PBT彈性短纖維紡紗工藝研究

聞秀銀，陳海燕，路 廣，嚴 巖

(中國石化儀征化纖有限責任公司研究院，江蘇 儀征 211900)

聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)纖維是由精對苯二甲酸和1，4-丁二醇通過縮聚，再經熔融紡絲而制得的一種芳香族聚酯纖維[1-2]，其最突出的性能是具有優良的彈性和彎曲回復性，彈性回復率優于滌綸，其織物可隨外力大小的變化而發生膨脹和收縮，特別適用于制作游泳衣、連襪褲、訓練服、體操服等高彈性紡織品[3]。另外，PBT纖維在干、濕態條件下均具有特殊的伸縮性，且彈性不受周圍環境溫度變化的影響，價格遠低于氨綸。

PBT大分子鏈上的柔性部分較長，因而PBT纖維的回彈性高且蓬松度好[4]，這使得PBT短纖維紡紗較為困難。通常，彈性紗線是通過滌綸包覆氨綸來生產，但氨綸價格高，且多一道包覆工序的加工成本。目前采用PBT彈性短纖維紡紗成功的研究報道很少，公開的文獻以紗線的性能和織造研究較多。作者以1.56 dtex×38 mm PBT短纖維為原料，經開棉、梳棉、并條、粗紗和細紗工序制備線密度為155.7 dtex的紗線，研究了紡紗各工序的工藝參數對紗線性能的影響，這對于開發其他彈性短纖維紗線具有重要的借鑒意義。

1 實驗

1.1 原料

PBT短纖維：產品規格1.56 dtex×38 mm，主要質量指標見表1，中國石化儀征化纖有限責任公司生產。

表1 PBT短纖維主要質量指標Tab.1 Main quality indexes of PBT staple fiber

1.2 設備與儀器

TC5型清梳聯設備：特呂茨施勒紡織機械有限公司制；TD8型并條機：特呂茨施勒紡織機械有限公司制；JWF1415型粗紗機：經緯紡織機械股份公司制；JWF1516型細紗機：經緯紡織機械股份公司制；YG063T型單紗強力儀：陜西長嶺紡織機電科技有限公司制；ME100型條干儀：烏斯特技術有限公司制；YG172A型毛羽儀：陜西長嶺紡織機電科技有限公司制；LR10Kplus型萬能材料試驗機：威訊科技集團有限公司制。

1.3 PBT彈性短纖維紗線的制備

紡制PBT彈性短纖維紗線采用滌綸紡紗的基本工藝流程。首先將PBT彈性短纖維經清梳聯制成生條；再將生條進行一級并條、二級并條，充分拉伸消除生條中的彎鉤和卷曲，制得棉條；然后將棉條經拉伸、加捻紡制成合適捻系數和支數的粗紗，粗紗再經拉伸、加捻紡制成線密度為155.7 dtex的細紗，供下游用戶使用。

清梳聯工序主要工藝參數：出條速度100 m/min，額定壓力135 Pa，拉伸倍數103，定量4.5 ktex，錫林速度300 r/min，刺輥速度 700 r/min。

并條工序主要工藝參數：采用兩道并合，并合根數均為8根；一級并條后區拉伸倍數1.70，定量4.3 ktex；二級并條后區拉伸倍數1.35，定量4.2 ktex；一級并條和二級并條的羅拉輸出速度均為300 m/min。

粗紗工序主要工藝參數：捻系數85，錠翼理論轉速800 m/min，后區拉伸倍數1.25，粗紗線密度為420 dtex。

細紗工序主要工藝參數：理論錠速9 000 m/min，捻系數430，后區拉伸倍數1.15，2#鋼絲圈，定量148 dtex。

1.4 分析與測試

力學性能：按照GB/T 3916—2013《紡織品 卷裝紗 單根紗線斷裂強力和斷裂伸長率的測定(CRE法)》，采用YG063T型單紗強力儀測試紗線的斷裂伸長率和斷裂強力。

條干不勻率：采用ME100型條干儀測試棉條、粗紗和細紗的條干均勻度；棉條和粗紗的測試速度50 m/min，測試時間5 min；細紗的測試速度400 m/min，測試時間1 min。

1 mm毛羽數量：采用YG172A型毛羽儀進行測試，測試速度30 m/min，片段長度10 m，計算其1 mm毛羽根數。

沸水收縮率：按照GB/T 6505—2008《化學纖維 長絲熱收縮率試驗方法》測試。

彈性回復率：采用LR10Kplus型萬能材料試驗機測試，測試條件為彈性紗的夾持長度50 cm、拉伸速度50 mm/min、停留時間10 s、定伸長20%、循環拉伸60次。

2 結果與討論

2.1 清梳聯工藝

清梳聯機組由喂棉機、精開棉機和梳棉機組成。喂棉機對纖維初步混合并開松后輸送到精開棉機；精開棉機對纖維開松、去除大雜質；梳棉機對纖維進行梳理、去除小雜質并均勻混合后，制成符合要求的生條[5]。最初參照滌綸紡紗工藝，在額定壓力為170 Pa、輸出速度為120 m/min、拉伸倍數為80等工藝條件下進行試紡，但因棉網直徑(1.31 mm)較大，棉網太厚，無法生頭。棉網太厚是由于PBT短纖維比較蓬松，相同質量下，體積較大。由表2可知，通過工藝參數調整，在其他工藝條件不變的前提下，提高拉伸倍數至103，降低額定壓力至135 Pa，降低輸出速度至100 m/min，從而減小單位時間的輸送量，棉網直徑減小到正常值(0.97 mm)，同時降低輸出速度，制備生條時生頭由較難變易，直至穩定生產，得到質量較好的生條。

表2 清梳聯工藝參數及棉條質量Tab.2 Technological parameters of blowing carding unit and sliver quality

2.2 并條工藝

纖維經過清梳聯工序制成的生條已成為連續的半制品，但生條中有很多彎鉤和卷曲，且有部分纖維互相纏連，這樣的生條如果直接用來紡紗，會影響成紗的質量。并條是將多根棉條并合成一根棉條，主要作用是改善棉條的內部結構。因PBT短纖維具有回彈性，容易纏輥，并條過程中棉條輸出速度不宜高，當輸出速度設定為400 m/min時(滌綸短纖維一般輸出速度為400～450 m/min)，纏輥1次、斷頭2次；當輸出速度降低到300 m/min時，生頭容易且運行穩定。因此，在確定輸出速度為300 m/min的條件下，選擇一級并條和二級并條的后區拉伸倍數。

一級并條采用8根棉條喂入方式，在設定輸出速度為300 m/min、總拉伸倍數為8.61、定量為4.3 ktex的條件下，一級并條后區拉伸倍數對紡紗性能的影響見表3。

表3 一級并條后區拉伸倍數對紡紗工況及棉條質量的影響Tab.3 Effect of draw ratio in back zone of primary drawing on spinning condition and sliver quality

由表3可知，一級并條后區拉伸倍數越大，棉條條干不勻率越小、棉條斷裂強度越大。因為增大后區拉伸倍數可消除生條的后彎鉤更多，較大地改善生條的內在結構，所以選擇一級并條后區拉伸倍數為1.70的棉條進入二級并條工序。

二級并條采用前區拉伸倍數大、后區拉伸倍數小的分配方案，可以有效地加強主拉伸區壓力棒對慢速纖維的控制，提升纖維的伸直平行度及棉條的均勻性，但后區拉伸倍數不宜太小[6]。二級并條也采用8根棉條喂入，在設定輸出速度300 m/min、總拉伸倍數8.35、定量4.2 ktex的條件下，二級并條后區拉伸倍數對紡紗性能的影響見表4。從表4可知:當后區拉伸倍數取1.35時并條工況及棉條質量較佳，二級并條后的棉條的條干不勻率為2.17%；后區拉伸倍數為1.17和1.53時棉條的條干不勻率分別為2.20%和2.28%，棉條質量較差。

表4 二級并條后區拉伸倍數對紡紗工況及棉條質量的影響 Tab.4 Effect of draw ratio in back zone of secondary drawing on spinning condition and sliver quality

綜合考察，一級并條采用大的后區拉伸倍數、二級并條采用小的后區拉伸倍數，這樣的分配方案利于棉條充分地拉伸，提高纖維的伸直平行度和部分單纖維的分離度。

2.3 粗紗紡制工藝

粗紗工序是將棉條紡制成合適捻系數和支數的粗紗，供細紗工序使用。

2.3.1 總拉伸倍數對粗紗性能的影響

使用規格為4.2 ktex的棉條作為原料，在粗紗機上進行拉伸紡制粗紗，在設定錠翼理論轉速800 r/min、捻系數75、后區拉伸倍數1.20的條件下，討論了總拉伸倍數對粗紗性能的影響。從表5可知，粗紗線密度與總拉伸倍數成反比關系， 470 tex的粗紗質量最好，條干不勻率為3.97%，320 tex的粗紗質量最差，條干不勻率為4.67%?？紤]后面細紗規格152 dtex(約為38支)，參照滌綸紗粗紗線密度，選擇總拉伸倍數10.46紡制粗紗(線密度420 tex、條干不勻率4.21%)較為合適。

表5 總拉伸倍數對粗紗性能的影響Tab.5 Effect of total draw ratio on roving performance

2.3.2 后區拉伸倍數對粗紗性能的影響

粗紗經過后區拉伸后，紗條緊密，纖維間抱合力大，在拉伸區纖維變速點前移并集中而穩定、紗線條干好、細節少。在設定粗紗線密度420 tex、錠翼理論轉速800 r/min、捻系數75、總拉伸倍數10.46的條件下，討論了后區拉伸倍數對紡紗工況及粗紗性能的影響。從表6可知，后區拉伸倍數為1.15～1.30時，其對成紗性能影響較小。從條干不勻率指標看，后區拉伸倍數較小即1.15～1.25時粗紗質量較好。后區拉伸倍數較小時可以有效地加強前區主拉伸對纖維的控制，提升纖維的伸直平行度及棉條的均勻性[7]。

表6 后區拉伸倍數對紡紗工況及粗紗性能的影響Tab.6 Effect of draw ratio in back zone on spinning condition and roving performance

2.3.3 粗紗捻系數對成紗性能的影響

粗紗捻系數影響紗條的緊密度和成形。粗紗的捻系數越大，紗條緊密程度越高，纖維間抱合力越大，粗紗內部結構越完善、質量越均勻[8]。在設定粗紗線密度420 tex、錠翼理論轉速800 r/min、總拉伸倍數10.46、后區拉伸倍數1.25的條件下，討論了粗紗捻系數對其成紗性能的影響。從表7可知，隨著粗紗捻系數的增大，其成紗性能逐漸提高，條干不勻率逐漸下降，當捻系數為85時，粗紗條干不勻率4.12%，質量最佳。捻系數小，不利于粗紗成形和細紗工序中的拉伸控制；粗紗捻系數大，可提高粗紗的強度，改善條干均勻度，在細紗后區拉伸時減小細節段的伸長，還有利于減少成紗毛羽。因此，在粗紗紡制時選擇粗紗捻系數為85較好。

表7 粗紗捻系數對成紗性能的影響Tab.7 Effect of roving twist coefficient on yarn forming performance

2.4 細紗紡制工藝

紡紗中的最后一道工序是細紗工序，即將粗紗工序生產的半制品紡制成一定粗細且滿足用戶質量需求的細紗，供下游用戶使用。

2.4.1 總拉伸倍數對細紗性能的影響

使用試制的質量最佳的粗紗，在緊密紡條件下紡制細紗，設定理論錠速10 000 r/min、捻系數430、后區拉伸倍數1.15，不同總拉伸倍數下成品細紗主要性能見表8。由表8可知，總拉伸倍數大，紗線細，斷裂強度明顯小，條干不勻率明顯大，1 mm毛羽明顯增多，彈性回復率稍小。通過此組試驗可知，總拉伸倍數越小，成紗質量越好，反之則成紗質量越差。這是因為拉伸倍數越小、拉伸不勻程度越小，粗紗經過細紗后區拉伸后仍能保持較好的須條結構，成紗條干好、粗細節少，所以成紗斷裂強度和彈性回復率也高。斷裂伸長與強度有關聯，成紗強度越大，成紗斷裂伸長率會越大；反之亦然[5]。本實驗為了制備155.7 dtex細支紗，需選擇較高的總拉伸倍數即30.3。在一定范圍內，斷裂伸長越大，彈性回復率也越大。

表8 總拉伸倍數對細紗主要性能的影響Tab.8 Effect of total draw ratio on main properties of spun yarn

2.4.2 理論錠速對細紗性能的影響

使用質量最佳的粗紗紡制細紗，設定捻系數430、總拉伸倍數30.3、后區拉伸倍數1.15，不同理論錠速下成品細紗主要性能見表9。

表9 理論錠速對細紗主要性能的影響Tab.9 Effect of theoretical spindle speed on main properties of spun yarn

由表9可知，隨著理論錠速的提高，細紗斷裂強度、斷裂伸長率減小，條干不勻率、沸水收縮率逐漸增大。細線斷裂伸長率與紡紗錠速有關，錠速提高，紡紗張力隨著提高，細線的斷裂伸長率也隨之下降。在細紗線密度一定的前提下，錠速過高后1 mm毛羽增加，因為錠速提高，紗線與導紗鉤、鋼絲圈的接觸壓力增加，摩擦力增加，而且鋼絲圈的速度也隨之提高，使得鋼絲圈運轉不穩、紗線的離心力提高，纖維的尾端易從紗體中甩出來形成毛羽[9]。綜合考慮，理論錠速取9 000 r/min時細紗性能較佳。

2.4.3 捻系數對細紗性能的影響

使用質量最佳的粗紗紡制細紗，設定理論錠速9 000 r/min、總拉伸倍數30.3、后區拉伸倍數1.15，捻系數對細紗主要性能的影響見表10。由表10可知，隨著細紗捻系數的提高，紗線的條干不勻率及1 mm毛羽數都有減小的趨勢，在一定的拉伸條件下彈性回復率有升高趨勢。在生產實踐中，提高細紗的捻系數是有利于減少粗節、細節、小棉結和毛羽，但細紗捻系數的選擇最終取決于細紗品質和生產效率。因為捻系數過小，紗線容易產生毛羽、粗節、細節、棉結；捻系數過大，細紗手感發硬，細紗機生產效率降低。因此，兼顧細紗品質和生產效率，可適當提高細紗的捻系數，當捻系數達到430時產品質量已滿足要求，如果繼續提高捻系數勢必嚴重影響產量。

表10 捻系數對細紗主要性能的影響Tab.10 Effect of twist factor on main properties of spun yarn

2.4.4 后區拉伸倍數對細紗性能的影響

使用質量最佳的粗紗紡制細紗，設定理論錠速9 000 r/min、總拉伸倍數30.3、捻系數430，后區拉伸倍數對細紗主要性能的影響見表11。

表11 后區拉伸倍數對細紗主要性能的影響Tab.11 Effect of draw ratio in back zone on main properties of spun yarn

由表11可知，隨著細紗工序中后區拉伸倍數的增大，細紗條干不勻率及1 mm毛羽數均呈現先減小后增大的趨勢，沸水收縮率逐漸增大，彈性回復率變化趨勢不明顯。在細紗工序中，有許多毛羽在紗條離開前羅拉的時候就已經存在，因此要加強纖維在拉伸區的凝聚作用，減少拉伸對纖維的擴散作用，從而減少毛羽。一般情況下適當減小后區拉伸倍數，讓紗條留有一定的捻回進入前拉伸區，有利于防止纖維的過分擴散從而減少毛羽、細節、粗節及條干不勻率，但后區拉伸倍數太小使得前區拉伸倍數太大，造成拉伸不勻大，從而使得紗線質量下降。綜合考慮，后區拉伸倍數取1.15，細紗綜合性能較好。

3 結論

a.采用滌綸紡紗的基本工藝流程，以1.56 dtex×38 mm PBT彈性短纖維為原料，通過開棉、梳棉、并條、紡粗紗和紡細紗制備了線密度為155.7 dtex的PBT紗線。

b.在清梳聯工序其他工藝條件不變的前提下，提高拉伸倍數至103，降低額定壓力至135 Pa，降低輸出速度至100 m/min，棉網直徑減小到正常值0.97 mm，可得到質量較好的生條。

c.一級并條采用大的后區拉伸倍數，二級并條采用小的后區拉伸倍數，并條工況及棉條質量較佳。在一級并條后區拉伸倍數為1.70、二級并條后區拉伸倍數為1.35時，棉條的條干不勻率為2.17%。

d.在紡粗紗過程中，錠翼理論轉速800 r/min、總拉伸倍數10.46、后區拉伸倍數1.25、捻系數85時，生頭容易，無纏輥、斷頭，成形良好，粗紗質量最佳，條干不勻率為4.12%。

e.在紡細紗過程中，理論錠速9 000 r/min、總拉伸倍數30.3、捻系數430、后區拉伸倍數1.15時，細紗綜合性能較好，紗線斷裂強度2.66 cN/dtex、斷裂伸長23.4%、條干不勻率13.97%、沸水收縮率2.93%、1 mm毛羽100.0根、彈性回復率37.86%。