PTT短纖維工藝改進研究

聞秀銀，路 廣，嚴 巖

(中國石化儀征化纖有限責任公司，江蘇儀征 211900)

PTT是由對苯二甲酸(PTA)和1,3丙二醇(PDO)縮聚而成。由于PDO的引入，使得纖維結構上有了一個亞甲基-CH2-，從而纖維呈螺旋狀，這就是PTT纖維具有彈性的原因[1]。PTT纖維性能優異，兼有滌綸、錦綸、腈綸的特性，不僅防污性能好，還具有易于染色、手感柔軟、富有彈性、色牢度好、耐紫外線、耐臭氧、吸水率低、干爽、挺括的特性[2]。與彈性纖維氨綸相比更易于加工，非常適合紡織服裝面料。

但PTT短纖維伸長較大、強度較低、彈性好，給后道紡紗帶來較大困難，如果卷曲性能過好或過差同樣不利于紡紗。通常纖維的斷裂伸長率25%～50%，強度>3.5 cN/dtex，卷曲數11～13個/25mm，卷曲度10%～12%，紡紗性能佳[3]。

洛陽石化的呂初旭曾對PTT短纖維的生產工藝進行研究，但對纖維的性能指標只字未提[4]；天津分公司的白燕芳也曾進行過PTT短纖維工業化的生產工藝探討，研制的PTT短纖維的強度3.41 cN/dtex，伸長61.2%，卷曲數13.7個/25 mm，卷曲度13.5%，180 ℃干熱收縮率0.2%[5]，存在斷裂伸長大，斷裂強度低等一系列問題。儀化公司前期研發的1.56 dtex×38 mm規格的PTT纖維所紡制的紗線具有柔軟、白度高、彈性好等諸多優點，同時也存在斷裂伸長大、斷裂強度相對較低、卷曲性能過好等問題給紡紗帶來困擾。

本文將通過調節前、后道紡絲和牽伸工藝的方式對PTT短纖維的生產技術進行深入研究，對PTT短纖維的性能進一步優化，使其有利于后道用戶紡紗生產。

1 試 驗

1.1 原料

PTT切片：美景榮公司生產，大有光。試驗所用切片主要性能見表1。

表1 PTT切片物理性能指標

1.2 儀器及設備

線密度儀，VIBROMAT M型，上海新纖儀器有限公司；纖維卷曲彈性儀，XCP-1A型，上海新纖儀器有限公司；纖維強伸度儀，XQ-1A型，上海新纖儀器有限公司；單纖維熱收縮儀，YG365A型，溫州際高檢測儀器有限公司；纖維比電阻儀，YG321D型，常州市華紡紡織儀器有限公司；干燥設備，BT-100型干燥轉鼓，北京中麗制機工程技術有限公司；中麗紡絲機，北京中麗制機工程技術有限公司；短纖后加工試驗線，鄭州紡織機械有限公司。

1.3 工藝流程

切片干燥→單螺桿擠出機→紡絲箱體→冷卻→卷繞→絡筒→集束→牽伸→緊張熱定型→卷曲機→干燥→切斷→打包。

1.4 測試方法

1.4.1 線密度測試

根據國家標準GB/T 14335合成短纖維線密度試驗方法對PTT短纖維的線密度進行測試。溫度20 ℃,濕度65%。

1.4.2 卷曲測試

根據國家標準GB/T 14338合成短纖維卷曲性能試驗方法對PTT短纖維的卷曲性能進行測試。夾持距離20 mm，輕預加張力0.002 cN/dtex，重預加張力0.075 cN/dtex。

1.4.3 強伸測試

根據國家標準GB/T 14337合成短纖維斷裂強力及斷裂伸長試驗方法對PTT短纖維的斷裂伸長率和斷裂強力進行測試。預加張力0.15 cN/dtex，拉伸速度10 mm/min。

1.4.4 干熱收縮測試

根據紡織行業標準FZ 50004滌綸短纖維干熱收縮率試驗方法對PTT短纖維的干熱收縮率進行測試。預加張力0.075 cN/dtex，熱處理溫度 160 ℃，熱處理時間30 min，熱處理后平衡時間30 min。

1.4.5 比電阻測試

根據國家標準GB/T 14342合成短纖維比電阻試驗方法對PTT短纖維的比電阻進行測試。測量在一定的形狀(6 cm×4 cm×2 cm)，具有一定密度的纖維的電阻值，再根據纖維的填充度換算成比電阻。溫度25 ℃，相對濕度25%，填充度0.23。

2 結果與討論

2.1 噴絲板選擇

聚合物熔體在噴絲孔中的流變行為對紡絲熔體的流動穩定性極為重要。熔紡過程中，噴絲孔的孔徑選擇對PTT細旦絲的可紡性影響很大，孔徑過小，孔道中熔體彈性雷諾數加大，發生彈性湍流；孔徑過大，噴絲頭拉伸比增加，出現紡絲內聚能破裂。同時，對于結晶快、特性黏度高的PTT聚酯，噴絲孔長徑比L/D應盡量大，減少熔體出孔口的脹大現象，利于提高單絲的圓整度[6]。微孔半徑和長徑比對熔體出孔的影響見表2。

表2 微孔半徑和長徑比對熔體出孔的影響

從表2看噴絲板規格可以選為：微孔直徑0.25 mm、長度0.75 mm或者微孔直徑0.28 mm、長度1.12 mm。

2.2 螺桿溫度控制

對紡絲而言，盡量減少熔體在擠出機中的停留時間以減少黏度降的同時，保證熔體的流動性和黏度，從而達到合理的黏流狀態非常重要。PTT切片熔點為226 ℃，理想的熔融溫度應介于248～260 ℃之間。根據生產經驗，對于單螺桿擠出機而言，過低或過高的熔融溫度均會導致黏度降異常升高。

熔融溫度與UDY斷裂伸長率/黏度降的關系見圖1。

圖1 熔融溫度與UDY斷裂伸長率/黏度降的關系

由圖1可以看出，合適的熔融溫度有一個特定的范圍。熔融溫度設定低于245 ℃時，UDY斷裂伸長率大幅下降，熔體非牛頓性增強，表現出更多的黏彈性，UDY破裂絲增多，難以紡絲；同時可以觀察到熔融溫度較低的情況下，UDY黏度降不降反升，這是因為低溫工藝下，切片熔程長，螺桿扭矩大，切片在擠出機腔體內受螺桿的剪切作用力更強，反而導致切片的進一步超剪切降解[7]。熔融溫度大于260 ℃ 時，UDY斷裂伸長率小幅度下降，黏度降大幅提高，可認為260 ℃的熔融溫度達到了熔體的穩定極限，進一步提升工藝溫度不僅無法提高UDY的牽伸性能，還會導致聚合物快速降解，使纖維發黃，限制其使用范圍。

由此可見，合理的熔融溫度應在255 ℃附近。另外，紡絲箱體和輸送管道溫度應盡量接近該溫度，使熔體在輸送過程中達到穩定的狀態。

2.3 冷卻成型工藝控制

為達到降低UDY結晶度與取向度，同時降低彈性纖維在紡絲通道中收縮的目的，在設定側吹風工藝時，應較PET側吹風溫更低一些，通過快速冷卻來降低UDY整體取向度與結晶度。

側吹風溫與UDY結晶度/線密度關系見圖2。

圖2 側吹風溫與UDY結晶度/線密度的關系

由圖2可以看出，側吹風溫越低，UDY的結晶度越低，線密度縮小程度越小。可以認為持續降低側吹風溫有利于提高UDY的可牽伸性能。同時也可看出，側吹風溫降低至18 ℃以下時，UDY的結晶度降低與線密度縮小程度明顯放緩，出于節能降耗和生產成本考慮，側吹風溫選擇18 ℃左右。

2.4 UDY平衡時間控制

PTT作為彈性纖維，其UDY在形成過程中即具有一定的結晶和取向度，在未經后加工處理的前提下，纖維內部大分子含有大量未定型的彈性勢能。通過平衡來消除這部分彈性勢能，不僅有利于提高UDY的牽伸性能，也有利于維持不同批次成品纖維的尺寸均一。經過實驗驗證，PTT原絲完全平衡約需5天時間，但實際上其尺寸變化在平衡初期短時間內即達穩定。因此，調節平衡時間的長短對于改善成品絲性能很有必要，平衡時間過短會導致同一桶原絲頭尾之間性能有差異；平衡時間過長則會影響生產排桶方案，降低生產效率。平衡時間對PTT原絲線密度的影響見表3。

從表3中可以看出，平衡時間12 h左右，PTT原絲的線密度已基本穩定，故平衡時間控制在12 h以內即可。同時也發現，干燥環境下與濕潤環境下UDY的平衡速度不一致，濕潤環境下的PTT原絲線密度在8 h左右即已基本穩定，而干燥環境下的PTT原絲12 h仍無法完全平衡。可以認為濕潤的環境有利于加快PTT原絲的平衡速度，故UDY絲桶放置期間應定時向其上層部分噴灑油劑，以達到保持濕潤的效果。

表3 平衡時間對PTT原絲線密度的影響

2.5 牽伸工藝控制

PTT纖維的牽伸工藝主要采用在PET牽伸工藝上進行改良的方式，其根本出發點在于提高纖維的取向度、結晶度。纖維取向度、結晶度提高后，一方面隨分子鏈沿纖維軸向排列更加規整，纖維抵抗外力的能力增強；另一方面結晶結構將使分子間作用力增大，限制小鏈段的活動能力，以達到降低纖維斷裂伸長率的目的。同時，PTT纖維與PET纖維本質上是不同的，其Tc遠低于PET，結晶速度快；原絲即具有相當高的結晶度，相對于PET來說，其牽伸過程更傾向于纖維內部晶格的完善而不是形成；PTT纖維在牽伸過程中受熱會軟化而不像PET纖維那樣迅速定型變硬，這就具有了多段牽伸的可能性。根據這些性質，決定采用較溫和的牽伸工藝條件：比PET更低的牽伸速度；較低的牽伸/定型溫度；在保證第一段牽伸倍率充足的情況下，維持第二段牽倍不變，同時將第三牽伸輥與緊張熱定型之間的速比由小于1調整至大于1，充當第三段牽伸，總牽倍數達到3.25×1.05=3.41，在舊工藝3.20的基礎上提高6.6%，且不纏輥、不斷頭，運行穩定。

3)參考1∶50 000 DLG數據庫，分區域分要素對1∶250 000 DLG數據庫進行更新。具體更新順序為水系、道路、居民地、境界。其中，道路要素采用1∶50 000縮編到1∶250 000的方式進更新，綜合取舍尺度參照1∶250 000本底數據；水系采用直接更新本底數據屬性的方式進行更新，對新增和變化的圖形和屬性同時進行更新；居民地更新依據GB/T 12343.1—2008 《國家基本比例尺地圖編繪規范 第2部分：1∶250 000地形圖編繪規范》進行圖形和屬性的更新；境界數據更新直接使用1∶50 000數據，不進行圖形綜合，以路為界和以河為界的作協調處理。

短纖的卷曲性能和卷曲風格是影響纖維成紗質量的重要參數，一般認為纖維卷曲度為(13±2.5)%，卷曲數為(11±2.5)個/25 mm附近適宜成紗。短纖的二維卷曲由卷曲機帶來，而影響卷曲機運行的因素有很多，從原絲質量到卷曲工藝都對成纖卷曲性能有一定的影響。PTT纖維柔軟而有彈性，其模量大幅低于PET纖維，經卷曲機后纖維卷曲細密，卷曲數往往高于預期。根據前期實驗，為得到合適的卷曲性能，卷曲工藝需進行以下調整：

(1) 降低牽伸浴槽溫度，由46 ℃降低到43 ℃，減少毛絲現象。

(2) 降低第三牽伸輥溫度，由165 ℃降低到160 ℃，減少毛絲和纏輥，提高纖維強度。

(3) 降低緊張熱定型溫度，由170 ℃降低到165 ℃，防止過高的溫度引起纖維內大分子的降解從而降低纖維強度。

(4) 關閉卷曲預熱箱，蒸汽加熱將會軟化絲束并降低纖維模量，同時蒸汽帶來的水分還對纖維有進一步的塑化作用，這都是減少纖維卷曲度時應盡量避免的。

(5) 降低卷曲機背壓，由0.25 MPa降低到0.10 MPa，減少毛絲卷曲箱內卷曲輥與卷曲刀對絲束的作用力。

(6) 提高第三牽伸輥與緊張熱定型之間的速比，由0.96提高至1.05，充當第三段牽伸，進一步提高纖維強度、降低斷裂伸長率。

最后經過實驗調整，確定的牽伸工藝參數見表4。

表4 牽伸工藝參數表

生產工藝改進后，新工藝與舊工藝下PTT短纖性能指標對比見表5。

表5 PTT短纖性能指標對比

調整生產工藝后的生產運行過程順利，所得1.56 dtex×38 mm規格圓形PTT纖維各項性能指標優良。新工藝所得成品絲的強度、模量、彈性回復率指標分別較舊工藝提高了15%、11%、7%；成品絲的斷裂伸長率、卷曲數、卷曲度、干熱收縮率分別較舊工藝降低了20%、33%、35%、13%。

3 結 論

通過選用噴絲板的微孔直徑為0.25 mm，長度為0.75 mm或者微孔直徑為0.28 mm，長度為1.12 mm，螺桿溫度控制為255 ℃，側吹風溫為 18 ℃ 左右，UDY平衡時間為12 h，降低第三牽伸輥溫度至160 ℃，降低緊張熱定型溫度至165 ℃，降低卷曲預熱箱溫度從100 ℃至常溫，降低卷曲機背壓至0.10 MPa，提高總牽倍至3.25，提高第三牽伸輥-緊張熱定型速比至1.05，經過以上工藝的控制和改進，生產運行穩定，成品絲各項物理性能指標良好，能夠滿足后道用戶紡紗需求。由此可見，此次工藝改進能夠有效地提高產品質量，降低生產成本。