熔體直紡高強超低熱收縮尼龍66纖維生產工藝探討

謝 巧 麗

(神馬實業股份有限公司，河南 平頂山 467000)

尼龍66 纖維因強度高、回彈性好、耐疲勞、耐熱性及耐磨性優異，在工業上廣泛用于制造輪胎簾子布、降落傘布、安全氣囊、傳送帶、帳篷、漁網等[1-2]。近年來，細旦尼龍66纖維在高速縫紉線、工業用織物等新應用領域的需求不斷增加，這些應用領域要求尼龍66纖維具有高強度，且必須保持良好的尺寸穩定性。纖維在高溫狀態下的熱收縮率是衡量其尺寸穩定性的重要技術指標，常規細旦尼龍66纖維斷裂強度在7.0 cN/dtex以上，熱收縮率在6%～10%；而高強超低熱收縮尼龍66纖維斷裂強度要求在7.5 cN/dtex以上，干熱收縮率要求在4%以下。

目前工業上主要采用切片紡工藝生產高強超低熱收縮尼龍66纖維，以尼龍66切片為原料進行固相聚合，之后再進行紡絲、拉伸、熱定型，生產出全拉伸絲[3-4]。該技術存在能耗高、產品批次間不勻率大等問題。作者采用一步法連續聚合熔體直紡新工藝，通過對尼龍66聚合物相對黏度、紡絲溫度、上油率、拉伸及熱定型工藝等關鍵技術的優化，生產的高強超低熱收縮尼龍66纖維斷裂強度高達8.1 cN/dtex，干熱收縮率低至3.8%，生產過程穩定，產品A級品率高達90%。

1 試驗

1.1 主要原料

尼龍66鹽液：質量指標見表1，神馬尼龍化工有限責任公司產。

表1 尼龍66鹽液的質量指標Tab.1 Quality index of nylon 66 salt solution

1.2 主要設備及儀器

連續聚合設備、紡絲箱、側吹風裝置、拉伸機：日本旭化成株式會社制；卷繞機：ASW Baby-604型，德國Barmag公司制；AVL-4C型自動黏度儀：SAN DENSHI IND.CO.LTD制；QTY-1型強力機：日本島津公司制；MK-V型干熱收縮測定儀：英國Testite公司制；YG086型測長儀：常州紡電儀器有限公司制。

1.3 高強超低熱收縮尼龍66纖維的生產

采用一步法連續聚合熔體直紡生產高強超低熱收縮尼龍66纖維。首先，將質量分數52.8%的尼龍66鹽液在140 ℃高溫狀態下加熱濃縮100 min，得到高濃度尼龍66鹽液；之后，高濃度尼龍66鹽液在反應器中高溫高壓預聚120 min，完成預聚脫水，然后在聚合器中依次進行高溫常壓聚合55 min、負壓聚合35 min，縮聚過程中形成的水分在真空條件下逐步脫去，并通過提高真空度使聚合反應平衡不斷向右移動，進一步提高聚合物的黏度，得到尼龍66聚合物熔體；最后，熔體經過熔體增壓泵輸送至紡絲箱，經紡絲、冷卻、上油、拉伸、熱定型、卷取，得到222 dtex /34 f高強超低熱收縮尼龍66纖維，生產工藝流程見圖1。

圖1 高強超低熱收縮尼龍66纖維生產工藝流程Fig.1 Production process of high-strength ultralow-thermal shrinkage nylon 66 fiber

1.4 分析與測試

相對黏度：稱取一定量的尼龍66聚合物溶解于90%的甲酸溶液，將溶液加入AVL-4C型自動黏度測定儀中，測定聚合物的相對黏度。

線密度：根據FZ/T 54055—2012《縫紉線用錦綸66牽伸絲》，采用YG086型測長儀測定。

強伸度：根據FZ/T 54055—2012《縫紉線用錦綸66牽伸絲》，采用QTY-1型強力機測定。

干熱收縮率：根據FZ/T 54055—2012《縫紉線用錦綸66牽伸絲》，采用MK-V型干熱收縮測定儀測試。

染色均勻度：根據FZ/T 50008—2015《錦綸長絲染色均勻度試驗方法》，采用灰卡判定。

2 結果與討論

2.1 尼龍66聚合物相對黏度

聚合物的相對分子質量是其最基本的結構參數之一，在工業生產中通常采用相對黏度表征聚合物相對分子質量的大小，高聚物的相對分子質量越大，其相對黏度就越大。聚合物的相對黏度對其紡絲性能及纖維質量有直接影響。隨著聚合物相對黏度的升高，纖維的拉伸性能提高，機械強度也隨之提高，但相對黏度過高，熔體在管道中流動不均勻，初生纖維拉伸時易產生毛絲、斷頭，造成紡絲困難[5]；相對黏度過低，熔體從噴絲板噴出后，難以形成持續不斷的細流，致使紡絲無法進行。因此，在生產中必須將聚合物相對黏度控制在合適范圍之內。從表2可知，在生產222 dtex/34 f高強超低熱收縮尼龍66纖維時，將聚合物相對黏度控制在77～79時，紡絲過程穩定，纖維拉伸性能好，有利于后續纖維強度的提高。

表2 聚合物相對黏度對可紡性的影響Tab.2 Effect of relative viscosity on spinnability of polymer

2.2 紡絲溫度

高聚物熔體黏度對溫度變化非常敏感，紡絲溫度升高，大分子活動性增加，分子鏈之間纏結降低，熔體黏度降低，流動性能增加。但是，紡絲溫度過高將導致聚合物熱降解，在纖維生產中會導致絲餅發黃甚至出現黑圈絲，可紡性變差；紡絲溫度較低時，高聚物熔體黏度會有所提高，流動性變差，不利于后續的噴絲及拉伸過程，纖維生產中容易出現毛絲、斷頭。因此，為了保證紡絲順利進行，必須控制好紡絲溫度即紡絲箱溫度。由表3可知，通過對紡絲箱溫度進行試驗，將紡絲箱溫度由(300±2)℃開始降溫，當紡絲箱溫度為(300±2)℃時，熔體相對黏度較高，斷絲次數少，因此，確定合適的紡絲溫度為(300±2)℃。

表3 紡絲溫度對熔體黏度及斷絲次數的影響Tab.3 Effect of spinning temperature on melt viscosity and yarn breakage number

2.3 上油率

尼龍66纖維上油率過低，纖維容易起靜電，纖維間抱合力差，與設備零件的摩擦力較大，不利于后面的卷繞和后加工；但上油率過高不僅會增加油劑消耗，導致擦輥周期變短，同時絲束表層附著過多的油劑亦會導致纖維在拉伸輥表面打滑，起不到拉伸作用致使纖維強力下降。因此，為使纖維能夠順利拉伸，必須確定合適的上油率。

由表4可以看出：當上油率為0.55%時，紡絲時每班斷絲次數較多，產品A級品率為83%；當上油率為0.80%時，紡絲時每班斷絲次數較少，且產品A級品率高達90%；當上油率進一步增加至1.20%時，每班斷絲次數反而增高，產品A級品率也降低。因此，根據試驗確定合適的上油率為(0.80±0.10)%。

表4 上油率對生產及產品質量的影響 Tab.4 Effect of oil pick-up on product quality and production

2.4 拉伸倍數

高強超低熱收縮纖維要求纖維強度高，且具有足夠低的干熱收縮率。工業生產中為了提高纖維的強度，最有效的方法是提高拉伸倍數，隨著拉伸倍數的提高，纖維分子的取向度增大，纖維強度增加；但拉伸倍數過高，容易發生斷絲，致使紡絲中斷，而且隨著纖維大分子取向度增加，發生取向的非晶區分子鏈段在受熱時更容易發生卷曲，進而影響到纖維的尺寸穩定性。從圖2可知，隨著拉伸倍數的提高，纖維的斷裂強度和干熱收縮率都有升高的趨勢。因此，兼顧纖維高強力與超低熱收縮性能，選擇合適的拉伸倍數為5.40±0.10。

圖2 拉伸倍數對尼龍66纖維斷裂強度和干熱收縮率的影響Fig.2 Effect of draw ratio on breaking strength and dry-hot shrinkage of nylon 66 fiber

2.5 熱定型溫度和松弛比

2.5.1 熱定型溫度

經過高倍拉伸后的纖維內部超分子結構已經基本形成，但是纖維內部存在著不均勻的應力，纖維內的結晶結構也有很多缺陷，為了增加纖維的尺寸穩定性，必須通過松弛熱定型使纖維內部結構舒解重建，消除內應力，使纖維內部較不穩定的結構轉變為穩定度較高的結構。從圖3可以看出：熱定型溫度由180 ℃提高至220 ℃時，纖維的斷裂強度由6.82 cN/dtex增加至8.10 cN/dtex；當熱定型溫度高于220 ℃時，隨著溫度的提高，纖維的斷裂強度呈現下降趨勢；纖維的干熱收縮率隨著熱定型溫度的升高而降低，這可能是由于隨著熱定型溫度升高，分子鏈段運動能力增強，這有助于原有結構破壞并重建，消除內應力[6]，但溫度過高使纖維解取向程度增大，纖維強度下降。因此，兼顧纖維高強力與低熱收縮性能，在紡制222 dtex/34 f高強超低熱收縮尼龍66纖維時，合適的熱定型溫度為210～220 ℃。

圖3 熱定型溫度對尼龍66纖維斷裂強度與干熱收縮率的影響Fig.3 Effect of heat setting temperature on breaking strength and dry-hot shrinkage of nylon 66 fiber

2.5.2 松弛比

從圖4可以看出，隨著松弛比提高，尼龍66纖維的干熱收縮率升高。但若松弛比過低，絲條在拉伸輥表面劇烈跳動，絲束不穩易造成斷絲，可紡性變差。綜合考慮，在紡制222 dtex/34 f高強超低熱收縮尼龍66纖維時，在保證可紡性良好的情況下為得到超低熱收縮纖維，選擇合適的松弛比為0.88～0.92。

圖4 松弛比對尼龍66纖維干熱收縮率的影響Fig.4 Effect of relax ratio on dry-hot shrinkage of nylon 66 fiber

2.6 較佳生產工藝條件和產品質量

經過對聚合物相對黏度、紡絲溫度、上油率、拉伸倍數、熱定型溫度及松弛比等工藝參數的優化，得出222 dtex/34 f高強超低熱收縮尼龍66纖維的較佳生產工藝條件見表5，在較佳工藝條件下實現了穩定生產，產品A級品率達90%，產品主要質量指標見表6。

表5 222 dtex/34 f高強超低熱收縮尼龍66纖維較佳生產工藝條件Tab.5 Rational production process conditions of 222 dtex/ 34 f high-strength ultralow-thermal shrinkage nylon 66 fiber

表6 222 dtex/34 f高強超低熱收縮尼龍66纖維主要質量指標Tab.6 Quality index of 222 dtex/ 34 f high-strength ultralow-thermal shrinkage nylon 66 fiber

3 結論

a. 采用連續聚合熔體直紡技術，通過對紡絲、拉伸、熱定型各工序工藝條件的優化，可以實現高強超低熱收縮尼龍66纖維的穩定生產。

b. 控制尼龍66聚合物相對黏度在77～79，選擇紡絲溫度298～302 ℃、上油率(0.80±0.10)%、拉伸倍數5.40±0.10、熱定型溫度210～220 ℃、松弛比0.88～0.92，生產222 dtex/34 f高強超低熱收縮尼龍66纖維時生產過程穩定，纖維斷裂強度高達 8.1 cN/dtex，干熱收縮率低至3.8%，產品A級品率達90%。