d)FDY in boiling water treatment；(e)POY-DT microstructure(×30)；(f)FDY microstructure(×30)

由圖2(a)、(b)可知，未經沸水處理的POY-DT和FDY工藝制備的復合纖維卷曲均大而稀疏，但FDY工藝制備得到的并列復合纖維較POY-DT工藝制備得到的復合纖維卷曲稍微稠密。由圖2(c)、(d) 可知，POY-DT和FDY工藝制備的復合纖維經沸水處理后，相較于沸水處理前，纖維的卷曲結構有了明顯改變，卷曲更加充分，卷曲半徑更小。通過觀察對比圖2(c)、(d)和圖2(e)、(f)可知，通過FDY工藝制備的復合纖維在沸水處理后纖維的卷曲更加稠密和細致，在一定程度上說明了FDY成型工藝更加利于并列復合纖維三維卷曲結構的形成。

2.2 取向和結晶結構分析

通過對POY-DT和FDY工藝制備的并列復合纖維的結晶度和取向度進行測試比較可知： 2種工藝制備的纖維結晶性能接近，結晶度分別為31.6%和30.8%；而纖維的聲速取向因子相差較大，FDY的聲速取向因子(0.87)是POY-DT(0.43)的2倍多，FDY的晶區取向度和整體取向度都較高。FDY工藝具有高效快速的特點[5-6]，紡絲牽伸一步完成，纖維在牽伸時由于纖維表面和芯部均處在較高的溫度，使纖維表面和芯部的晶區和分子鏈段都能得到取向；而對于POY-DT工藝，纖維在牽伸時熱量從表面傳遞到芯部需要一定的時間，在較高的卷繞速度下，纖維表面的溫度要高于芯部，導致纖維的芯部分子鏈運動能力較差，進而導致纖維的整體取向下降。結晶的過程主要在紡絲階段，因此，在相同的紡絲溫度和紡絲速度下，2種工藝制備的纖維具有相近的結晶度。

2.3 卷曲性能分析

表5示出2種并列復合纖維樣品經熱處理后卷曲性能測試結果?？芍篎DY纖維的整體卷曲性能較POY-DT纖維的卷曲性能優異，但二者相差不大，卷曲率、卷曲彈性率和卷曲回復率差距均在10%以內；而二者的卷曲彈性率均達到80%以上，表明2種纖維的卷曲穩定性都比較好。并列復合纖維的卷曲來自于2個方面[7-9]：一是并列雙組分在熱處理工藝中具有不同的收縮率，從而在宏觀上表現為卷曲的產生；二是纖維在牽伸工藝中大分子發生取向，取向的同時伴隨內應力的產生，雙組分高聚物內應力大小差異賦予了纖維卷曲結構。FDY與POY-DT纖維在相同的熱處理條件下，由于組分相同，因此，具有相同的熱收縮率；而2種工藝制備纖維的取向性能差異進一步表明，FDY較POY-DT的雙組分高聚物內應力差異大。

表5 2種纖維樣品經熱處理后卷曲性能Tab.5 Crimp properties of two kinds of fiber after heat treatment %

2.4 沸水收縮率和卷曲結構穩定性分析

將POY-DT與FDY纖維經過沸水處理30 min后，其沸水收縮率分別為12.9%和8.3%，POY-DT的沸水收縮率比FDY的高約55%。2種纖維的即時收縮率與長期收縮率差值結果如表6所示?？芍篜OY-DT試樣即時收縮率和放置12、24、72、168 h 后的長期收縮率差值較大，表明經過沸水處理后，卷曲試樣仍在繼續收縮；FDY試樣的即時收縮率和放置12、24、72、168 h后的收縮率差值比POY-DT試樣更大，說明其在熱處理后卷曲結構的收縮勢能更大，結構更不穩定[10-11]；通過對纖維的即時收縮率和長期收縮率研究可知，FDY纖維的即時收縮率較小，但隨著時間的延長，其收縮仍在繼續，而POY-DT的長期收縮率較低，經過沸水處理后，可得到尺寸相對較穩定的纖維長絲。

表6 2種纖維的即時收縮率與長期收縮率差值Tab.6 Difference between immediate shrinkage ratio and long-term shrinkage ratio of two kinds of fibers %

2.5 力學性能分析

表7示出纖維在未經過熱處理、干熱處理以及濕熱處理3種情況下的力學性能?？芍豪w維經過熱處理會導致其斷裂強度下降，斷裂伸長率提高；FDY纖維經過干熱處理會導致斷裂強度下降幅度更大，在后續處理工藝中更適合采用濕熱處理以保證纖維的強度；POY-DT纖維經過濕熱處理會導致其斷裂強度下降，而干熱處理對纖維斷裂強度的影響很小。纖維經過熱處理會導致其內部分子鏈段解取向的發生，從而表現為斷裂強度下降，斷裂伸長率的大幅提高。濕熱處理使纖維斷裂伸長率提高較干熱處理明顯，主要是因為纖維吸濕后發生膨脹，分子鏈間的作用力減弱， 但由于分子鏈間距離變大， 纖維在拉伸時， 其應變明顯大于未處理試樣和干熱處理試樣[12]。

表7 未經熱處理、經過干濕熱處理后的2種纖維力學性能Tab.7 Mechanical properties of two kinds of fibers after heat treatment, heat and humidity treatment

3 結 論

1)全牽伸(FDY)并列復合纖維的整體卷曲性能較預取向絲進行牽伸加捻(POY-DT)得到并列復合纖維優異，主要是由于FDY較POY-DT纖維的雙組分高聚物內應力差異大，從而賦予其更高的卷曲性能。

2)FDY與POY-DT并列復合纖維的結晶性能相近，而POY-DT纖維由于表面向芯部的傳熱過程較緩慢，芯部溫度不高，分子運動受限，在高速牽伸下，主要以表面高分子鏈段的取向為主，芯部取向較差，從而導致POY-DT的取向程度較FDY低。

3)FDY在沸水處理后，隨著時間的延長，其收縮仍會繼續發生，而POY-DT經過沸水處理后，可得到尺寸相對較穩定的纖維長絲。纖維進行熱處理可提高其卷曲性能，但同時會影響纖維的力學性能，POY-DT更適合干熱處理，FDY更適合濕熱處理。