三角三孔中空聚丙烯纖維的制備工藝及性能研究

曹強＊，王天麟，史賢寧，邱志成，馬肖

(1.中紡院（天津）科技發展有限公司 天津 301700；2. 中國紡織科學研究院有限公司生物源纖維制造技術國家重點實驗室 北京 100025）

隨著生活水平的不斷提高，臃腫、厚重等傳統保暖材料已經無法滿足消費者的需求，進而研發人員開始研究更加輕薄、舒適、健康、美觀的新型保暖材料，如超細纖維、異形中空纖維，發熱纖維還有涂層技術、變相材料等都被廣泛應用于保暖材料中[1]。中空纖維的保暖性主要取決于纖維間保持的靜止空氣，靜止空氣的導熱系數為0.026［W/（m·℃）］[2]，導熱系數越小，纖維集合體的保暖性越強。

PP（聚丙烯）纖維由于密度小，大約為0.9～0.92 g/cm3，是所有化學纖維中質量最輕的，其原料來源廣，價格便宜，物理性能較好，導熱系數非常小，與其他化學纖維相比，它的電絕緣性和保暖性較好，不霉不蛀[2]，非常適合于保暖纖維的應用。在服用和裝飾用的情況下，市場上一般中空纖維中空度大約為5%～30%左右，這是因為過小中空度（＜5%）無法體現中空纖維的性能，而過大中空度（＞30%）在外壓下容易發生變形[3]。

東華大學[4]于上世紀90年代在國內率先開始四孔、七孔等多孔中空纖維的研究，取得專利技術，但圓孔中空纖維抗壓扁能力較差，隨著使用過程中的反復壓縮等機械作用，中空纖維的中空度不斷下降，持久性不高[5]。

國內張慧琴、高秀麗[6]對中空結構研究發現，三角中空結構具有抗變形能力強、結構穩定、保溫性明顯的優勢。而多孔三角中空纖維結構非常穩定，擁有比表面積大、手感好、抗起球、抗壓縮性、質輕、透氣、覆蓋力強、蓬松性好等多種優點，是絕佳的保暖材料，其在服裝上的應用如保暖內衣、休閑服、防寒服、人造毛皮等，家紡產品如地毯、被褥、睡袋、枕芯等方面的應用具有良好的市場前景和較高的經濟效益。

目前國內對多孔三角三孔中空纖維等復雜異型纖維制備的研究相對較少，文章詳細研究了三角三孔PP中空纖維的熔融紡絲工藝對其纖維性能及中空度等的影響，可為異形多孔中空PP纖維材料的產業化生產技術開發提供數據參考。

1 實驗

1.1 實驗原料

PP切片，牌號1352F，臺塑（聚丙烯）寧波有限公司，熔融指數35g/10min。

1.2 儀器與設備

單螺桿熔融紡絲機，中國紡織科學研究院有限公司；七輥平牽機，中國紡織科學研究院有限公司；BX51型偏光顯微鏡，日本奧林巴斯；Instron 2343萬能材料試驗機，美國英斯特朗公司；Y172纖維切片器，常州紡織儀器廠有限公司；精密天平，梅特勒公司，稱量精度0.01mg；DSC-8000型差示掃描量熱儀，美國Perkin Elmer公司。

1.3 三角三孔纖維樣品制備

制備不同紡絲工藝的三角三孔PP中空纖維，噴絲板孔型如圖1所示，狹縫寬度0.08mm。在紡絲溫度為250℃，側吹風風速0.5 m/s工藝條件下，分別以500m/min、1000m/min、1500m/min、2000m/min、2500m/min紡 絲 速度制備不同紡速纖維樣品。在紡絲速度2000m/min，側吹風風速0.5 m/s工藝條件下，分別在紡絲溫度為230℃、250℃、270℃、290℃、300℃制備不同紡絲溫度的纖維樣品。在紡絲速度2000 m/min，紡絲溫度250℃工藝條件下，分別采用側吹風風速為0.5 m/s、0.6 m/s、0.7 m/s、0.8 m/s、0.9 m/s制備不同冷卻風速的纖維樣品。制備的纖維線密度恒定為150dtex/48f。

圖1 三角三孔噴絲板孔型圖

選用紡絲溫度為250 ℃、風速0.5 m/s、紡絲速度為2000 m/min工藝條件制備的規格為150 dtex/48f的三角三孔PP 纖維樣品，利用七輥牽伸機通過改變工藝條件制備系列牽伸纖維樣品。在定型溫度120℃，牽伸倍率1.6倍條件下，通過改變牽伸溫度制備的纖維樣品，記作PP-D-n（n為牽伸溫度值）；在牽伸溫度70℃，定型溫度120℃條件下，通過改變牽伸倍率制備的纖維樣品，記作PP-T-m（m為牽伸倍率值）；在牽伸溫度70℃，牽伸倍率1.6倍條件下，通過改變定型溫度制備的纖維樣品，記作PP-A-x（x為定型溫度）。

1.4測試方法

1.4.1纖維截面的制備

采用Y172型纖維切片器將纖維束切成薄片，在顯微鏡下獲得500倍放大倍率的纖維截面照片，如圖2所示，中空腔呈不規則形，截面端部閉合完整，纖維三角異形度較好，空腔明顯，絲束粗細均勻性良好，無明顯偏差。

1.4.2中空度測試

本研究采用紙片稱重法[7]，如圖2所示得到的纖維樣品截面照片，使用統一厚度的A4紙張打印出來，用裁紙刀分別剪裁出三角截面和中空部分，在電子天平稱重，計算出中空部分百分數，每組數據測試5次，取平均值，并根據式（1）得出中空度百分比。

圖2 三角三孔PP纖維的顯微鏡截面圖

采用DSC-8000型差示掃描量熱儀測試，氮氣保護，升溫速率為20 ℃/min，升溫范圍30℃～180 ℃，并根據式（2）計算出牽伸絲的結晶度（ XC）。

2 結果與討論

2.1 紡絲工藝對其可紡性影響

2.1.1紡絲溫度

PP較穩定，熱分解溫度高，且熔體粘度對溫度敏感性低，因此，可以在較寬的紡絲溫度范圍內進行調整。在220℃～300℃范圍內對PP三角三孔中空纖維可紡性進行研究，從表1可以看出，在紡絲溫度230℃～270℃之間，纖維可紡性良好，可以順利得到三角中空纖維。而紡溫過高或太低時，PP可紡性都會變差，這是由于紡溫過高時，熔體強度下降，難以承受紡程張力，易產生飄絲斷頭，導致卷繞生頭困難；紡溫太低時，熔體粘度增加，熔體在噴絲孔中剪切應力增大，容易造成熔體破裂，且熔體拉伸性能變差，熔體細流在紡絲拉伸應力下易發生斷裂，從而產生飄絲斷頭，可紡性變差；因此紡絲溫度應該在一個合適的溫度范圍內。

表1 不同紡絲溫度三角三孔PP纖維的可紡性能

2.1.2紡絲速度

固定紡絲溫度為250℃，調整紡絲速度為500m/min、1000m/min、1500m/min、2000m/min、2500m/min，試驗表明，各紡速下三角三孔PP可紡性良好，未觀察到飄絲斷頭等異常。

2.1.3冷卻風速

從表2可以看出，0.5 m/s～0.8 m/s風速時，可紡性好。0.3 m/s風速過低，初生絲冷卻不充分，絲束粘連，導致生頭困難；0.9m/s風速過大，降低了板面溫度，絲束晃動嚴重，易出現飄絲斷頭。說明冷卻風速過大或者過小都會對紡絲產生不利影響，需要選擇合適的冷卻風速范圍保證紡絲的順利進行。

表2 不同冷卻風速三角三孔PP纖維的可紡性能

2.2 紡絲工藝對纖維性能的影響

2.2.1 紡絲溫度

從表3可以看出，隨紡絲溫度的升高，斷裂強度提高，伸長率下降，可能由于PP在高溫狀態下，聚合物大分子鏈段的活動能力更強，分子鏈解纏結更充分，在紡絲時的噴絲孔中和噴絲孔后的熔體拉伸段分子鏈更容易沿著拉伸方向排列取向，同時，取向也會誘導結晶，致使纖維的取向度和結晶度增大，纖維強度增加。紡絲溫度為290℃時，纖維的斷裂強度最大。紡絲溫度為300℃時，由于紡溫過高，熔體粘度下降，組件壓力降低，噴出的絲呈不連續狀，可紡性變差，卷繞中出現飄絲斷頭，致使其力學性能降低。

表3 不同紡絲溫度三角三孔PP纖維性能

2.2.2 紡絲速度

從表4可以看出，隨著紡速的提高，斷裂強度逐步提高，相應的斷裂伸長率有明顯下降，因為隨著紡速提高，纖維內部大分子鏈取向度增大，并伴有部分結晶，使其斷裂強度增加，伸長率減小。

表4 不同紡絲速度三角三孔PP纖維性能

2.2.3 冷卻風速

從表5可以看出，隨著風速的不斷升高，斷裂強度呈下降趨勢，由于風速對卷繞絲的預取向和拉伸倍率影響較大，風速過大，纖維冷卻加快，凝固點上移，纖維受拉伸取向減弱，相應的纖維強度伸長適當降低。

2.3 紡絲工藝對中空度影響

2.3.1 紡絲溫度

從圖3中可以看出，紡絲溫度是影響中空度的主要因素，隨著紡絲溫度的提高，中空度逐漸下降。230℃制備的纖維截面纖維中空度最大為23.1%，這是因為紡絲溫度偏低，熔體粘度稍大，熔體形變阻力和表面張力大，熔體出噴絲板孔固化速率快，三角中空縫隙進氣孔端部閉合速率降低，同時可以進入更多的空氣，有利于空腔的形成。

圖3 不同紡絲溫度三角三孔PP纖維的中空度

紡溫高于270℃時，中空度快速下降，可能由于紡溫升高，熔體出噴絲孔后的膨脹現象降低，表面張力也隨之下降，熔體粘度減小，空氣來不及進入纖維內部，進氣孔已經閉合，導致通氣量不足，纖維中空度降低；紡絲溫度為300℃時，熔體出噴絲板孔膨脹系數非常小，熔體出噴絲板孔很快粘合，無法形成中空腔，熔體形變阻力非常小，并且相互之間粘連，已無中空度。

2.3.2 紡絲速度

從圖4中可以看出，紡絲速度對中空度有影響，波動范圍在15.9%～18.2%之間，隨著紡絲速度的提高，中空度逐漸增加，兩者呈單調遞增關系，因為隨著紡絲速度的增加，纖維內壁在拉伸過程中變薄，相應的中空度也會隨之增加。

圖4 不同紡絲速度三角三孔PP纖維的中空度

2.3.3 冷卻風速

從圖5可以看出在0.5 m/s～0.9 m/s風速下，中空度波動不是非常明顯，最大為0.9 m/s的中空度為19.3%，但仍是隨著風速的增加，中空度呈上升趨勢，因為冷卻風速提高，絲束冷卻加快，熔體出噴絲板孔固化速率快，三角中空縫隙進氣孔端部閉合速率降低，同時可以進入更多的空氣，通氣量增加，有利于空腔的擴張，從而中空度增加。

圖5 不同冷卻風速三角三孔PP纖維的中空度

2.4 牽伸工藝對纖維性能影響

2.4.1 牽伸溫度

從表6中可以看出，牽伸溫度為60℃時，斷裂強度最高為2.7cN/dtex，牽伸溫度為80℃時，斷裂強度最高為2.6 cN/dtex；試驗溫度條件下，纖維強度差異不大，且此強度的纖維均可滿足后道應用需求。因此，牽伸溫度為60℃～80℃均可。

表6 不同牽伸溫度三角三孔PP纖維的性能

2.4.2 牽伸倍率

隨著牽伸倍率的增大，三角三孔PP纖維的斷裂強度逐漸提高，斷裂伸長率逐漸降低，見表7。這是由于隨著拉伸倍率的提高，纖維大分子沿軸向取向排列越規整，加上拉伸應力cN/dtex，剩余伸長為20.7%，國產普通PP復絲的主要性能指標為：斷裂強度3.1～6.4 cN/dtex，斷裂伸長率15%～35%之間[8]，作為后續加工整理使用，牽伸2.2倍基本可以達到普通PP復絲性能指標。

表7 不同牽伸倍率三角三孔PP纖維性能

2.4.3 定型溫度

隨著定型溫度的增加，斷裂強度提高，伸長減小，見表8。這是因為隨定型溫度的升高，會促使結晶得到進一步的完善和發展，使斷裂強度提高。140℃定型時，強度降低，說明定型溫度不是越高越好，過高會使大分子松弛，產生解取向，導致纖維強度降低[9]，因此，其合適的定型溫度在110℃～130℃之間。

表8 不同定型溫度三角三孔PP纖維的性能

2.5 定型溫度對結晶度影響

在相同牽伸溫度和牽伸倍率，經過不同熱定型溫度的三角三孔PP纖維的性能見表8。隨著定型溫度的升高，三角三孔PP纖維的結晶度總體呈上升趨勢。不同熱定型溫度的三孔三角PP纖維的熔融峰譜圖見圖6，可以看到，牽伸后的三角三孔PP纖維樣品DSC升溫測試過程中出現兩個熔融峰，這是由于PP纖維加工過程，由于應力和溫度的影響，使得纖維中存在兩種晶型導致的[10]。定型溫度為90℃時，高溫側熔融峰不明顯，定型溫度為100℃～130℃時，DSC曲線上出現明顯的雙峰，不同定型溫度纖維的兩個峰頂溫度基本相同，隨著定型溫度的升高，可能低溫側熔融峰峰型逐漸變小，高溫側熔融峰峰型逐漸變大，可能發生晶粒的完善和不穩定晶型向穩定晶型的轉變，定型溫度140℃時，結晶度有明顯的降低，說明定型溫度過高，分子鏈活動能力太強，會使大分子松弛，大分子解取向增大，大分子鏈段規整性變差，進而致使結晶度降低。

圖6 不同定型溫度下三角三孔PP纖維的DSC譜圖

3 結論

制備PP三角三孔中空纖維最佳紡絲溫度在230℃～270℃、風速在0.5m/s～0.8m/s之間最為合適，此條件下，紡 速500m/min～2500m/min范 圍內可紡性均較好。此工藝范圍內，隨著紡絲溫度、紡絲速度的升高，斷裂強度增大，斷裂伸長率降低；隨著冷卻風速的提高，斷裂強度降低，斷裂伸長率適當減小。三角三孔PP纖維的最佳牽伸溫度為60℃～70℃，定型溫度為110℃～130℃之間最為合適；隨著牽伸倍率的提高，斷裂強度增加，斷裂伸長率減小。

三角三孔PP纖維的中空度隨著紡絲溫度的提高呈現逐漸下降趨勢，隨紡絲速度和冷卻風速的提高而增大；紡絲溫度230 ℃時，側吹風風速0.9m/min，紡絲速度為2500m/min時，纖維中空度達到最大23.1%。

三角三孔PP纖維定型溫度在90℃～130℃之間時，結晶度隨定型溫度的提高總體呈增大趨勢，達到44.5%左右后趨于穩定；熱定型溫度超過140℃定型時，結晶度明顯降低。