聚丙烯流變性能及中空纖維紡絲工藝研究

嚴(yán) 巖，聞秀銀

(1. 中國石化儀征化纖有限責(zé)任公司研究院，江蘇儀征 211900； 2. 江蘇省高性能纖維重點實驗室，江蘇儀征 211900)

填充纖維主要指充填被絮、墊絮、枕芯、服裝、玩具中的一種高蓬松、柔性、彈性的纖維材料，主要功能和特性是保暖、蓬松、彈性、質(zhì)輕和衛(wèi)生[1-2]。填充纖維主要有滌綸、羽絨棉、丙綸三種，其中滌綸用量最大。目前滌綸填充纖維產(chǎn)品纖度通常為3～20 dtex，具有三維卷曲和蓬松性；3 dtex以下細旦滌綸填充料手感柔軟，但很難制備出中空產(chǎn)品，缺乏蓬松和回彈性。

本文利用聚丙烯紡絲原料，研究原料性能及細旦中空聚丙烯制備工藝，制備1.33 dtex細旦中空丙綸填充纖維，兼具蓬松性、柔軟性和保暖性，同時還有輕型、衛(wèi)生、無有害物質(zhì)滯留利擴散、耐洗滌、不蟲蛀霉變等特性[3-4]，以代替細旦滌綸填充料用于服用、家紡用填充纖維。

1 試 驗

1.1 原料

本實驗所用原料及物性指標(biāo)如表1所示。

表1 試驗原料

1.2 儀器設(shè)備

本實驗所用儀器設(shè)備如表2所示。

表2 試驗儀器設(shè)備

1.3 實驗過程

1.3.1 紡絲

使用熔指15 g/10 min和25 g/10 min的聚丙烯進行中空聚丙烯纖維紡絲研究。進料螺桿和熔體管道溫度270 ℃，紡絲箱體溫度為270 ℃。紡絲組件為24 f中空噴絲板，噴絲孔長0.8 mm，2C和3C兩種；均裝砂60～80目100 g，預(yù)熱290 ℃，紡絲速度為1 100 m/min。

1.3.2 牽伸

牽伸水浴槽(DB槽)溫度：65 ℃；二牽蒸汽熱箱溫度：85 ℃；三牽六輥溫度：70～90 ℃；緊張熱定型溫度：90 ℃；SE松弛鏈板溫度：60 ℃/70 ℃/70 ℃。牽伸倍率3.6倍。

1.4 分析測試

流變性能測試：將聚丙烯進行熔體流變性能測試，毛細管流變儀表觀剪切速率為250～10 000 s-1，溫度245～275 ℃，毛細管口模直徑1 mm，長徑比L/D=16，入口角90°。

纖維力學(xué)性能測試：根據(jù)GB/T 14344—2022《化學(xué)纖維 長絲拉伸性能試驗方法》測試力學(xué)性能，根據(jù)GB-T 14337—2008《化學(xué)纖維短纖維拉伸性能試驗方法》測試短纖維力學(xué)性能。

中空度測試：采用剪紙稱重法，在厚薄均勻的白紙打印纖維截面照片，用剪刀剪裁纖維截面，稱重計為G，再剪裁出中空部分，稱重記為G1，中空度即為W=(G1/G)×100%。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚丙烯流變性能

式中K為流體稠度系數(shù)，n為非牛頓指數(shù)。當(dāng)n=1時，方程即為牛頓流體黏度方程，K即為流體黏度。因非牛頓流體的n≠1，故仿照牛頓流體的黏度表達，可改寫為如下：

圖1 聚丙烯熔體表觀黏度隨剪切速率的變化關(guān)系

2.1.1 熔體非牛頓指數(shù)n

圖2 聚丙烯熔體的關(guān)系

表3 聚丙烯熔體的非牛頓指數(shù)n

2.1.2 熔體結(jié)構(gòu)黏度指數(shù)Δη

熔體的結(jié)構(gòu)黏度指數(shù)Δη是評價可紡性的一個重要指標(biāo)，其定義式如下：

圖3 聚丙烯熔體的lgηa-γ1/2關(guān)系

表4 聚丙烯熔體的結(jié)構(gòu)黏度指數(shù)Δη

2.1.3 熔體黏流活化能ΔEa

熔體黏流活化能ΔEa是描述熔體黏度-溫度依賴性的物理量，對紡絲溫度調(diào)節(jié)具有重要的參考作用。高分子熔體的宏觀流動本質(zhì)上是由其鏈段的相繼蠕動躍遷來實現(xiàn)的，因此其熔體黏度ηa與溫度的關(guān)系和小分子流體具有相似性，都遵循Arrhenius定律，可表達為如下公式：

η=AeΔEη/RT

其中A為常數(shù)，R為氣體常數(shù)，8.314 J/(mol·K)，T為熔體溫度,K。因此以lnηa對1/RT作圖，由線性擬合獲得的斜率值可計算出Ea。圖4為PP熔體在不同剪切速率下的lnηa-1/RT關(guān)系，可以看出線性關(guān)系良好，經(jīng)擬合計算獲得的Ea值列于表5。

圖4 聚丙烯熔體的lnηa-1/RT關(guān)系

表5 聚丙烯熔體的黏流活化能ΔEa值

從表5可以看出，兩種熔體的黏流活化能均隨著剪切速率的增大而減小，即在高剪切速率下，熔體黏度受溫度的影響較小，這主要是因為熔體在高剪切速率作用下，內(nèi)部高分子所形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的解纏結(jié)趨勢大于其重組，進而減小了鏈段遷移的阻力。ΔEa值較小，表觀黏度受溫度的影響小，高剪切速率下，ΔEa值更小，表觀黏度受溫度影響更小。

2.2 紡絲成形影響因素研究

2.2.1 聚丙烯熔指對紡絲成形影響

使用3C孔型中空噴絲板，研究熔指大小對纖維成形的影響。原絲指標(biāo)如表6所示。

表6 不同熔指原絲指標(biāo)

圖5 不同熔指原絲截面顯微鏡照片(放大倍數(shù)200倍)

通過剪紙稱重法計算出1#聚丙烯纖維中空度17.5%，2#聚丙烯纖維中空度14.8%。熔指小的聚丙烯，熔體黏度大，纖維強度大，中空度高。熔體黏度小，熔體出噴絲孔后膨化現(xiàn)象大大降低，熔體形變阻力下降，表面張力也隨之下降，使熔體細流產(chǎn)生表面萎縮，從而使空腔部分變小，所紡纖維中空度降低；熔體黏度大，熔體形變阻力和表面張力大，有利于中空的形成[5]。

2.2.2 風(fēng)速對紡絲成形的影響

使用熔指15 g/10 min聚丙烯，2C和3C孔型中空噴絲板，研究冷卻風(fēng)速對纖維成形的影響。原絲指標(biāo)如表7所示。

表7 原絲力學(xué)指標(biāo)

冷卻風(fēng)速對丙綸纖維力學(xué)性能影響較大，提高冷卻風(fēng)速，纖維強度和伸長率均變大，牽伸性能變好。快速冷卻條件下，原絲易形成不穩(wěn)定的β型晶體結(jié)構(gòu)，伸長率高，有利于后牽伸處理；冷卻速率慢，易形成穩(wěn)定的α型晶體結(jié)構(gòu)，不利于牽伸[6-7]。

圖6 不同風(fēng)速制備原絲截面顯微鏡照片(放大倍數(shù)200倍)

冷卻風(fēng)速1.5 m/s，纖維中空度17.5%，冷卻風(fēng)速0.5 m/s，纖維中空度15.2%。提高冷卻風(fēng)速，中空度略大。風(fēng)速對熔體細流與周圍空氣的換熱效果影響較大，風(fēng)速提高，熔體細流的固化速率加快，使得在紡程上形成的空腔部分來不及萎縮而快速固化，形成中空纖維內(nèi)空腔，所紡纖維中空度高[8]。

2.2.3 噴絲孔結(jié)構(gòu)對紡絲成形影響

原絲力學(xué)指標(biāo)如表8所示，纖維截面照片如圖7所示。

圖7 不同噴絲板原絲截面顯微鏡照片(放大倍數(shù)200倍)

表8 不同孔型原絲指標(biāo)

不同孔型紡制纖維的強度和伸長率變化較小，說明中空噴絲孔結(jié)構(gòu)對力學(xué)指標(biāo)影響較小。3C噴絲板紡制纖維中空度17.5%，2C噴絲板紡制纖維中空度13.4%。3C噴絲板紡制纖維空腔呈三角形狀，支撐性好，中空度略大。2C噴絲板紡制纖維呈橄欖球狀，熔體出噴絲板后易變形，導(dǎo)致中空度下降，纖維中空結(jié)構(gòu)變差。

2.3 纖維填充性能評價

使用15 g/10 min聚丙烯原料、1.5 m/s側(cè)吹風(fēng)、3C噴絲孔紡制1.33 dtex細旦中空聚丙烯短纖維，使用該丙綸短纖維開松充枕，使用350 g中空聚丙烯短纖維與550 g 1.33 dtex填充型滌綸短纖維充枕高度相當(dāng)，聚丙烯短纖維填充量少，有一定的三維卷曲效果，蓬松性能較好。聚丙烯短纖維具有填充用量小，體積大，重量輕的優(yōu)點。

表9 聚丙烯纖維與滌綸充枕高度比較

3 結(jié) 論

a) 聚丙烯非牛頓特性較高，表觀黏度受剪切速率的影響大。非牛頓指數(shù)及結(jié)構(gòu)化程度隨溫度變化不大，可紡性及紡絲穩(wěn)定程度較好。黏流活化能較小，表觀黏度受溫度的影響小。

b) 使用較高黏度的聚丙烯，熔體形變阻力和表面張力大，有利于中空結(jié)構(gòu)的形成；提高冷卻風(fēng)速，冷卻速率快，原絲易形成不穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，纖維伸長率高，有利于牽伸，且中空度較大；使用3C孔型噴絲板有利于纖維中空結(jié)構(gòu)形成，提高纖維中空度。

c) 與1.33 dtex滌綸填充短纖維相比，中空聚丙烯纖維蓬松性能較好，填充使用量小。