切片紡超高強滌綸短纖維生產工藝探討

毛 緒 國

(中國石化儀征化纖有限責任公司，江蘇 儀征 211900)

隨著紡織技術的高速發展，滌綸短纖維產品的應用越來越廣泛，但對其性能的要求也越來越高。目前滌綸短纖維工業化裝置規模生產的1.33 dtex滌綸短纖維單纖維斷裂強度最高為6.5 cN/dtex，而超高強縫紉線、軍用作訓服等產品因加工及使用的要求希望纖維的單絲強度高于常規高強滌綸短纖維，一般要求使用的滌綸短纖維斷裂強度達到7.0 cN/dtex以上[1]。

1 試驗

1.1 原料

不同[η]的PET切片常規性能見表1。其中，PET-1為中國石化儀征化纖股份公司生產的半消光切片，PET-2及PET-3是PET-1通過固相增黏自制的切片。

表1 PET切片的常規性能Tab.1 Conventional properties of PET chips

1.2 設備與儀器

小型紡絲試驗機：北京中麗制機工程技術有限公司制；DT型牽伸機：自制；7 500 t/a切片紡絲加工機：前紡設備由上海二紡機股份有限公司制造，后紡設備由鄭州紡織機械股份有限公司制造；FAFEGRAPH-M型短纖維強力拉伸儀：德國Textechna公司制；SCY-III型纖維取向度儀：東華大學制；D/MAX-2550PC型廣角X射線衍射儀：日本Rigaku公司制。

1.3 試驗方法

1.3.1 不同[η]的PET切片的可紡性實驗

在小型紡絲試驗機上模擬滌綸短纖維工業化生產裝置，對不同[η]的PET切片進行紡絲實驗，按照滌綸短纖維的紡絲速度制備初生絲(UDY)，將制得的UDY在自制DT型牽伸機上進行熱拉伸制備滌綸拉伸(DT)絲。工藝條件如下：噴絲板直徑115 mm、孔數48、噴絲孔0.25 mm ×0.5 mm，組件壓力 10.0～18.0 MPa；側吹風溫度20～25 ℃，紡絲溫度290～305 ℃，紡絲速度1 000～1 300 m/min；牽伸輥的線速度580 m/min，牽伸輥溫度分別為95，95，195 ℃。

1.3.2 切片紡超高強滌綸短纖維試生產

首先，將PET切片進行預結晶、干燥；然后，干燥后的PET切片進入螺桿擠出機熔融、經熔體過濾器過濾后進入紡絲箱體，再經噴絲孔擠出絲條；最后，絲條經環吹風冷卻、油輪上油、卷繞、落桶。主要工藝條件如下：噴絲板直徑328 mm、孔數3 064、噴絲孔0.228 mm×0.30 mm；正常紡絲組件壓力9～12 MPa，最大承受壓力18 MPa；環吹風溫度21～25 ℃，紡絲速度1 000～1 300 m/min。

1.4 分析與測試

線密度：將纖維束捋直，在能消除卷曲所需的最小張力下，用切斷器在纖維束的中部切下20 mm長度，數350根稱重，計算纖維線密度。

斷面不勻率：纖維制成截面切片，在40倍的顯微鏡下，4個視野中找10 個最大直徑和10個最小直徑，分別計算平均值，最大直徑平均值與最小直徑平均值的比值即為斷面不勻率。

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倍半伸長率(EYS1.5)：EYS1.5是指當所承受的應力為本身屈服應力的1.5倍時原絲的應變。采用纖維強力拉伸儀(帶記錄儀)進行測試。

力學性能：采用FAFEGRAPH-M型短纖維強力拉伸儀測試，拉伸速度10 mm/min。

取向度：采用SCY-III型纖維取向度儀測試。纖維中的大分子鏈的取向用赫爾曼取向因子(f)來表征[2]，按式(1)計算。

(1)

式中：Cu為纖維無定形區的聲速值，常規PET纖維取1.35 km/s；C為纖維試樣的聲速值。

結晶度：將纖維試樣剪細壓片后，在D/MAX-2550PC型廣角X射線衍射儀上進行測試，CuKα靶，40 kV，200 mA，掃描衍射角(2θ)為5°～60°，掃描速度為10(°)/min。由儀器自帶的軟件對X射線衍射曲線進行分峰處理，以確定晶區和非晶區衍射曲線，采用衍射曲線的面積比(β)來表征纖維試樣的結晶度。

2 結果與討論

2.1 不同[η]的PET切片的可紡性

從表2可知，對PET-1、PET-2、PET-3進行紡絲，切片的[η]提高，大分子鏈段增長，在噴絲孔中纏結增多，需要較高紡絲溫度，以改善熔體的流動性能，但隨著紡絲溫度的增高，大分子熱降解增多，熔體的黏度降(Δ[η])增大，紡絲困難。

表2 不同PET切片的紡絲狀況Tab.2 Spinning status of different PET chips

實驗中還發現，對PET-3切片進行紡絲，當紡絲溫度為295 ℃時，組件壓力達 16.8 MPa，初生絲卷繞成形困難；當紡絲溫度升高到300 ℃，組件壓力降到 14.9 MPa，紡絲時可以勉強升頭，得到的UDY拉伸性能很差，后拉伸不能正常進行。說明高聚物分子鏈越長，噴絲孔中的流體內彈性形變能量越高，當達到與克服粘滯阻力所需的流動能量相當時，發生了熔體破裂現象[3]。

從表3可看出，采用PET-2、PET-3切片制備的纖維斷裂強度比PET-1常規切片制備的纖維斷裂強度都有增加，PET-2切片制備的纖維斷裂強度比PET-1常規切片制備的纖維斷裂強度增加13.6%，但PET-3切片制備的纖維斷裂強度相比PET-2切片制備的纖維斷裂強度并沒有增加。這主要是由于PET-3切片的[η]高，需要更高的紡絲溫度，否則出現熔體破裂現象，但紡絲溫度提高，大分子降解嚴重；另外，高[η]的PET-3切片制備的UDY中，大分子纏結多，必須經過充分拉伸，才能提高成品纖維的強度。

表3 不同[η]的PET切片制備的DT絲的力學性能Tab.3 Mechanical properties of DT yarn prepared from PET chips with different[η]

工業化生產滌綸工業絲使用[η]為1.0 dL/g以上的PET切片，采用高溫、高壓生產工藝，后加工要經過三道拉伸，才能使大分子鏈充分伸展，以達到高強度的要求；但常規滌綸短纖維裝置后拉伸只有兩道拉伸，難以使大分子鏈充分伸展，因而選擇[η]太高的PET熔體生產超高強滌綸短纖維不現實。綜合考慮，采用[η]與PET-2相近的切片，在常規產品生產工藝基礎上調整工藝參數，生產超高強滌綸短纖維。

2.2 切片紡超高強滌綸短纖維試生產工藝條件

采用PET-2切片在7 500 t/a切片紡滌綸短纖維裝置上試生產超高強滌綸短纖維，并與采用PET-1切片生產常規滌綸短纖維的主要設備和工藝參數進行對比，結果見表4。

表4 不同PET切片試生產滌綸短纖維主要設備和工藝參數 Tab.4 Main equipment and process parameters for trial production of PET staple fiber from different PET chips

為了盡可能減少高聚物降解，又能確保熔體正常流動，必須選擇合適的螺桿溫度和熔體輸送管道溫度。PET-1切片生產時螺桿各區溫度分別為290，290，292，292，292，291 ℃；考慮到PET-2切片的[η]高，螺桿各區溫度設定為290，290，295，295，295，295 ℃，試生產時從螺桿第2區開始各區溫度顯示超過設定值，分別為290，395，303，301，301，300，并且螺桿電流增大。這是因為PET-2切片的[η]較高，PET-2切片紡絲時比PET-1切片紡絲時所需螺桿輸出功率增大，動能轉化成熱能多，導致熔體的溫升增大，顯示出螺桿各區溫度超過設定值。另外，熔體過濾器壓差增大，主要是由于PET-2切片的[η]高，高聚物的分子鏈變長，纏結增多，流動單元變大。

PET-2切片紡絲時，調整紡絲箱體溫度296～300 ℃，此溫度下出噴絲孔的絲條流動穩定，無側彎、無注頭；環吹風溫度23 ℃未做調整，風量上調5%，絲條在甬道運行平穩，無并絲現象。從表5可知，PET-2初生纖維的斷面不勻率為1.21%，生產狀況良好。實踐表明，初生纖維斷面不勻率小于等于1.25%，則說明生產狀況良好。

表5 PET-2初生纖維的生產監控指標Tab.5 Production monitoring index of as-spun PET-2 fiber

EYS1.5表征初生纖維的拉伸性能，其影響因素包括熔體[η]、熔體溫度、冷卻風溫度、紡絲速度等，主要影響因素是熔體[η]和紡絲速度?？紤]到調整紡絲速度會對生產負荷和整個設備的控制系統及安全性能產生影響，試驗時紡絲速度不作調整。從表6可知，PET-1、PET-2切片的[η]不同，所生產的初生纖維的EYS1.5 明顯不同，但均有較好的拉伸性能。

表6 不同PET初生纖維的EYS1.5Tab.6 EYS1.5 of different as-spun PET fibers

高聚物拉伸時，在玻璃化轉變溫度至黏流溫度范圍內，取向度隨著拉伸比的增加而增大[4]，拉伸加工過程中，盡量提高拉伸倍數，通過高倍拉伸，提高纖維中非晶區取向度。對于不同相對分子質量的初生纖維，在相同的拉伸溫度下，最大拉伸倍數隨著相對分子質量的提高有所下降，斷裂強度有所上升；要以相同的拉伸倍數進行拉伸，必須相應地提高拉伸溫度[5]。PET-2切片的[η]高，分子鏈長、纏結增多，拉伸溫度相同時，PET-2初生纖維的可拉伸倍率將低于常規PET-1初生纖維。

滌綸短纖維的第一道拉伸通常在水浴中進行，由于水的塑化效應，試生產時水溫略微偏低控制。初生纖維在拉伸過程中，牽伸輥表面出現毛絲或產生纏輥，說明少量纖維在拉伸時被拉斷，纖維被拉斷的斷頭端在切斷工序將會產生超長、倍長纖維，影響纖維紡紗的可紡性。對PET-2初生纖維拉伸工藝調整中，分別控制水浴拉伸溫度55，58，70 ℃，調整一級拉伸倍數分別為3.07，3.12，3.17，3.20，3.23，3.24，二級拉伸倍數分別為1.10，1.18，1.20進行試驗。試驗表明，在水浴拉伸溫度為70 ℃、總拉伸倍數為3.878時，生產穩定，達到PET-1初生纖維常規拉伸運行狀態，但繼續提高拉伸倍數，則毛絲和纏輥增多，生產穩定性下降。

高聚物結晶取決于晶核的生成和晶體的生長[6]。成核在較低溫度下發生，因為溫度過高，分子熱運動加快，晶核容易被破壞；隨著溫度的升高，鏈段活動增強，晶體的生長速率增大。高聚物的結晶速率-溫度曲線呈單峰形，在某一適當溫度下，結晶速率出現極大值，PET在180～190 ℃時結晶速率達到最大值[5]。滌綸短纖維裝置第二級拉伸后五輥和緊張定型輥主要起熱定型作用。PET-2初生纖維拉伸后的熱定型過程中，提高加熱蒸汽壓力，將定型溫度從常規生產的180 ℃提高到185 ℃，可以提高纖維的結晶度。

通過調整拉伸定型工藝，試生產的超高強滌綸短纖維的超分子結構與力學性能見表7。

表7 超高強滌綸短纖維的超分子結構與力學性能Tab.7 Super molecular structure and mechanical properties of ultrahigh-strength polyester staple fiber

從表7可以看出，纖維的結晶度和非晶區取向有所增大，斷裂強度由調整前的6.58 cN/dtex提高到7.02 cN/dtex，達到了預期目標。

使用PET-2切片試生產超高強滌綸短纖維，連續運行72 h，生產運行穩定，纖維的超長、倍長、疵點等關鍵指標均達到了優等品指標，使用此超高強滌綸短纖維(80%)與棉(20%)混紡紗制成的面料達到了高強滌綸(60%)/維綸(20%)/棉(20%)混紡紗面料的耐磨性能。

3 結論

a. 可紡性實驗表明，相比PET-1常規切片，PET-2切片的[η]提高0.061 dL/g，制備的纖維斷裂強度增加13.6%，繼續提高PET切片的[η]，紡絲困難。采用[η]為0.731 dL/g的PET-2切片，在工業化滌綸短纖維生產工藝基礎上調整工藝參數，生產超高強滌綸短纖維具有可行性。

b. 使用[η]為0.731 dL/g的PET-2切片在7 500 t/a切片紡工業化滌綸短纖維裝置上試生產超高強滌綸短纖維，主要提高紡絲螺桿溫度至290～295 ℃、箱體溫度至296～300 ℃，初生纖維斷面不勻率小于等于1.21%，紡絲狀況良好；調整水浴拉伸溫度70 ℃，總拉伸倍數3.878，定型溫度185 ℃，生產的纖維結晶度和非晶區取向有所增大，纖維斷裂強度達7.02 cN/dtex，達到了超高強的要求。