劉冰靈， 金志學(xué)， 薛偉仁， 韋 飛

(1.上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，上海200240；2.福建錦江科技有限公司，福建長樂350212)

傳統(tǒng)錦綸的截面為圓形，與天然纖維相比，圓形截面的錦綸6纖維吸濕性較差，易彎曲起皺，致使其在高端織造領(lǐng)域的發(fā)展受到極大限制[1-2]。異形錦綸6纖維為截面非圓形的錦綸，其研究方向在于增加錦綸6纖維的比表面積，即通過異形截面的設(shè)計(jì)，使錦綸6纖維的光澤、手感、吸濕性、硬挺度和彈性等得到不同程度的提高[3-5]。若是采用全消光切片紡絲，與全消光的柔和性相結(jié)合，可以發(fā)揮出更好的效果。其中，扁平截面纖維具有一定的剛性，毛立感優(yōu)異，同時(shí)擁有吸濕性好、散熱快、易于染色和抗起球等優(yōu)點(diǎn)，在織物風(fēng)格方面接近于天然纖維材料[6]。

本文采用熔融紡絲法，以錦綸6消光切片為原料制備扁平截面錦綸6FDY，用全自動(dòng)單紗強(qiáng)力儀、Nikon Eclipse等測(cè)試扁平截面錦綸6FDY的性能與截面形狀，探索扁平截面錦綸6FDY的生產(chǎn)工藝，使其符合后道加工要求，適用于服裝、家紡面料等領(lǐng)域。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原 料

錦綸6消光切片(福建錦江科技有限公司)，特性黏數(shù)(2.47±0.03)dL/g，熔點(diǎn)215～225℃，TiO2含量≥1.5%，灰分含量≤0.1%，端氨基含量為(47.0±3.0)mmol/kg，可萃取物含量≤0.5%，水分含量≤0.06%。

1.2 儀器設(shè)備

高速卷繞機(jī)、側(cè)吹風(fēng)系統(tǒng)(德國巴馬格公司)，Testo425精密型風(fēng)速儀(德國儀器國際貿(mào)易(上海)有限公司)，烏斯特V型條干儀(烏斯特(上海)貿(mào)易有限公司)，YG 023B單紗強(qiáng)力機(jī)(常州紡織儀器廠)，Nikon Eclipse E100顯微鏡(上海浦赫光電科技有限公司)。

1.3 工藝流程

切片熔融混合→熔體保溫輸送→計(jì)量泵精確計(jì)量→組件過濾吐絲→側(cè)吹風(fēng)冷卻→集束上油→拉伸定型→網(wǎng)絡(luò)交絡(luò)→卷裝成形→檢驗(yàn)→包裝入庫。

1.4 分析與測(cè)試

烏斯特條干值:烏斯特V型條干儀，參照GB/T 14346—1993《化學(xué)纖維長絲電子條干不勻率試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試。

拉伸性能:YG 023B單紗強(qiáng)力機(jī)，參照 GB/T 14344—2008《化學(xué)纖維 長絲拉伸性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試。

截面:Nikon Eclipse E100顯微鏡，放大倍數(shù)1 000倍。

2 結(jié)果與分析

2.1 紡絲溫度

紡絲溫度主要取決于聚合體的熔點(diǎn)和熔體黏度，在一定溫度下，聚酰胺的熔體黏度隨相對(duì)分子質(zhì)量的增大而增大；在相對(duì)分子質(zhì)量相同的情況下，熔體黏度隨溫度的升高而降低。

在扁平截面錦綸6FDY的生產(chǎn)過程中，紡絲溫度過高，使聚合物熱分解加劇，相對(duì)分子質(zhì)量降低，可能出現(xiàn)“氣泡絲”，造成大量毛絲、斷頭；紡絲溫度過低，則熔體黏度大，熔體的擠出脹大現(xiàn)象嚴(yán)重，熔體出噴絲板后絲條取向度大，影響絲條的拉伸，斷頭較多[7]。在合適的溫度范圍內(nèi)，隨著紡絲溫度的升高，熔體黏度呈指數(shù)級(jí)下降，熔體的流動(dòng)性能得到良好的改善，熔體出噴絲板后絲條取向度減小，絲條的拉伸效果優(yōu)良。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，紡絲溫度控制在254～256℃為宜。

2.2 扁平度

扁平度指噴絲板微孔截面的長寬比。扁平度增大，可使錦綸6纖維的異形度增大，增強(qiáng)其異形效果，使其吸濕性、光澤、抗起毛起球等能力得到顯著改善。但是，扁平度過大，會(huì)造成扁平截面錦綸6FDY紡絲難度加大及產(chǎn)品強(qiáng)伸指標(biāo)下降，造成后加工較困難。表1為不同扁平度下生產(chǎn)的扁平截面錦綸6FDY的物性指標(biāo)。由表1可知，扁平度為10︰1時(shí)，制得的異形錦綸6纖維的扁平度較高，且斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長率、條干等指標(biāo)均能滿足后續(xù)加工和使用要求。因此，選擇扁平度為10︰1。

表1 不同扁平度下扁平截面錦綸6FDY的條干及物性指標(biāo)Tab.1 Evenness and physical property data of nylon 6 FDY of flat section under different flatness

圖1為扁平度為10︰1下生產(chǎn)的扁平截面錦綸6FDY的纖維截面圖。

2.3 側(cè)吹風(fēng)參數(shù)

熔體出噴絲孔后，以側(cè)吹風(fēng)與絲束進(jìn)行熱交換，使熔體細(xì)流凝固成纖維。側(cè)吹風(fēng)參數(shù)主要包括:風(fēng)溫、風(fēng)濕、風(fēng)壓、風(fēng)速。與圓形截面纖維相比，扁平絲比表面積較大，易于散熱，冷卻速度較快，絲條的表層和內(nèi)層溫度梯度增大，絲條可能受到表層的拉伸應(yīng)力的局部集中，產(chǎn)生裂痕，影響后加工性能。因此，在扁平截面錦綸6FDY的生產(chǎn)過程中，應(yīng)適當(dāng)緩和冷卻條件，提高風(fēng)溫，延長冷卻區(qū)，以延緩冷卻速度，使塑性區(qū)延長，凝固點(diǎn)下移，減小噴絲頭拉伸張力，維持纖維扁平度，纖維異形度提高。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，側(cè)吹風(fēng)的風(fēng)溫控制在22～23℃，濕度控制在80%以上，風(fēng)壓控制在500 Pa，風(fēng)速應(yīng)控制在0.6～0.7m/s，冷卻效果較優(yōu)，無飄絲、斷頭或絲條條干不勻。

圖1 扁平度10︰1下扁平截面錦綸6FDY的纖維截面Fig.1 Fiber section of nylon 6 FDY of flat section under the flatness of 10︰1

2.4 集束點(diǎn)位置

熔體經(jīng)側(cè)吹風(fēng)冷卻時(shí)，空氣流動(dòng)對(duì)絲條產(chǎn)生振蕩，這種振蕩會(huì)引起飄絲、斷頭或絲條條干不勻，條干不勻隨振蕩幅度的增大而增大，隨絲條從噴絲板面到集束位置的距離增加而增大。與圓形截面纖維相比，扁平絲比表面積較大，易于散熱，冷卻速度快，可適當(dāng)提高集束上油位置，降低絲條與空氣間的摩擦，也減輕絲條受風(fēng)窗外環(huán)境中氣流干擾。在扁平截面錦綸6FDY的生產(chǎn)過程中，通過提高集束點(diǎn)位置降低紡絲張力，又降低絲條的抖動(dòng)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，集束位置在1 400～1 600mm為宜。

2.5 拉伸倍率

在扁平截面錦綸6FDY的生產(chǎn)過程中，在一定的拉伸倍率下，錦綸6FDY得到拉伸，纖維內(nèi)大分子會(huì)產(chǎn)生取向，并隨著拉伸倍率的增大，纖維大分子的取向度增大[8]。纖維的強(qiáng)伸度與纖維的取向度密切相關(guān)。表2為不同拉伸倍率下生產(chǎn)的扁平截面錦綸6FDY的物性指標(biāo)。

由表2可知，拉伸倍率增大，扁平截面錦綸6FDY的斷裂強(qiáng)度稍有下降，原因在于拉伸倍率打破纖維內(nèi)大分子結(jié)構(gòu)的平衡，大分子因承受不了強(qiáng)大的拉力而發(fā)生滑移和斷裂，使取向度下降。但是，拉伸倍率較小時(shí)，扁平截面錦綸6FDY毛絲、圈絲較多，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，無法滿足后道加工要求。因此，選擇拉伸倍率為1.33。

表2 不同拉伸倍率下扁平截面錦綸6FDY的條干及物性指標(biāo)Tab.2 Evenness and physical property data of nylon 6 FDY of flat section under different draw ratio

2.6 熱輥溫度

在熱輥上，纖維同時(shí)受到拉伸和熱定型作用，熱輥溫度過高，會(huì)引起絲束抖動(dòng)加劇，引發(fā)斷頭而影響生產(chǎn)；熱輥溫度過低可能使纖維造成定型效果差，出現(xiàn)縮管現(xiàn)象。表3為不同熱輥溫度下生產(chǎn)的扁平截面錦綸6FDY的物性指標(biāo)。

由表3可知，熱輥溫度升高，扁平截面錦綸6FDY的斷裂強(qiáng)度稍有增大，原因在于熱輥溫度主要是消除拉伸內(nèi)應(yīng)力，使成品絲結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定。熱輥溫度為170℃時(shí)，絲束中大分子鏈活動(dòng)較強(qiáng)，纖維結(jié)晶度較高，絲條的斷裂強(qiáng)度較大。因此，選擇熱輥溫度為170℃，纏繞5.5圈。

2.7 網(wǎng)絡(luò)壓力

網(wǎng)絡(luò)壓力升高，各單絲間的纏繞程度提高，有利于纖維的集束性能提高。但是，過高的網(wǎng)絡(luò)壓力易導(dǎo)致纖維被吹斷造成毛絲，降低纖維的機(jī)械性能。表4為不同網(wǎng)絡(luò)壓力下生產(chǎn)的扁平截面錦綸6FDY的物性指標(biāo)。

由表4可知，在扁平截面錦綸6FDY的生產(chǎn)過程中，網(wǎng)絡(luò)壓力的增大，可提高扁平截面錦綸6FDY的網(wǎng)絡(luò)度，但是，網(wǎng)絡(luò)壓力過大，易造成絲條吹斷，引起絲束毛絲、圈絲較多，且油劑飛濺嚴(yán)重，能耗增大。因此，選擇網(wǎng)絡(luò)壓力為0.35MPa。

表3 不同熱輥溫度下扁平截面錦綸6FDY的條干及物性指標(biāo)Tab.3 Evenness and physical property data of nylon 6 FDY of flat section under different hot roller

表4 不同網(wǎng)絡(luò)壓力下扁平截面錦綸6FDY的物性指標(biāo)Tab.4 Physical property data of nylon 6 FDY of flat section under different network pressure

2.8 紡絲速度

紡絲速度的提高有利于初生纖維的分子排列和結(jié)構(gòu)較為有序并趨向穩(wěn)定，條干均勻性好，經(jīng)拉伸后纖維的機(jī)械性能良好[9-10]。表5為不同紡絲速度生產(chǎn)的扁平截面錦綸6FDY的物性指標(biāo)。由表5可知，在扁平截面錦綸6FDY的生產(chǎn)過程中，紡絲速度過大，易造成冷卻不均，引起絲條條干不勻，毛絲、圈絲較多。因此，選擇紡絲速度為4 500m/min。

表5 不同紡絲速度下扁平截面錦綸6FDY的物性指標(biāo)Tab.5 Physical property data of nylon 6 FDY of flat section under different spinning speed

2.9 正交實(shí)驗(yàn)

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用正交實(shí)驗(yàn)L9(34)，確定最優(yōu)工藝條件組合。紡絲溫度255℃，側(cè)吹風(fēng)冷卻風(fēng)速0.65m/s，集束點(diǎn)位置1 600mm，紡絲速度4 500m/min。實(shí)驗(yàn)計(jì)劃如表6所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表7、表8所示。

如表7所示，噴絲板噴絲微孔扁平度8︰1，拉伸倍率為1.33，熱輥溫度145℃，網(wǎng)絡(luò)壓力0.39 MPa，扁平截面錦綸6FDY的條干CV值最小。如表8所示，噴絲板噴絲微孔扁平度8︰1，拉伸倍率為1.33，熱輥溫度170℃，網(wǎng)絡(luò)壓力0.39MPa，扁平截面錦綸6FDY的斷裂強(qiáng)度最大。綜合扁平截面錦綸6FDY的紡況和物性指標(biāo)分析，因網(wǎng)絡(luò)壓力0.39MPa時(shí)，扁平截面錦綸6FDY的生產(chǎn)過程不穩(wěn)定，斷頭較多，因此，最優(yōu)工藝條件組合為:噴絲板噴絲微孔扁平度8︰1，拉伸倍率為1.33，熱輥溫度170℃，網(wǎng)絡(luò)壓力0.35MPa。

表6 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.6 Orthogonal experiment design

表7 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析(Ⅰ)Tab.7 Analysis of orthogonal experiment resultsⅠ

表8 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析(Ⅱ)Tab.8 Analysis of orthogonal experiment resultsⅡ

2.10 工藝與物性指標(biāo)

為了提高55.56 dtex/10F扁平截面錦綸6FDY的扁平度，且滿足呈現(xiàn)金屬光澤，改善條干均勻度，提高斷裂強(qiáng)度，以工業(yè)化生產(chǎn)的圓形截面55.56 dtex/10F錦綸6FDY為對(duì)照，表9為經(jīng)工藝優(yōu)化后生產(chǎn)的55.56 dtex/10F扁平截面錦綸6FDY與工業(yè)化生產(chǎn)圓形截面55.56 dtex/10F錦綸6FDY的工藝條件比較，表10為經(jīng)工藝優(yōu)化后生產(chǎn)的55.56 dtex/10F扁平截面錦綸6FDY與工業(yè)化生產(chǎn)圓形截面55.56 dtex/10F錦綸6FDY的物性指標(biāo)比較。由表9、表10可知，經(jīng)工藝優(yōu)化后生產(chǎn)的55.56 dtex/10F扁平截面錦綸6FDY，條干均勻，斷裂強(qiáng)度較高，條干與物性指標(biāo)與圓形截面55.56 dtex/10F錦綸6FDY相近，避免了扁平截面造成絲束冷卻不均引起條干均勻度和斷裂強(qiáng)度降低，滿足后道加工要求。

表9 經(jīng)工藝優(yōu)化后生產(chǎn)的扁平截面錦綸6FDY與圓形截面錦綸6FDY的主要工藝參數(shù)Tab.9 Main technological parameters of optimized nylon 6 FDY of flat section and nylon 6 FDY of circular section

表10 經(jīng)工藝優(yōu)化后生產(chǎn)的扁平截面錦綸6FDY與圓形截面錦綸6FDY的主要物性指標(biāo)Tab.10 Main physical property data of optimized nylon 6 FDY of flat section and nylon 6 FDY of circular section

3 結(jié) 論

1)紡絲溫度254～256℃，噴絲板噴絲微孔扁平度10︰1，側(cè)吹風(fēng)冷卻風(fēng)速0.60～0.70m/s，集束點(diǎn)位置1 400～1 600 mm，拉伸倍率為1.33，熱輥溫度170℃，網(wǎng)絡(luò)壓力0.35 MPa，紡絲速度4 500 m/min，可獲得55.56 dtex/10F扁平截面錦綸6FDY，生產(chǎn)穩(wěn)定。

2)以上工藝制備扁平截面錦綸6FDY的斷裂強(qiáng)度為3.55 cN/dtex，斷裂伸長率為27.28%，條干烏斯特CV值為1.66%，條干均勻度改善，斷裂強(qiáng)度提高，滿足后道加工要求。

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