抗靜電異形竹節再生滌綸DTY的制備及性能研究

占海華，SENE Malick

(1.紹興文理學院，浙江 紹興 312000； 2.浙江省清潔染整重點實驗室，浙江 紹興 312000)

隨著石化類資源的日趨緊張，我國紡織品行業即將面臨原材料短缺的巨大挑戰，廢舊聚酯及其紡織品的回收再利用成為人們關注的焦點。近幾年來，以廢棄聚酯為原料生產的再生聚酯纖維及紡織服裝逐漸開始流行起來，再生聚酯纖維織物及服裝已經成為一種時尚，市場發展潛力巨大[1]。化學法再生聚酯纖維是將回收的廢舊聚酯紡織品或廢舊聚酯通過化學反應解聚、精制成聚酯原料單體、再聚合、紡絲而得。化學法再生聚酯質量與原生聚酯一樣，其品質達到纖維級水平[2]。但與物理法再生聚酯纖維相比，化學法再生聚酯生產工藝較為復雜，導致生產成本較高，所以為了使其具有良好的經濟效益，必須開發差別化再生聚酯纖維。目前，采用化學法醇解聚酯再聚合技術，通過在反應體系中添加功能粉體共混、共聚組分等方法已研制出抗菌、抗紫外線、阻燃、抗靜電、易染等差別化再生聚酯纖維[3]。

為開發出新外觀、新風格的功能性再生聚酯纖維，作者以化學法再生五波浪一字型截面抗靜電滌綸半預取向絲(MOY)為原料，通過對后加工假捻變形機改造，采用自主研發的特殊異拉伸裝置將MOY加工成縱向具有獨特竹節效果的抗靜電異形竹節再生滌綸假捻變形絲(DTY)，研究了DTY加工工藝條件，并對MOY和較佳工藝條件下制備的DTY的形態結構和性能進行了表征，為化學法再生聚酯纖維的差別化提供技術指導。

1 實驗

1.1 主要原料

化學法再生五波浪一字型截面抗靜電滌綸MOY：規格為167 dtex/48 f，斷裂強度為1.87 cN/dtex，斷裂伸長率為163.50%，端甲基含量為5.3 mol/t，體積比電阻為3.3×1011Ω·cm，浙江佳人新材料有限公司生產。

1.2 主要設備與儀器

BZL63型假捻變形機：北京中麗制機技術有限公司制；SNG-3000型掃描電子顯微鏡：韓國SEC有限公司制；YG-061F-1500型拉伸強力機：蘇州市電子儀器有限公司制；YF2003-Ⅱ搖襪機：紹興市越發機械制造公司制；XYJ37型顯微鏡：深圳市海約電子有限公司制；SSY-C型纖維雙折射儀：上海東華凱利新材料公司制；EST121型數字超高阻微電流儀：北京市計量檢測科學研究院制；GC-2014型氣相色譜儀：日本島津公司制。

1.3 抗靜電異形竹節再生滌綸DTY的制備

在BZL63型假捻變形機上增加一個特殊異拉伸裝置，對167 dtex/48 f化學法再生五波浪一字型截面抗靜電滌綸MOY進行假捻變形加工，制備抗靜電異形竹節再生滌綸DTY。MOY由零羅拉進入特殊異拉伸裝置進行異拉伸，然后依次經過第一羅拉、第一熱箱、冷卻板、假捻器、第二羅拉、第二熱箱、網絡噴嘴、第三羅拉、上油羅拉，最后卷繞得到成品111 dtex/48 f滌綸DTY網絡絲，工藝流程如圖1所示。

圖1 抗靜電異形竹節再生滌綸DTY加工工藝流程Fig.1 Processing flow of antistatic profiled slub regenerated polyester DTY1—零羅拉；2—特殊異拉伸裝置；3—第一羅拉；4—第一熱箱；5—冷卻板；6—假捻器；7—第二羅拉；8—第二熱箱；9—網絡噴嘴；10—第三羅拉；11—上油羅拉

主要加工參數：零羅拉線速度 393 m/min，第一羅拉線速度589～710 m/min，第一熱箱溫度130～150 ℃，第二羅拉線速度648～781 m/min，異拉伸加熱輥溫度120～150 ℃、平均線速度491～592 m/min，假捻器速比1.65～1.70，網絡噴嘴孔徑1.8mm、氣壓0.15～0.20 MPa，第二熱箱溫度110～120 ℃，卷繞張力5～15 cN。

1.4 分析與測試

端甲基含量：按照T/CCFA 01030—2017 《纖維級化學法循環再利用聚酯切片(PET)》方法測定。稱取試樣1 g，加入5 mL分解液于溶解管中并開始攪拌，加熱溶解爐設置為130 ℃，加熱1 h。由儀器繪制分析圖譜，采用氣相色譜儀制取各標準液圖譜，對比試樣圖譜與標準液圖譜，選取與試樣圖譜最接近的標準液圖譜作為對比圖。根據標準液端甲基含量、試樣和標準液的端甲基特征峰面積、水合肼特征峰面積計算端甲基含量。

竹節形態：利用MCM-100濺射鍍膜儀對長絲作噴金處理，采用SNG-3000型掃描電子顯微鏡觀察DTY的縱向竹節形態，設置掃描電鏡加速電壓為30 kV。

力學性能：采用YG-061-1500型拉伸強力機測試MOY、DTY的拉伸性能，設置拉伸速度100 mm/min，隔距25 cm，預張力0.05 cN/dtex。

異染效果：按照GB/T 6508—2015《滌綸長絲染色均勻度試驗方法》測定。將制得的DTY織成長度大于5 cm的襪帶，襪機針數為180，織物密度(100 mm)為133根，經清洗后采用分散藍2BLN染料進行染色，染料質量分數3%，浴比1:30，溫度100 ℃，時間60 min；襪帶經洗滌、脫水、晾干，采用XYJ37型顯微鏡觀察。

雙折射率：采用SSY-C型纖維雙折射儀對纖維的粗細節進行雙折射測試。選取5個粗節處和5個細節處分別測試其雙折射率，取5組數據平均值。雙折射儀目鏡5倍、物鏡40倍。

抗靜電性能：按照FZ/T 50035—2016《合成纖維長絲電阻試驗方法》測定。取一段100 mm長的纖維，在纖維兩端粘上導電膠，采用EST121型數字超高阻微電流儀測試纖維100 mm間距的電阻值，測試電壓為(100±5)V，測量5次取平均值，計算纖維的體積比電阻。

2 結果與討論

2.1 原料的選擇

為了滿足后道應用多功能的要求，選取了化學法再生抗靜電五波浪一字型截面、斷裂伸長率較高的MOY作為原料，另外，為使MOY經后道異拉伸加工成DTY的過程中容易形成縱向竹節效果，將不同斷裂伸長率和斷裂強度的MOY對DTY竹節效果的影響作了對比實驗，結果如表1所示。由表1可知：MOY斷裂伸長率大于170%時，雖然加工所得DTY竹節反差明顯、竹節效果好，但由于MOY斷裂強度太小，后拉伸過程中出現繞輥現象、斷頭和毛絲增加，生產不穩定；當MOY斷裂伸長率小于140%時，可紡性好，但竹節不明顯、反差小；MOY斷裂伸長率控制在150%～ 170%時，MOY可紡性好，加工所得DTY竹節反差明顯、竹節效果好。因此，實驗選擇斷裂伸長率150%～ 170%的MOY為原料。

表1 不同斷裂伸長率的MOY對加工性能的影響Tab.1 Effect of elongation at break on processability of MOY

2.2 設備改造

特殊異拉伸裝置[4]加裝于加彈機的零羅拉與一羅拉之間，每個錠位對應一個加熱輥，多個加熱輥由同一電機控制。常規加彈機兩側共240個錠位，每側120個錠位，每個錠位配置一只加熱輥，每側120只加熱輥的轉速均由同一電機帶動，電機由變頻器控制。

該特殊異拉伸裝置的主要技術參數為：1個加彈區(12個錠位)的區間距為132 cm，凸輪間距即錠與錠的間距為11 cm，加熱輥中心位置與絲束中心位置的距離為0 cm，設置1個凸柄，凸柄長度為6 cm、寬度為3 cm。

結合圖1，特殊異拉伸裝置是將自主設計的凸輪套裝在零羅拉與一羅拉之間的加熱輥上，兩者之間存在熱傳導作用，凸輪上設置有向外凸出的凸柄；加熱輥由電機驅動其轉動，并帶動凸輪隨之轉動，轉速可恒速或變速，轉動方向可順時針或逆時針轉動，并帶動凸輪隨之轉動，凸輪轉動過程中，加工絲束的拉伸程度隨著與凸輪接觸狀態而改變，絲束與凸輪接觸即進行熱異拉伸，絲束與凸輪不接觸或只與凸輪凸柄接觸時則進行冷拉伸，如圖2所示。當絲束與凸輪接觸如圖2a位置時拉伸倍數最小，絲束與凸輪接觸如圖2b位置時拉伸倍數最大。當凸輪連續旋轉時，絲束的拉伸倍數隨之變化，實現了異拉伸的目的。加工過程中確定加熱輥轉動方向為順時針轉動，同時為了使纖維具有不同的深淺異染效果，避免竹節長短和間隔太過規律而導致面料的染色重修性，采用了可編程控制加熱輥轉速，即通過編程器、PLC控制、伺服電機控制加熱輥速度，變速周期為7 s，實現5段變速運行。如圖3所示：0～1.0 s加熱輥線速度為393 m/min；1.1～3.0 s加熱輥線速度為420 m/min；3.1～ 4.0 s加熱輥線速度為473 m/min；4.1～5.5 s加熱輥線速度為430 m/min；5.6～7.0 s加熱輥線速度為401 m/min。通過加熱輥的變速運行使凸輪對纖維縱向的異拉伸作用不規律，最終得到的纖維縱向的粗細節長短、反差呈多重效果，很好地滿足了后道織造要求。

圖2 特殊異拉伸裝置與絲束接觸位置示意Fig.2 Diagram of contact position between special drawing device and yarn1,5—導絲鉤；2—凸柄；3—凸輪；4—加熱輥

圖3 加熱輥5段變速運行控制示意Fig.3 Schematic diagram of five-stage variable speed control module for heating roller

2.3 DTY工藝條件

2.3.1 拉伸倍數

MOY的拉伸在兩個部位進行，第一拉伸是在零羅拉與第一羅拉之間，第二拉伸是在第一羅拉與第二羅拉之間，第一拉伸倍數與第二拉伸倍數之積為總拉伸倍數[5]。異拉伸效果是指纖維縱向同時存在完全拉伸和不完全拉伸的竹節段。本實驗中異拉伸主要是在零羅拉與第一羅拉之間對MOY采用特殊異拉伸裝置實現，因此，零羅拉和第一羅拉之間的第一拉伸倍數的控制尤為重要。在異拉伸作用下，隨著第一拉伸倍數的增加，DTY異染效果逐漸減小，當第一拉伸倍數提高到一定的程度，異染效果消失；第一拉伸倍數太小時，絲束在凸輪的加熱輥上跳動，嚴重時絲條在凸輪上繞絲繼而斷頭。第一羅拉與第二羅拉之間的第二拉伸倍數只是提供一定的假捻張力，使DTY能達到良好的假捻效果，所以第二拉伸倍數較小，通常設定第二拉伸倍數為1.05。由于DTY縱向具有末完全拉伸的竹節存在，即纖維縱向有拉伸不足的大分子結構，在宏觀上表現為DTY的剩余伸長率比常規產品要大，根據不同的風格，剩余伸長率一般控制在30%～50%。由表2可知，當其他條件不變的情況下，當第一拉伸倍數為1.50～1.60時，DTY竹節反差明顯、異染效果好，且加彈效果良好。

表2 第一拉伸倍數對MOY加工性能的影響Tab.2 Effect of first draw ratio on processability of MOY

2.3.2 拉伸速度

拉伸速度是一個非常重要的參數，拉伸速度太快，絲條與設備的磨擦力增加，而絲條縱向存在末拉伸段，強度低，容易產生毛絲等現象[6]，嚴重時會異致斷頭或不能正常生產的局面；拉伸速度太慢，雖然對DTY質量的提高有利，但生產成本增加 ，而且絲條竹節段結構變得不明顯[7]。由于本實驗采用自主研發的特殊異拉伸裝置，加工速度比常規DTY的加工速度大大提高，拉伸速度在648～781 m/min時能滿足要求。

2.3.3 第一熱箱溫度及第二熱箱溫度

異拉伸主要發生在零羅拉與第一羅拉之間，熱輥溫度將影響異拉伸效果，因此其溫度選擇非常重要，經試驗，控制在150 ℃ 能達到要求。由于纖維在第一羅拉和第二羅拉之間基本不拉伸，第一熱箱一方面給予絲條一定的溫度，以使絲條經假捻后有較好的形變效果(即彈性)，另一方面起到熱定型的作用，以保持零羅拉和第一羅拉間多段變速不均勻拉伸的效果。第一熱箱溫度一般要求在玻璃化轉變溫度以上，但若溫度太高，絲條的拉伸段會因內能增加分子熱運動加劇破壞已形成的晶格結構，使超分子結構分布趨向同化，削弱了異染性能，同時未拉伸段單纖局部熔融粘連，形成無法完全解捻的緊點或僵絲，導致DTY蓬松度會變差，外觀毛絲、毛團現象增多[8]。因此，第一熱箱溫度設定要比常規加工時偏低一些，選擇130～145 ℃ 較合適，實驗中選擇第一熱箱溫度為138 ℃。第二熱箱的使用形成了二次熱定型，會削弱DTY的蓬松性，因此采取關閉不用或低溫控制，實驗中選擇第二熱箱溫度為120 ℃。

2.3.4 網絡空氣壓力

網絡能有效提高纖維的后加工性能，織造時可免去上漿[9]。DTY網絡效果的影響因素有：網絡噴嘴孔徑、網絡空氣壓力、絲條張力等。由于網絡牢度會影響DTY的熱收縮性能，從而影響異染效果，因此，選擇對DTY采用輕度網絡工藝，網絡噴嘴孔徑為1.8 mm，網絡空氣壓力為0.15～0.20 MPa，卷繞張力為5～15 cN時，網絡絲性能較好。

2.4 纖維竹節形態及結構

原料MOY及較佳工藝條件下制備的DTY粗細節的縱向形態見圖4(放大倍數500)。從圖4可看出，MOY的縱向形態表現較為明顯的五波浪一字型截面，DTY的五波浪凹槽明顯不如MOY，且有粗細不均現象。這是因為MOY經異拉伸變形后纖維縱向存在粗細變化，所得DTY拉伸充分處，橫截面小，內部大分子結構較穩定；而拉伸不足處則橫截面大，內部大分子結構較不穩定。

圖4 MOY及DTY粗細節的縱向形態Fig.4 Slub longitudinal morphology of MOY and DTY

對DTY的粗細節分別進行雙折射率測試，粗節處雙折射率為0.20，細節處雙折射率為0.23，細節部分的雙折射率高于粗節部分，這時因為細節部分大分子得到了較充分的拉伸，其結晶和取向高于粗節部分，而取向度越高，纖維中的鏈段排布越規整，各向異性顯著，雙折射率越大[10-11]。

2.5 力學性能

由表3可知：MOY斷裂強度較小，斷裂伸長率較大，平均斷裂伸長率為163.50%，這為后面不均勻拉伸提供良好條件；DTY斷裂強度較大，斷裂伸長率較小，且粗節的斷裂強度小于細節，而斷裂伸長率大于細節，這是由于纖維經異拉伸加捻后，大分子鏈取向和結晶度明顯提高；另外，DTY細節拉伸充分，取向和結晶度明顯高于粗節，因而表現為細節的斷裂強度大于粗節。

表3 MOY及DTY的力學性能Tab.3 Mechanical properties of MOY and DTY

2.6 染色性能

采用YF2003-Ⅱ搖襪機將DTY織成襪帶后進行染色，對染色后的DTY襪帶在顯微鏡下進行觀察，襪帶的顏色差異見圖5。

圖5 DTY襪帶染色后的顏色差異Fig.5 Color difference of DTY garter after dyeing

從圖5可以觀察到DTY染色后顏色差異明顯，這是因為纖維的上染率與纖維的內部結構有關，纖維的結晶度和取向度高，無定形區少，染料分子不容易上染，則纖維上染率低[12]，反之則上染率高；DTY絲條進行了不均勻拉伸，絲條沿軸向取向和結晶結構存在差異，因而同一根DTY絲條出現不同的吸色效應。

2.7 抗靜電性能

采用標準FZ/T 50035—2016《合成纖維長絲電阻試驗方法》分別對MOY及化學法再生抗靜電異型竹節滌綸DTY進行抗靜電性能測試，其結果如表4所示。

表4 MOY與DTY的體積比電阻Tab.4 Volume specific resistance of MOY and DTY

從表4可知，MOY與DTY平均體積比電阻分別為3.3×1011Ω·cm和3.9×1011Ω·cm，說明MOY的抗靜電劑含量不受后道拉伸影響，抗靜電性能基本保持不變。這是由于后道拉伸工藝完全是一個物理過程，而MOY中使用的有機抗靜電劑的熔點高于PET熔點，且后道拉伸變形溫度低于200 ℃，抗靜電劑的化學結構不會因加工溫度而發生變化，抗靜電劑含量不變，所以纖維的抗靜電性能基本保持不變。

3 結論

a. 以斷裂強度1.87 cN/dtex、斷裂伸長率為163.50%的化學法再生五波浪一字型截面抗靜電滌綸MOY為原料，采取特殊異拉伸加彈工藝，制備了斷裂強度為2.86 cN/dtex、斷裂伸長率為39.45%的抗靜電異形竹節再生滌綸DTY；DTY兼具橫向異截面、縱向異染等多異特性，DTY的平均體積比電阻為3.9×1011Ω·cm，具有良好的抗靜電性能。

b. 對MOY不均勻拉伸是通過自主研發的特殊異拉伸裝置來實現，通過對普通加彈設備改造，采用可編程控制器控制特殊異拉伸裝置達到對MOY的雙重不均勻拉伸。

c. 選擇斷裂伸長率150% ～ 170%的MOY為原料，具有良好的后加工性能，制備的DTY竹節效果好。

d. 采用特殊異拉伸裝置制備DTY是通過對常規DTY加工工藝進行優化，較佳工藝條件為：第一拉伸倍數為1.50～1.60，第二拉伸倍數為1.05，拉伸速度在648～781 m/min，第一熱箱溫度為138 ℃，第二熱箱溫度為120 ℃，網絡空氣壓力為0.15～0.20 MPa。