假捻變形工藝對滌綸DTY物理及染色性能的影響研究

毛 寧, 盧宏慶, 蔣力明, 易明強, 王德軍, 孫 娟, 郭橋生

(浙江昊能科技有限公司,浙江 湖州 313100)

紡織纖維的差別化能夠賦予纖維材料豐富的特性[1-2]。如亞麻長麻/滌綸長絲復合[3]賦予紗線麻纖維外觀和手感的同時,提升其最小強力并實現免漿織造;嵌入式花式紗線[4]使紗線呈現特殊的結構和外觀效果;滌綸/不銹鋼絲包覆紗[5]實現了柔性織物的防割功能。差別化纖維不僅提高了產品的附加值,也拓展了紗線的應用領域。其中,假捻變形工藝就是一種典型的差別化纖維加工工藝[6]。假捻變形工藝是采用物理加工的方式,通過假捻變形機的機械作用和熱作用,加工滌綸、錦綸等熱塑性化學纖維,賦予其改善的表觀、物理性能及染色性能等。

滌綸作為產能最大的化學纖維,具有良好的機械性能、熱穩定性和耐水洗性能,被廣泛應用于服裝、家紡及產業用紡織品等領域[7]。不同的領域對滌綸紗線有著不同的具體需求,促進了滌綸的差異化發展。如服裝行業對紗線舒適性的需求推動了聚酯仿棉產品的差異化發展[8-9];鞋行業對紗線強韌性的需求促進了高強高韌聚酯產品的研發[10-11]等。因此,差別化、功能化的滌綸纖維具有良好的推廣應用前景。

假捻變形工藝作為最基礎的差別化技術,深刻地影響著滌綸纖維的使用。因此,本文主要研究加彈速度、第一熱箱溫度、牽伸比、假捻比、第二超喂率、第二熱箱溫度等假捻變形工藝參數對滌綸DTY物理性能和色彩表達的影響,為滌綸DTY的穩定生產和質量控制提供參考。

1 試 驗

1.1 原 料

167 dtex/144 F滌綸POY(浙江恒逸石化),純度98%亞甲基藍染料(武漢福鑫化工有限公司),乙酸和乙酸鈉(南京化學試劑股份有限公司)。

1.2 設 備

33H型花式假捻變形機(日本村田機械株式會社),YG086型縷紗測長儀、YG020型電子單紗強力儀(常州第一紡織設備有限公司),YG368型全自動長絲收縮率測試儀(常州市第二紡織儀器廠),HS-12P高溫試色機(靖江市華夏科技有限公司),Datacolor650超高精度臺式分光光度測色儀(美國Datacolor公司),差示掃描量熱分析儀(美國Thermo Electron),X射線衍射分析儀(美國Perkin Elmer)。

1.3 工藝流程

滌綸DTY的生產工藝流程如圖1所示。滌綸預取向絲(POY)經過零羅拉和第一羅拉進入變形熱箱,然后通過冷卻裝置和假捻裝置,由第二羅拉輸送進入定型熱箱,再由二三羅拉輸送進入上油裝置和摩擦輥,進一步卷裝制備得到DTY成品。該工藝過程中主要的參數包括:加彈速度、第一熱箱溫度、牽伸比、假捻比、第二超喂率、第二熱箱溫度等。

圖1 滌綸DTY生產流程示意Fig.1 Process of polyester DTY production

1.4 測試方法

1.4.1 正交試驗

本文采用正交試驗法對加彈工藝速度、第一熱箱溫度、牽伸比、假捻比、第二超喂率、第二熱箱溫度對滌綸DTY強伸性能、結晶度的綜合影響進行探究,如表1和表2所示。首先設計了六因素三水平正交試驗表,選取合理的參數范圍。選取加彈速度為500、600、700 m/min;第一熱箱溫度為185、205、225 ℃;牽伸比(D/R)為1.5、1.6、1.7;假捻比(D/Y)為1.3、1.5、1.7;第二超喂率為2%、3%、4%,第二熱箱溫度為150、170、190 ℃,來制定試驗方案。

表1 工藝因素水平Tab.1 Level of process factors

表2 正交試驗Tab.2 Orthogonal test

1.4.2 紗線基本物理性能測試

采用YG086型縷紗測長儀,根據GB/T 4743—2009《紡織品 卷裝紗 紗線線密度的測定:絞紗法》測定滌綸DTY的線密度;采用YG020型電子單紗強力儀,根據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)》測定滌綸DTY的斷裂強度和斷裂伸長率;采用YG368型全自動長絲收縮率測試儀,根據GB/T 6505—2017《化學纖維 長絲熱收縮率試驗方法(處理后)》測定滌綸DTY的卷曲收縮率。

1.4.3 紗線結晶度測試

本文采用差示掃描量熱法測定滌綸DTY的結晶度,DSC曲線上熔融峰的溫度和形狀可以反映結晶的穩定情況及其穩定性的分布情況。由峰面積可求出質量結晶度XDSC:

(1)

式中:ΔHm為聚合物中結晶部分的熔融熱(熔融峰曲線和基線所包含的面積);ΔH0為聚合物100%結晶的熔融熱。

1.4.4 色彩表征

不同假捻加彈工藝得到了18種具有不同結晶度的滌綸DTY紗線樣品,用襪機進行染色樣布的制備,經過染色試驗,以探究不同結晶度對DTY染色性能的影響。采用高溫高壓染機,染料采用亞甲基藍染料,質量分數為3%;助劑采用1%HAc和1%NaAc;染色條件為75 ℃入浴,升溫速率2 ℃/min,染色溫度125 ℃,染色時間1 h,浴比1︰50。采用Datacolor650超高精度臺式分光光度測色儀,選用D65光源,選取10°視場,測定不同滌綸DTY的著色效果,得到相應的色彩指標,包括明度值L,紅綠度值a,黃藍度值b,飽和度值C,色調角H。當a為負值表示綠色,正值表示紅色;當b為負值表示藍色,正值表示黃色。

2 結果與分析

2.1 假捻加彈工藝對滌綸DTY物理性能的影響

2.1.1 假捻加彈工藝對滌綸DTY紗線線密度的影響

根據正交試驗極差分析(圖2),各工藝參數對滌綸DTY線密度的極差由大到小排序為:牽伸比>第二熱箱溫度>第一熱箱溫度>加彈速度>第二超喂率>假捻比。極差分析結果表明,牽伸比是影響滌綸DTY紗線細度最主要的因素,并且呈現顯著的負相關性。在假捻加彈工藝中,牽伸比是指第二羅拉和第一羅拉的速度比,速度比越大,紗線受到的機械作用就越強,紗線線密度也就越小。由圖2中的數據也可以看出,除了牽伸倍數,其他工藝參數對于紗線線密度的極差都集中在很小的范圍,紗線線密度的分布范圍都在較小的區間內,表明這些工藝參數對紗線線密度的影響都較為有限。

表3 正交試驗結果Tab.3 Orthogonal experiment results

圖2 加彈工藝對滌綸DTY線密度的影響Fig.2 Effect of the draw-texturing process on the linear density of polyester DTY

2.1.2 假捻加彈工藝對滌綸DTY紗線斷裂強度的影響

根據正交試驗極差分析(圖3),各工藝參數對滌綸DTY紗線斷裂強度的極差由大到小排序為:第一熱箱溫度>加彈速度>第二熱箱溫度>第二超喂率>假捻比>牽伸比。極差分析結果表明,第一熱箱溫度、加彈速度、第二熱箱溫度是主要影響因素。隨著第一熱箱溫度的升高,滌綸DTY紗線斷裂強度先提高后降低。其原因在于,隨著第一熱箱溫度的升高,紗線在熱變形過程中的內應力減小,紗線強度提升;但隨著溫度的進一步升高,纖維內部的無定形區會發生解取向,導致紗線強度降低[12]。在設定的加彈速度范圍內,加彈速度與滌綸DTY紗線的斷裂強度呈負相關,其原因在于,隨著加彈速度的提高,紗線在熱箱中停留的時間會相應地縮短,纖維熱變形時間相應減少,內應力消除不充分,紗線強度下降。對于第二熱箱溫度,當達到190 ℃時,滌綸DTY紗線的斷裂強度發生顯著的下降,其原因同上。

圖3 加彈工藝對滌綸DTY紗線斷裂強度的影響Fig.3 Effect of the draw-texturing process on the tensile strength of polyester DTY

2.1.3 假捻加彈工藝對滌綸DTY紗線斷裂伸長率的影響

根據正交試驗極差分析(圖4),各工藝參數對滌綸DTY紗線斷裂伸長率的極差由大到小排序為:牽伸比>加彈速度>第二熱箱溫度>第二超喂率>第一熱箱溫度>假捻比。極差分析結果表明,牽伸比、加彈速度、第二熱箱溫度是主要影響因素。牽伸比與滌綸DTY紗線的斷裂伸長率呈顯著的負相關性。隨著牽伸比的增大,纖維在熱變形過程中受到的拉伸應力增強,纖維大分子鏈活動性增加,分子鏈沿著纖維軸向重新聚集和排列,使分子鏈的取向程度提高。因此,其在拉伸過程中能夠被伸長的余量也越少,斷裂伸長率降低[13]。實際生產過程中,加彈速度最高設置為700 m/min左右。根據極差分析,加彈速度取第二水平(600 m/min,K2=345.78)和第三水平(700 m/min,K3=355.16)對DTY紗線斷裂伸長率影響接近。第二熱箱溫度對DTY紗線的斷裂伸長率有顯著的正相關性,第二熱箱溫度一般比第一熱箱溫度低15～30 ℃。第二熱箱溫度過高,不但對DTY紗線起不到定型作用,還會使纖維大分子解取向,使其斷裂伸長率增加。

圖4 加彈工藝對滌綸DTY紗線斷裂伸長率的影響Fig.4 Effect of the draw-texturing process on the breaking elongation of polyester DTY

2.1.4 假捻加彈工藝對滌綸DTY紗線卷曲收縮率的影響

圖5 加彈工藝對滌綸DTY紗線卷曲收縮率的影響Fig.5 Effect of the draw-texturing process on the crimp shrinkage rate of polyester DTY

2.2 假捻加彈工藝對滌綸DTY結晶度的影響

根據正交試驗極差分析(圖6),各工藝參數對滌綸DTY紗線結晶度的極差由大到小排序為:加彈速度>第二熱箱溫度>第一熱箱溫度>牽伸比>假捻比>第二超喂率。加彈速度對DTY紗線的結晶度起到了最主要的影響作用,且在設置的參數范圍內,呈現顯著的負相關性。其原因是在于,隨著加彈速度的提高,纖維在熱箱內停留的時間縮短,所吸收的熱量減少,纖維大分子吸收的能量降低,分子鏈和鏈段活動性降低,在拉伸過程中結構調整不充分,導致纖維結晶度下降[13]。第二熱箱溫度也稱定形溫度,主要對滌綸DTY紗線起到穩定尺寸的作用,也是纖維結晶度第二主要的影響因素。在正交試驗的參數范圍內,隨著第二熱箱溫度的升高,纖維的結晶度顯著提高。這是由于熱定形工序會使纖維無定形部分繼續嵌入晶格發生重結晶,而對纖維內已經成形的晶體不會產生影響[1]2。此外,第一熱箱溫度直接影響著紗線受熱變形的過程,因此也對纖維結晶度起到重要影響。

圖6 加彈工藝對滌綸DTY紗線結晶度的影響Fig.6 Effect of the draw-texturing process on the crystallinity of polyester DTY

2.3 纖維結晶度對滌綸DTY染色性能的影響

基于上述通過不同假捻加彈工藝制備的18種具有不同結晶度的滌綸DTY紗線樣品,研究了纖維結晶度對其紗線染色性能影響,如圖7所示。結果表明,滌綸纖維結晶度對DTY染色后的色彩表達,即L(明度值)、a(紅綠度值)、b(黃藍度值)、C(飽和度值),有著一致的影響結果。從這些色彩指標在不同結晶度下的分布情況來看,隨著纖維結晶度增大,這些色彩指標的離散度也隨之明顯增大。以結晶度44%為分界,當纖維結晶度小于44%時,DTY色彩指標L、a、b、C的平均值分別為22.75、3.87、-42.10、42.89,標準差分別為0.68、0.46、0.65、0.42;當纖維結晶度大于44%時,DTY色彩指標L、值a、b、C的平均值分別為22.85、3.72、-41.99、42.16,標準差分別為1.92、1.18、1.27、1.16。結晶度大于44%的這組DTY紗線的色彩指標離散度明顯小于結晶度小于44%的DTY紗線。因此在本文設置的試驗參數范圍內,纖維結晶度小于44%時,色彩指標分布在更小的范圍,意味著色彩表達更加統一,染色結果更加穩定。對于滌綸DTY紗線,其纖維超分子結構中,結晶度越大,表示結晶完善程度越高,但同時無定形區所占比例也越小,染色過程中染料進入纖維分子內部越困難[15-16]。此外,結晶速度越快,纖維大分子之間越快地形成交聯點,并且在后續的拉伸變形過程中,首先破壞原有的結晶交聯點,再重建新的結晶結構,引起纖維內部結構的不勻性[17]?？傮w來說,為了保證DTY紗線染色的均勻性,前期的冷卻過程應適當放慢,而后期的定形過程中則需要加快,以獲得內部結構的一致性[17-18]。

圖7 纖維結晶度對滌綸DTY染色性能的影響規律Fig.7 Effect of the draw-texturing process on the dying behavior of polyester DTY

3 結 論

1) 在試驗范圍內,牽伸比對滌綸DTY紗線線密度和斷裂伸長率起到最主要影響,且都呈現顯著的負相關性;第一熱箱溫度對滌綸DTY紗線斷裂強度起到最主要影響,呈現先正后負的影響;第二超喂率對滌綸DTY紗線卷曲收縮率起到最主要影響,呈現負相關性。綜合各性能考慮,牽伸比選取1.5,加彈速度選取600 m/min,第一熱箱溫度選取205 ℃,第二熱箱溫度選取150 ℃,假捻比選取1.3,第二超喂率選取3%。

2) 在試驗范圍內,加彈速度、第一熱箱溫度、第二熱箱溫度對滌綸DTY紗線的結晶度起到主要影響,加彈速度呈現顯著的負相關性,第一和第二熱箱溫度呈現顯著的正相關性。為了控制DTY結晶度穩定,建議加彈速度選取700 m/min,第一熱箱溫度選取185 ℃,第二熱箱溫度選取150 ℃。

3) 在試驗范圍內,結晶度越大、結晶速度越快的滌綸DTY紗線,其染色指標穩定性越差。在保證生產穩定的前提下,結晶度可控制在40%左右。為了提高滌綸DTY紗線的染色均勻性,可以適當提高假捻加彈速度、第一熱箱溫度、第二熱箱溫度,以獲得纖維內部結構的一致性。

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