高密度聚乙烯/聚酰胺6復(fù)合纖維的制備及性能

李順希，許志強(qiáng)，詹瑩韜，黃 芽

(凱泰特種纖維科技有限公司，浙江 紹興 312071)

功能性纖維的開發(fā)與利用是我國未來紡織品發(fā)展的重要趨勢之一。涼感纖維作為一類重要的功能性、差別化纖維，在內(nèi)衣、夾克、襯衣、襪子、休閑服、床上用品、毛巾等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]，并越來越受到消費者的喜愛。

獲得涼感纖維的方法有多種[2-3]，但其中許多方法都難以達(dá)到理想的涼爽舒適感。因此，研究者們開始探索新的方法或機(jī)理來制備涼感纖維。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維作為世界三大高性能纖維之一，由于其具有高度取向的伸直鏈結(jié)構(gòu)，故呈現(xiàn)出其他纖維所不具備的高強(qiáng)高模性能，在國防軍事、航空航天、車輛制造、防護(hù)用品、體育用品、繩纜、漁網(wǎng)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[4-8]。有文獻(xiàn)指出，具有高結(jié)晶性、高取向性的聚合物在取向方向有高的導(dǎo)熱性[9]，UHMWPE纖維就具有這樣的大分子鏈結(jié)構(gòu)，因此該纖維具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，可將熱量迅速疏導(dǎo)出去，產(chǎn)生接觸涼感。近年來，部分廠家借助UHMWPE纖維的這一特性將其制成涼感床墊、涼席、運動服、袖套等產(chǎn)品，這些產(chǎn)品一經(jīng)問世便受到客戶的普遍好評。隨著該產(chǎn)品的推廣與使用，與其原料特性相關(guān)的缺陷也逐漸顯露，制約了該產(chǎn)品在民用市場的大面積推廣。

UHMWPE纖維在民用領(lǐng)域應(yīng)用的主要缺陷有纖維原料價格偏高、面料手感硬挺不舒適、難以染色、與其他材料的粘合性能較差等[10-12]。而高密度聚乙烯(HDPE)具有與UHMWPE一樣的線性結(jié)構(gòu)，采用HDPE為原料制備的纖維亦可提供接觸涼感。作者設(shè)計以HDPE為皮，以聚酰胺6(PA 6)為芯，通過皮芯復(fù)合紡絲制備HDPE/PA 6復(fù)合纖維；皮層HDPE可保持聚乙烯特有的高導(dǎo)熱系數(shù)，產(chǎn)生接觸涼感，使得織物手感滑爽，且具有抑菌防霉功能；芯層PA 6可提高纖維及織物的柔軟性，貼膚性更好，并可改善纖維的染色性能等其他性能，從而使HDPE纖維更適合應(yīng)用于服裝和家紡產(chǎn)品。該設(shè)計思路與方法在國內(nèi)外文獻(xiàn)中尚未見報道，制備的HDPE/PA 6復(fù)合纖維保持了UHMWPE纖維的涼感特性。

1 實驗

1.1 主要原料與設(shè)備

HDPE切片：中國石化揚子石油化工有限公司產(chǎn)；PA 6切片：湖南金帛化纖有限公司產(chǎn)。

一部位紡絲設(shè)備：北京中麗制機(jī)工程技術(shù)有限公司制；專用紡絲組件：自制；YG086縷紗測長機(jī)：常州第二紡機(jī)廠制；YG(B)021HL化纖長絲電子強(qiáng)力機(jī)：溫州大榮紡織儀器有限公司制；RL-Z1B1熔體流速儀：上海思爾達(dá)科學(xué)儀器有限公司制；X- 4數(shù)顯顯微熔點測定儀：鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司制；Y172型纖維切片器：溫州市大榮紡織儀器有限公司制；Datacolor 600型測色配色儀：美國Datacolor公司制。

1.2 HDPE/PA 6復(fù)合纖維及其色絲的制備

首先，將HDPE切片、PA 6切片及色母粒進(jìn)行干燥，然后在一部位紡絲設(shè)備上進(jìn)行紡絲。將HDPE切片、PA 6切片及色母粒按一定質(zhì)量比由螺桿擠出機(jī)熔融擠出，再進(jìn)入復(fù)合紡絲組件紡絲、一步法拉伸定型得到HDPE/PA 6復(fù)合纖維及其色絲。主要工藝條件見表1、工藝流程見圖1。

表1 HDPE/PA 6復(fù)合纖維及其色絲的主要工藝參數(shù)Tab.1 Main process parameters of HDPE/PA 6 composite fiber and its color yarn

圖1 HDPE/PA 6復(fù)合纖維及其色絲制備工藝流程
Fig.1 Flow chart of HDPE/PA 6 composite fiber and color yarn production

1.3 分析與測試

熔點：采用X- 4數(shù)顯顯微熔點測定儀測定HDPE切片、PA 6切片的熔點。

熔體流動指數(shù)(MFI)：采用RL-Z1B1熔體流速儀測試。測試條件：(1)HDPE切片，溫度235，255，260，265 ℃，保溫時間1 min，負(fù)荷2 160 g，測量行程25.4 mm；(2)PA 6切片，溫度235，255，260，265 ℃，保溫時間5 min，負(fù)荷2 160 g，測量行程25.4 mm。測試3次，計算平均值。

纖維截面形貌：采用Y172型纖維切片器對纖維進(jìn)行制樣，并在生物光學(xué)顯微鏡下觀察，獲得纖維橫截面照片。

纖維力學(xué)性能：按照GB/T 14343—2008和GB/T 14344—2008分別測定纖維的線密度與斷裂強(qiáng)度等。

面料的接觸涼感系數(shù)：將HDPE/PA 6復(fù)合纖維制成面料，按照GB/T 35263—2017檢測面料的接觸涼感系數(shù)。

纖維表觀染色深度(K/S)：使用Datacolor 600型測色配色儀測定，采用D65光源和10°觀察角，在不同的部位測量4次，取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 原料干燥條件

由于HDPE切片的吸水率低，未經(jīng)干燥處理也可進(jìn)行紡絲，但為了達(dá)到更好的紡絲效果，將HDPE切片投入大料倉內(nèi)，以常溫干空氣對其保干，經(jīng)檢測，HDPE切片含水率為20 μg/g，可以更好地滿足使用要求。

由于PA 6大分子鏈中酰胺鍵的存在，易與水分子通過氫鍵而結(jié)合，PA 6的回潮率較大，因此需對PA 6切片進(jìn)行干燥。干燥溫度較低會降低干燥效果；但高溫下，PA 6切片將發(fā)生氧化，切片變黃，這樣的切片用于復(fù)合紡絲，一方面增加了飄絲、斷頭，另一方面會改變?nèi)垠w在組件內(nèi)的壓力分布，改變兩種原料間的熔體黏度匹配關(guān)系，最終影響纖維的截面形狀及綜合性能。選擇以除濕壓縮干空氣為干燥介質(zhì)，設(shè)定干燥溫度85～90 ℃，干燥時間12 h以上，PA 6切片含水率小于80 μg/g，達(dá)到復(fù)合紡絲的要求。

2.2 組分配比

在制備HDPE/PA 6復(fù)合纖維時，HDPE及PA 6熔體分別流經(jīng)各自獨立的熔體管道，在紡絲組件處復(fù)合在一起，最終通過噴絲板噴出成形。在復(fù)合紡絲中，兩組分的復(fù)合配比影響到兩組分能否實現(xiàn)良好的復(fù)合，能否形成良好的纖維截面，從而直接影響纖維質(zhì)量的均一性與穩(wěn)定性。

由表2可知：在其他工藝條件相同的情況下，HDPE與PA 6切片的質(zhì)量比為40:60時，可紡性良好；當(dāng)HDPE組分的含量較低時，皮層的均勻性與穩(wěn)定性差，纖維的可紡性差；而HDPE組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到60%時，則芯層的PA 6含量少，纖維的強(qiáng)度下降，可紡性也較差；另外，復(fù)合配比不適宜，纖維絲束中出現(xiàn)細(xì)絲的概率增大，這種細(xì)絲表現(xiàn)為纖維的截面沒有皮層。由圖2可知，HDPE與PA 6切片的質(zhì)量比為40:60時，HDPE/PA 6復(fù)合纖維的初生纖維橫截面很清晰，HDPE組分包覆于纖維外部形成皮層，PA 6組分位于纖維的芯部。因此，在后面的實驗中均選擇HDPE與PA 6切片的質(zhì)量比為40:60。

表2 不同組分配比時HDPE/PA 6復(fù)合纖維的可紡性Tab.2 Spinnability of HDPE/PA 6 composite fiber at different mass ratios

圖2 HDPE/PA 6復(fù)合纖維的橫截面照片F(xiàn)ig.2 Cross section photos of HDPE/PA 6 composite fiberHDPE與PA 6切片的質(zhì)量比為40:60。

2.3 紡絲與拉伸工藝

在復(fù)合紡絲中，紡絲溫度的設(shè)定將顯著影響兩種組分的流變性能，進(jìn)而影響其在纖維中的分布。設(shè)定紡絲溫度不僅要考慮溫度高低對單一組分的影響，同時要考慮設(shè)定的溫度是否能使兩組分的流變性能相互匹配。

在HDPE/PA 6復(fù)合纖維的制備過程中，經(jīng)檢測，HDPE切片的熔點為120～135 ℃，PA 6切片的熔點為209～220 ℃，兩種原料的MFI測試結(jié)果見表3。

表3 不同溫度下HDPE及PA 6切片的MFITab.3 MFI of HDPE and PA 6 chip at different temperatures

由表3可知，HDPE及PA 6切片的MFI存在一定的差異，在255 ℃時二者的MFI較接近，因此實驗選擇紡絲箱體溫度為255 ℃。若紡絲箱體溫度設(shè)定不適宜時，兩種熔體在噴絲孔中流動狀態(tài)不一，容易出現(xiàn)粘板、掉料等現(xiàn)象，從而無法正常紡絲。

實驗發(fā)現(xiàn)，在其他工藝條件相同的情況下，HDPE組分的螺桿擠出溫度的可調(diào)節(jié)范圍較大，在160～200 ℃可調(diào)；而PA 6組分的螺桿擠出溫度對HDPE/PA 6復(fù)合纖維可紡性的影響很敏感。從表4可知：當(dāng)PA 6組分的螺桿擠出溫度為260 ℃時，可紡性較好；當(dāng)PA 6組分的螺桿擠出溫度為255 ℃時，該溫度對PA 6而言偏低，PA 6熔體黏度增加，流動性下降，熔體熔融的充分程度與均勻性下降，在與HDPE復(fù)合時發(fā)生阻塞、掉料現(xiàn)象；當(dāng)PA 6組分的螺桿擠出溫度為265 ℃，該溫度對HDPE而言偏高，復(fù)合時HDPE中的非晶區(qū)發(fā)生熱氧化作用的可能性增加，使兩者熔體黏度不匹配，也會發(fā)生噴絲板掉料現(xiàn)象，可紡性下降。另外，由于HDPE與PA 6切片性能的差異，在探索出的較好工藝條件下，在紡絲過程中，噴絲孔周圍仍容易出現(xiàn)黑色物質(zhì)，進(jìn)而導(dǎo)致部分熔體在黑色物質(zhì)上的粘附，引起飄絲、掉料，組件周期僅8～12 h。為解決這一問題，在HDPE組分中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%～2%的專用改性母粒，起到抗滴落的作用，改善聚合物的加工性能，使組件周期延長至7～15 d，從而獲得更好的紡絲效果。

表4 PA 6組分螺桿擠出溫度對可紡性的影響Tab.4 Effect of PA 6 extrusion temperature on spinnability

注：HDPE組分的螺桿擠出溫度為170 ℃，紡絲箱體溫度為255 ℃。

在獲得更好的紡絲效果的基礎(chǔ)上，探討了拉伸倍數(shù)對HDPE/PA 6復(fù)合纖維力學(xué)性能的影響。由表5可知，HDPE/PA 6復(fù)合纖維的斷裂強(qiáng)度隨拉伸倍數(shù)的增大而增大，斷裂伸長率隨之減小。由于下游用戶要求產(chǎn)品的斷裂伸長率在40%～50%，因此，最終確定拉伸倍數(shù)為2.6～2.8，同時，將預(yù)網(wǎng)絡(luò)壓力設(shè)定在0.10～0.12 MPa，主網(wǎng)絡(luò)壓力設(shè)定在0.20～0.25 MPa，紡絲速度設(shè)定在2 500～3 200 m/min，獲得質(zhì)量優(yōu)良的HDPE/PA 6復(fù)合纖維產(chǎn)品，從而滿足后道加工對復(fù)合纖維力學(xué)性能的要求。

表5 拉伸倍數(shù)對HDPE/PA 6復(fù)合纖維力學(xué)性能的影響Tab.5 Effect of draw ratio on mechanical properties of HDPE/PA 6 composite fiber

2.4 HDPE/PA 6復(fù)合纖維面料的涼感性能

將制備的HDPE/PA 6復(fù)合纖維與市售UHMWPE纖維分別織成面料，并按GB/T 35263—2017測試2種面料的接觸涼感系數(shù)。按照GB/T 35263—2017規(guī)定：面料接觸涼感系數(shù)大于等于0.15 J/(cm2·s)，可評價為面料具有良好的接觸瞬間涼感性能。從表6可以看出，UHMWPE纖維面料的接觸涼感系數(shù)為0.26 J/(cm2·s)，HDPE/PA 6復(fù)合纖維面料的接觸涼感系數(shù)達(dá)0.23 J/(cm2·s)，表明HDPE/PA 6復(fù)合纖維面料具有較好的接觸瞬間涼感性能。

表6 HDPE/PA 6復(fù)合纖維及UHMWPE纖維面料的接觸涼感系數(shù)Tab.6 Cool feeling coefficient of fabrics of HDPE/PA 6 composite fiber and UHMWPE fiber

2.5 HDPE/PA 6復(fù)合色絲的染色性能

根據(jù)下游客戶的實際需求，在本色HDPE/PA 6復(fù)合纖維制備工藝的基礎(chǔ)上，在皮層添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%～3.0%的聚乙烯色母粒，適當(dāng)調(diào)整紡絲工藝參數(shù)，制備了藍(lán)色、灰色、棕色等HDPE/PA 6復(fù)合色絲產(chǎn)品。其中，在360～450 nm下測得淺棕色、棕色復(fù)合色絲的K/S值如表7所示，淺棕色復(fù)合色絲的K/S值為1.826，棕色復(fù)合色絲的K/S值為5.437，這表明HDPE/PA 6復(fù)合色絲具有較好的染色性能，滿足后加工的應(yīng)用要求。

表7 HDPE/PA 6復(fù)合色絲的K/S值Tab.7 K/S value of HDPE/PA 6 composite color yarn

3 結(jié)論

a.在制備HDPE/PA 6復(fù)合纖維時，HDPE與PA 6切片的質(zhì)量比為40:60時，可紡性良好，HDPE/PA 6復(fù)合纖維的初生纖維橫截面很清晰。

b.PA 6組分的螺桿擠出溫度可顯著影響HDPE/PA 6復(fù)合纖維的可紡性。當(dāng)PA 6組分的螺桿擠出溫度為260 ℃時，可紡性較好；在HDPE組分中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%～2%的專用改性母粒，可獲得更好的紡絲效果。

c.在較佳紡絲條件下，拉伸倍數(shù)為2.6～2.8時，制備的HDPE/PA 6復(fù)合纖維斷裂強(qiáng)度達(dá)3.57～3.82 cN/dtex，且復(fù)合纖維面料的接觸涼感系數(shù)達(dá)0.23 J/(cm2·s)，復(fù)合纖維面料具有較好的接觸瞬間涼感性能。

d.制備的棕色HDPE/PA 6復(fù)合色絲的K/S值達(dá)5.437，復(fù)合色絲具有較好的染色性能，滿足后加工的應(yīng)用要求。