低熔點皮芯復合纖維黏結強力影響因素研究

嚴 巖,潘曉娣,劉傳生

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

低熔點皮芯復合纖維是指用低熔點聚酯(LMPET)和普通聚酯(PET)兩種不同的聚合物以皮芯結構紡制的纖維,皮層為LMPET,芯層為PET。LMPET是一種具有較低熔點的改性聚酯,通過共聚的方法引入改性組分對PET進行改性[1],破壞聚酯分子鏈結構的規(guī)整性,并增加分子鏈的柔順性以增加聚酯的熔融熵、降低聚酯的熔融焓,從而達到降低熔點的目的[2]。低熔點皮芯復合纖維在加熱條件下,皮層熔化而芯層可保持原有物理結構,冷卻后起到物理黏結作用[3],低熔點皮芯復合纖維是利用熱黏結工藝生產非織造布的重要原料[4-6]。

低熔點皮芯復合纖維在用于生產熱黏結無紡布時,希望纖維在160～200 ℃加熱條件下充分熔融流動黏結,以達到理想的黏結效果,或者能夠降低熱黏無紡布加工溫度、提高加工速度。因此,提高低熔點皮芯復合纖維黏結性對纖維的后道使用尤為重要[7-8]。孫佩雄等[9]研究了非織造氈熱壓成型復合材料過程中溫度和壓強對亞麻/低熔點滌綸滲漬情況的影響。李建秀[10]探討了ES纖維的用量,加熱時間、溫度及壓力等熱軋工藝參數(shù)的配合對亞麻纖維非織造布黏結強力的影響。目前,相關研究多為非織造布加工條件對黏結性能的影響,低熔點聚酯原料、纖維生產工藝對黏結強力影響的系統(tǒng)性研究較少。

本研究使用低熔點聚酯和常規(guī)PET紡制皮芯復合纖維,測試纖維熱黏結無紡布試樣斷裂強力,研究低熔點聚酯特性黏度、改性單體添加量、纖維加工工藝及熱黏無紡布熱處理工藝對黏結強力的影響規(guī)律,找到影響低熔點復合纖維黏結性能的關鍵因素和適宜的后道加工條件。

1 試 驗

1.1 原料

對苯二甲酸(PTA),工業(yè)級,中國石化儀征化纖有限責任公司;乙二醇(EG),工業(yè)級,中國石化揚子石化有限責任公司;間苯二甲酸(IPA),工業(yè)級,中國石化燕山石化有限責任公司;二甘醇(DEG),工業(yè)級,中國石化揚子石化有限責任公司;乙二醇銻,分析純,江蘇大康公司;PET切片,FC510,特性黏度為0.670 dL/g,中國石化儀征化纖有限責任公司;6D×51 mm有硅中空纖維,ZK615,中國石化儀征化纖有限責任公司。

1.2 儀器設備

150 L聚合反應釜,定制;復合紡絲機,定制,北京中麗制機化纖工程技術有限公司;后牽伸試驗線,STATIMATM型,鄭州紡織機械廠;開松梳棉機,16079型,常州華紡紡織儀器有限公司;鼓風烘箱,DHG-9035A型,上海一恒科學儀器有限公司;萬能材料試驗機,Instron 2519-103型,美國英斯特朗;顯微鏡,DM2700P型,德國徠卡公司;相對黏度儀,Y501C型,英國Viscotek公司;氣相色譜儀,HP580型,美國安捷倫公司;聲速纖維取向測量儀,SCY-Ⅲ型,上海東華凱利新材料公司。

1.3 試驗過程

1.3.1 低熔點聚酯的合成

制備低熔點聚酯的改性單體選擇IPA和DEG。

將一定重量的PTA、EG、IPA、DEG、乙二醇銻加入到150 L聚合反應釜內,氮氣置換三次之后進行加壓酯化反應,酯化溫度225～250 ℃、壓力0.2～0.3 MPa條件下進行酯化反應,待出水量大于理論出水量的90%,開始泄壓升溫,在溫度270～280 ℃、真空度20～50 Pa條件下進行縮聚,待攪拌功率達到一定數(shù)值后,結束反應,用氮氣消除釜內真空,出料、水冷切粒。IPA/DEG(質量比4/1)的添加量為聚酯理論重量的32%～38%,如表1所示。

使用IPA/DEG添加量為32%～38%的低熔點聚酯,研究IPA/DEG添加量對黏結強力影響。使用IPA/DEG添加量為35%,合成不同特性黏度低熔點聚酯,研究特性黏度對黏結強力影響。

1.3.2 低熔點皮芯復合纖維紡絲

以IPA/DEG添加量為32%～38%、特性黏度0.73 dL/g左右的LMPET與常規(guī)PET為原料,紡制成皮芯復合纖維。以IPA/DEG添加量為35%,特性黏度為0.635～0.737 dL/g的LMPET與常規(guī)PET為原料,紡制成皮芯復合纖維。

考慮皮層和芯層兩種物料的不同特性,LMPET進料螺桿和熔體管道溫度設定為260 ℃,常規(guī)PET進料螺桿和熔體管道溫度設定為290 ℃,紡絲箱體溫度為288 ℃。實驗采用皮芯復合比例為50∶50,紡絲速度1 100 m/min。

噴絲組件噴絲孔規(guī)格為0.3 mm(孔徑)×0.9 mm(孔長)。

1.3.3 后紡牽伸

低熔點復合纖維熔點低,受熱容易軟化黏結。后紡牽伸與常規(guī)牽伸方式不同,一級牽伸使用特殊的加熱方式,牽伸運行速度為100 m/min,牽伸采用不同的牽伸工藝進行試驗,短纖維規(guī)格為4D×51 mm。

1.3.4 熱黏結無紡布試樣制備

按一定比例稱取低熔點復合纖維和有硅中空纖維初步混合,在梳棉機中進行開松混合、梳理成網,稱取10 g厚度均勻鋪在固定面積的濾篩中,上蓋板放置200 g砝碼給纖維施加一定壓力,置于鼓風烘箱,在不同溫度和不同時間條件下黏結形成無紡布試樣。

1.4 分析測試

黏結強力測試:根據(jù)國標GB/T 24218.3—2010《非織造布試驗方法第3部分:斷裂強力和斷裂伸長率的測定》,將上述無紡布試樣剪裁50 mm×150 mm樣條,夾持在試驗機以100 mm/min測試速度拉伸,記錄拉伸過程中最大的力,作為黏結強力,同一樣品,測試5次以上,取平均值。

特性黏度測試:采用國標GB/T 14190—2017纖維級聚酯切片試驗方法測試。

DEG含量測試:采用美國安捷倫公司的HP580型氣相色譜儀,按照國標GB/T 14190—2017纖維級聚酯切片試驗方法測試。

纖維聲速取向因子測試:采用聲速纖維取向測量儀,纖維一端由樣品夾固定,與發(fā)振器的簧片接觸,另一端經滑輪加力0.1 gf/dtex張力。在示波器上顯示的波形不失真且狀態(tài)穩(wěn)定時連續(xù)記下10個表示聲波傳播時間的數(shù)字,即為L長度纖維內聲波的傳播時間TL,每個試樣測5次,每次測定40 cm和20 cm兩個長度的TL。

采用倍長法求延遲時間Δt=2T20-T40。

聲速值C的計算公式:

(1)

纖維試樣聲速取向因子fs由莫斯萊公式計算:

(2)

式中作為相對比較,Cu以PET無取向時的標準聲速值1.35 km/s代替,C為纖維試樣的實測聲速。

IPA測試:采用美國安捷倫公司的HP580型氣相色譜儀,柱溫為180 ℃,進樣口溫度為250 ℃,檢測器溫度為250 ℃,氮氣流速為5 mL/min,氫氣流速為5 mL/min,空氣流速為30 mL/min。

2 結果與討論

2.1 改性單體添加量對纖維黏結強力的影響

添加不同量IPA和DEG合成低熔點聚酯切片,紡絲制備皮芯復合纖維,制成無紡布試樣,并進行熱處理,處理溫度180 ℃,處理時間5 min,測試黏結強力,不同IPA/DEG添加量與纖維黏結強力關系如圖1所示。

圖1 IPA/DEG添加量與纖維黏結強力關系

由圖1可以看出,纖維黏結強力隨著IPA/DEG添加量的提高而變大。由于IPA/DEG的添加,低熔點聚酯分子鏈排列和堆砌更加松散、柔性更大,溫度升高時,分子鏈更容易克服分子間的相互作用而產生熱運動,宏觀上表現(xiàn)為熔融流動。吸收相同的熱量,IPA/DEG添加量高的低熔點聚酯熔融流動更充分,相互黏結更加牢固,黏結強力更大。

由圖1還可以看出,IPA/DEG添加量34%左右,黏結強力有較大提升,添加量大于34%,黏結強力曲線較為平穩(wěn),說明在溫度180 ℃,時間5 min的熱處理條件下,IPA/DEG添加量高于34%,黏結充分,黏結強力較大。不同IPA/DEG添加量低熔點聚酯纖維黏結點顯微鏡照片見圖2。

(a):32%;(b):33%;(c):34%;(d):35%

從圖2黏結點顯微鏡照片也可以看出,IPA/DEG添加量大于34%,低熔點聚酯才能充分熔融,黏結點由“點”變?yōu)椤懊妗薄?/p>

2.2 低熔點聚酯特性黏度對纖維黏結強力的影響

熔體特性黏度反映熔體在一定溫度下流動性能的好壞,使用不同特性黏度的低熔點聚酯紡絲制備皮芯復合纖維,制成無紡布試樣,并進行熱處理,處理溫度180 ℃,處理時間5 min,測試黏結強力,低熔點聚酯特性黏度與纖維黏結強力關系如圖3所示。

圖3 低熔點聚酯特性黏度與纖維黏結強力關系

由圖3可以看出,低熔點聚酯特性黏度低,黏結強力略有提高,但聚酯特性黏度對黏結強力影響不顯著。在實驗中的溫度和外力作用下,低熔點聚酯僅軟化變黏,并未達到充分熔融流動狀態(tài),不同特性黏度低熔點聚酯的流動性差異并未充分體現(xiàn),故聚酯特性黏度對纖維黏結強力影響很小。另外,聚酯特性黏度降低還會造成纖維強度降低及紡絲穩(wěn)定性下降,低熔點聚酯特性黏度應大于0.660 dL/g以保證復合紡絲穩(wěn)定性。

2.3 后紡牽伸溫度對纖維黏結強力的影響

由于低熔點聚酯軟化點、熔點很低,使用水浴牽伸,會造成纖維黏結、發(fā)硬和干熱收縮率高,后紡無法正常穩(wěn)定運行。采用特殊的加熱方式,溫度在聚酯玻璃化溫度以上,各牽伸輥均不加熱。不同牽伸溫度下制備皮芯復合纖維,制成無紡布試樣,并進行熱處理,處理溫度180 ℃,處理時間5 min,測試黏結強力,不同牽伸溫度與纖維黏結強力關系如圖4所示。

圖4 牽伸溫度與纖維黏結強力關系

牽伸溫度低于常規(guī)PET玻璃化轉變溫度76 ℃,PET分子鏈段熱運動能量低,不足以激發(fā)鏈段運動,牽伸產生較多毛絲。牽伸溫度高于89 ℃,低熔點聚酯表面軟化黏結,纖維絲束產生硬結,影響纖維手感,實驗中牽伸溫度為77～89 ℃。由圖4看出,不同牽伸溫度下的纖維黏結強力變化不大,因為牽伸溫度超過芯層常規(guī)PET的玻璃化轉變溫度,遠高于LMPET的玻璃化溫度60 ℃,所以牽伸溫度在77～89 ℃范圍內的改變對于低熔點聚酯影響不大。

2.4 牽伸倍率對纖維黏結強力的影響

初生纖維的結構單元排列基本上是雜亂的,或者僅具有較小的取向度,經過拉伸,結構單元沿纖維軸向的取向度有顯著的提高,牽伸倍率的大小對纖維內部結構有一定影響。使用不同牽伸倍率制備皮芯復合纖維,制成無紡布試樣,并進行熱處理,處理溫度180 ℃,處理時間5 min,不同牽伸倍率與纖維取向度見圖5,不同牽伸溫度倍率與纖維黏結強力關系如圖6所示。

圖5 牽伸與纖維取向度關系

圖6 牽伸倍率與纖維黏結強力關系

圖5表明纖維牽伸倍率越高,取向度變大,由此推測出:牽伸倍率提高,拉伸取向充分,低熔點聚酯分子鏈堆砌更緊密,分子間的作用力(氫鍵數(shù)目、偶極鍵數(shù)目等)增大,需要更多的熱量熔融,導致同樣的熱處理條件下纖維黏結強力降低。所以,適當降低牽伸倍率,有利于提高纖維黏結強力。

2.5 熱處理溫度對纖維黏結強力的影響

在熱風黏結過程中,熱的載體是熱空氣,隨著熱空氣穿透纖網,將熱量傳遞給纖維,使其熔融而產生黏結。因此,熱處理的溫度、時間及冷卻速率將直接影響熱黏無紡布的性能和質量。

使用不同溫度對皮芯復合纖維制成的熱黏無紡布試樣進行熱處理,熱處理時間5 min,測試黏結強力,不同熱處理溫度與低熔點復合纖維黏結強力關系如圖7所示。

圖7 熱處理溫度與纖維黏結強力關系

由圖7可以看出,隨著熱處理溫度的提高,黏結強力變大,說明溫度較低時,低熔點纖維尚未軟化或僅表面軟化,黏結強力較小,當溫度升高,纖維逐漸完全軟化,甚至熔融流動,黏結強力顯著提高。

低熔點聚酯需要足夠熱量產生熔融流動,從而相互黏結。對于試驗采用的低熔點復合纖維來說,熱處理溫度180 ℃以上,能夠達到較高的黏結強力,繼續(xù)升高溫度黏結強力趨于平穩(wěn),難以使黏結強力繼續(xù)提高。

2.6 熱處理時間對纖維黏結強力的影響

必須保證纖網能夠有足夠的受熱時間,以獲得良好的黏結效果,對皮芯復合纖維制成的熱黏無紡布試樣進行不同時間的熱處理,測試黏結強力,不同熱處理時間與低熔點復合纖維黏結強力關系如圖8所示。

圖8 熱處理時間與纖維黏結強力關系

從圖8可以看出,熱處理時間5 min內,黏結強力有所提高,熱處理時間超過5 min,強力不再提高。特別是190 ℃條件下,黏結強力隨時間延長略有下降,熱處理溫度和時間過長又破壞了已經形成的黏結結構,造成黏結強力下降。

3 結 論

a) 在研究范圍內,改性單體IPA/DEG添加量越高,低熔點聚酯纖維黏結強力越大。IPA/DEG添加量高于34%,黏結充分,黏結強力較大。

b) 牽伸倍率適當降低,低熔點聚酯纖維取向度低,受熱更容易熔融黏結,纖維黏結強力提高。

c) 熱處理溫度提高有利于黏結強力提高,熱處理溫度180 ℃以上,能夠達到較高的黏結強力,繼續(xù)升高溫度黏結強力趨于平穩(wěn)。

d) 熱處理時間5 min內,纖維黏結強力隨時間延長有所提高。熱處理時間超過5 min,強力不再提高,190 ℃加熱條件下,纖維黏結強力隨時間延長有所降低。

e) 低熔點聚酯特性黏度和牽伸溫度對黏結強力影響不明顯。