PPS/PET海岛型复合纤维开纤工艺研究

2014-09-03

产业用纺织品 2014年1期

(1. 天津工业大学纺织学院，天津，300160；2. 中国纺织科学研究院江南分院，绍兴，312071)

超细纤维是近代一种高科技新型产品，具有直径小、比表面积大、手感柔软、弯曲刚度低、光泽柔和、透气性良好等许多优异的特性。采用超细纤维制成的非织造布以其质轻、柔软、透湿(气)、强力好、高吸收、接近或超过天然材料等优良性能，受到国内外用户的青睐，已被广泛应用于服装、医学和过滤等领域。

超细纤维是差别化化学纤维中技术含量最高的品种之一，具有许多不同于其他纤维独有的特性[1]。上世纪60年代美国杜邦公司发明了双组分复合纤维制造技术，70年代日本厂商采用该工艺率先研制成海岛型超细纤维，经过几十年的发展该纺丝技术现已日趋成熟，并成为生产超细纤维的基本工艺[2-3]。

海岛型超细纤维又称原纤型纤维，在海岛型复合纤维中以一种原纤结构聚合物作为岛相组分，在其表面包覆另一种无定形结构聚合物作为海相组分。海岛型复合纤维在外形上与常规纤维一样，具有常规纤维的线密度和长度等外观形态，而在纤维内部两种组分的聚合物在纵向连续密集、均匀分散。海岛型复合纤维中有许多单独连续的岛组分，经开纤之后每个岛得到一根超细纤维。在一根复合纤维中，岛的个数越多，则得到的超细纤维根数越多，单丝线密度就越小[4]。用海岛型复合纺丝法制得的超细纤维线密度可小至0.000 099 dtex[5]。

本试验采用基布为常规聚苯硫醚(PPS)机织物、迎尘面为PPS/聚酯(PET)海岛型复合纤维、净气面为常规PPS纤维制成的针刺毡作为研究对象。在高温高压条件下用NaOH溶液对针刺毡进行处理，根据针刺毡的失重率来衡量开纤情况，研究开纤条件对PPS复合超细纤维针刺毡开纤水平的影响。

1 PPS/PET海岛型复合纤维开纤机理

海岛型复合纺丝法是分别将纺丝性能相近但溶解性能不同的两种聚合物经各自的螺杆挤压机熔融挤出，再经过滤、计量后在喷丝头小孔处汇合，纺出具有截面类似海岛型的纤维[6-7]。复合纤维中海组分可溶解于酸、碱或有机溶剂等化学品中，但这些化学品对岛组分没有影响。经过处理之后，海组分被去除，留下中间的岛组分，复合纤维从一根双组分粗纤维变成一束单组分细纤维从而完成开纤，获得超细纤维。在PPS/PET复合纤维中，PPS作为难溶性聚合物构成岛组分，而易溶于NaOH的PET构成海组分。PPS/PET海岛型复合纤维经针刺加固以后，以针刺毡的形式通过碱减量处理，使复合纤维中海组分PET溶解在NaOH溶液中而去除，留下难溶于NaOH的岛组分PPS，从而得到PPS超细纤维的针刺毡。

2 试验部分

2.1 材料

2.1.1 针刺毡

由基布PPS机织物以及上下两面分别为PPS/PET海岛型复合纤维和常规PPS纤维制成针刺毡。每根PPS/PET海岛型复合纤维有37个岛。PPS纤维网+PPS基布与PPS/PET海岛型复合纤维网的质量比约为50∶50，复合纤维中PPS(岛组分)与PET(海组分)的质量比约为 80∶20。PPS/PET海岛型复合纤维由中国纺织科学研究院提供，PPS纤维由四川得阳化学有限公司提供，针刺毡由浙江宇邦滤材有限公司制备。

2.1.2 药品

NaOH，分析纯；碱促剂A(自复配)。

2.1.3 仪器

JA2003N型电子天平，DH27-9140A型烘箱，HT24型红外线小样染色机，日立S-4800型电子扫描电镜。

2.2 开纤试验

2.2.1 试验方法

剪取100 cm2(5 g左右)的针刺毡若干块，按1∶30的浴比置于不同浓度的NaOH溶液中，分别在高温高压染色机中于不同温度下处理一段时间；碱减量开纤处理之后取出针刺毡，清水冲洗至中性，烘干并于干燥器内静置干燥。

为使开纤过程中碱液对PPS/PET海岛型复合纤维的开纤顺利进行和更加均匀，本研究在碱溶液中加入适量碱促剂A。

2.2.2 称重

试验前将剪好的针刺毡样品放入烘箱，在100 ℃下烘至恒重，再于干燥器内静置到常温，称重，记录数据，计作G0。

试验后，为尽量去除针刺毡样品上残留的碱剂，对碱处理后的针刺毡进行清水冲洗、浸泡并揉搓10次，直至针刺毡表面没有油滑的感觉，再放到100 ℃的烘箱内烘燥2 h，然后移放到干燥器内，到常温恒重后再进行称重，记录数据，计作G1。

2.3 开纤率计算

由于开纤率比较难以计算，本文通过针刺毡样品的失重率来衡量开纤率。根据碱处理开纤前后的针刺毡样品烘干后的称重数据，按下式计算失重率[6]：

式中：G0——开纤前针刺毡样品的干重；

G1——开纤后针刺毡样品的干重。

3 结果与讨论

3.1 碱处理开纤试验设计

选择了NaOH浓度、碱促剂A浓度、处理温度和处理时间四个主要因素,采用L9(34)正交试验设计安排试验,对针刺毡进行碱减量开纤工艺研究。因素水平表见表1。

表1 针刺毡开纤正交试验因素水平表

3.2 开纤试验结果与分析

3.2.1 正交试验

在PPS/PET海岛型复合纤维中海组分PET的质量分数约为20%，折合在针刺毡中的质量分数近于10%。在高温的NaOH溶液中，因海组分的PET分子的酯键被水解，断裂形成不同聚合度的水解产物，最后在OH-1的作用下形成苯二甲酸钠和乙二醇而溶解消失[9]。双组分海岛型复合纤维经碱处理后完成开纤过程，获得开纤后单纤线密度约为0.088 dtex的PPS超细纤维。试验结果见表2。

表2中的失重率数据表明，影响本研究所用PPS/PET海岛型复合纤维针刺毡的碱减量开纤的因素排序由大到小为碱促剂A浓度、处理时间、NaOH浓度和处理温度。

表2 针刺毡开纤正交试验设计及结果

由试验结果可知，碱促剂A的质量浓度为2和3 g/L时的样品失重率明显高于质量浓度为1 g/L时的结果。同时，由于碱处理温度对开纤的影响较小，在常压100 ℃条件下也可以达到很好的开纤效果，考虑到成本以及某些设备达不到高温高压的情况，可选定最优碱处理温度为100 ℃、碱促剂A的质量浓度为2 g/L。

3.2.2 补充试验

为了进一步了解开纤时间和碱浓度各自对失重率的影响，在上述试验基础上对主要影响因素NaOH浓度与处理时间又进行了几组试验。

(1)开纤时间试验

设定NaOH质量浓度70 g/L、温度100 ℃、碱促剂A质量浓度2 g/L，改变开纤处理时间进行试验。由图1可见:随着开纤时间的增加，失重率升高；当开纤时间在60 min及以上时，失重率几乎不再升高，并趋近10%，说明复合纤维已完全开纤。由于复合纤维中海组分PET易溶解于碱溶液，在理想状态下，随着开纤时间的延长，PET将被彻底溶解。然而，由于本文中复合纤维是以针刺毡的形式进行碱减量处理的，针刺毡中复合纤维的开纤难于单独复合纤维的开纤，所以在满足海岛型复合纤维完全开纤前提下，选择60 min的开纤时间就可以达到要求。这相对于更长的开纤时间，可以缩短工艺时间和节约生产成本。

图1 开纤时间与失重率的关系曲线

(2)NaOH浓度试验

设定温度100 ℃、碱促剂A质量浓度2 g/L、处理时间60 min，改变NaOH浓度进行试验。由图2可知：随NaOH浓度增大，失重率提高；当NaOH质量浓度大于60 g/L时，失重率趋近于10%，并且随着NaOH浓度的提高，失重率不再提高，说明海组分PET已几乎完全被溶解掉，开纤完全。因此，本研究中复合纤维针刺毡开纤的最优NaOH质量浓度为60 g/L。