三色异形仿真丝织物的开发

甘佳佳， 冯 培， 杨崇倡,2(.东华大学 机械学院，上海 20620；2.纺织装备教育部工程研究中心，上海 20620)

研究与技术

三色异形仿真丝织物的开发

甘佳佳1， 冯 培1， 杨崇倡1,2
(1.东华大学 机械学院，上海 201620；2.纺织装备教育部工程研究中心，上海 201620)

采用截面异形化纤维是生产仿真丝织物的途径之一，涤纶异形丝是一种生产仿真丝织物的原料。文章根据多组分复合熔融纺丝工艺，设计了涤纶三叶形纤维的纺丝组件；通过POLYFLOW软件模拟，优化纺丝工艺参数，确定纤维的截面形状。实验中两个组分分别添加不同颜色色母粒，另一组分则不添加，三组分复合熔纺开发出一种三色三叶纤维。三个叶片分别呈现不同颜色，增加了纤维的光泽度和炫彩效果，可用于制作晚礼服和需要闪光点缀的纺织品及仿真丝织物。且相对常规涤纶纤维，三色三叶纤维有更优异的透气性和透湿性。

三色纤维；三叶形；涤纶；异形丝；纺丝工艺；仿真丝织物

蚕丝之所以有柔和如丝般的光泽，好的吸湿性及丝鸣感，主要是因为其截面形状近似三叶形或三角形，而非一般合成纤维呈圆形。目前，可以通过纤维截面的异形化进行仿制类似蚕丝、麻丝、皮毛等天然纤维。三叶异形截面纤维具有优良的光学特性，用在需要闪光点缀的产品和仿真丝织物产品中，会发出丝绸般的光泽[1]。涤纶纤维由于其大分子链结构的有序性和高度取向，使其具有挺括、洗可穿、抗皱性好的特性。因其力学性能和密度最接近于蚕丝，因此成为合成纤维中最早应用于仿真丝且产量最大的纤维品种[2-3]。细旦化、截面异形化、原丝改性是涤纶仿真丝的三大发展方向[4-5]。

目前涤纶仿真丝熔纺生产工艺仅能生产单色原丝。本文通过复合纺丝的方式开发一种三叶形纤维，在纤维成形阶段赋予其三种颜色。结合三叶纤维丝绸般的光泽，手感轻柔舒适，可用于仿真丝织物领域，且加入荧光色的三色纤维还可以用于防伪领域。

1 纺丝工艺及组件设计

1.1 三组分纺丝工艺

三种聚合物切片分别添加色母粒，在自动干燥箱中干燥后通过螺杆挤压机熔融挤出，再经计量泵熔体计量后进入复合纺丝箱体。在纺丝组件中，通过各自的流道在喷丝孔的入口处，三种熔体通过特定的复合方式一起挤出。在吹风装置的冷却下，固化成形，形成界面清晰的复合纤维，经过上油装置并由卷绕机卷绕成丝筒[6]。三组分纺丝工艺流程如图1所示。

图1 三组分纺丝工艺流程Fig.1 Three-component spinning process

1.2 纺丝组件设计

在多组分复合熔融纺丝工艺中，最主要的是多组分复合纺丝组件的开发，而分配板和喷丝板的设计是纺丝成形的关键因素[7]。纺丝组件中喷丝板及分配板设计如图2所示。

图2 喷丝板及分配板设计Fig.2 Design of spinneret and distributing plates

分配板的作用是将熔体均匀地分配到喷丝孔上。本文纺制的是三叶形纤维，三叶形的每个叶片上是一种组分，借鉴圆形三组分等分组件的设计方法，设计分配板[8]。分配板1上端面设计三个多孔凹槽，用于安放三个组分的五层包边过滤网，过滤熔体杂质。分配板2将分配板1过滤后的熔体收口后分别引入分配板3。分配板3开孔较少，具有很好的耐压性。分配板3将流入的三组分熔体合理地分配到不同直径的熔体圈内，以便于使得熔体进入分配板4时，三种组分的熔体分别流入一组三叶形槽中，然后进入喷丝板，经喷丝板挤出成形。三个组分成120°等分分布，即每个组分占有三叶形的一个叶片。

熔纺用的异形喷丝孔的底部—般为平面，孔排布方式为36孔同心圆等孔距排列。如图3所示，取叶宽W=0.10 mm，叶长H=0.40 mm，圆角R=0.25 mm。为了熔体经过微孔时具有良好的流动性，将三叶形微孔的端部设计成圆弧形。

图3 喷丝板微孔形状Fig.3 Micro-hole shape of spinneret

1.3 模拟确定工艺参数

本文所制备的纤维为4.5 dtex三叶形涤纶纤维，纤维异形度为30%。纤维异形度[9]可用下式表示：

(1)

式中：B为纤维异形度，%；r为异形截面内切圆半径，mm；R为异形截面外接圆半径，mm。

在微孔形状和质量流量等主要参数确定的基础上，通过POLYFLOW模拟优化纺丝温度和冷却速度。假设熔融纺丝时，熔体是不可压缩的稳态层流，忽略质量力和惯性力，熔体满足质量方程、动量方程、能量方程。考虑非等温聚合物熔体温度与黏度的依赖关系，本构方程采用Bird-Carreau和Arrhenius模型。根据表1所示涤纶材料参数和模拟纺丝工艺参数，模拟不同冷却风速和不同纺丝温度下三叶形纤维成形后的截面形状，得到的纤维截面异形度如图4所示。

表1 涤纶材料及模拟纺丝工艺参数
Tab.1 The material parameters of polyester and simulation parameters of spinning process

涤纶材料参数项目参数模拟纺丝工艺参数项目参数非牛顿指数n0.66单孔体积流量Q/(m3·s-1)1.1×10-8熔点T/℃280纺丝温度T1/℃285～305松弛时间λ/s0.07冷却温度T2/℃25零切黏度η0/(Pa·s)210冷却风速V/(m·s-1)0.4～1.2密度ρ/(kg·m-3)1268吹风长度L/m1热容量Cp/(J·kg-1·K-1)3453卷绕速度Vz/(m·min-1)1500热传导率d/(W·m-1·K-1)0.21ε0.66活化能因子α402

图4 不同冷却风速下异形度随纺丝温度的变化Fig.4 Change of profile degree with spinning temperature under different cooling air speed

根据工厂纺丝经验，最低纺丝温度约为285 ℃，低于此温度丝条发脆，后拉伸易产生毛丝、断头，温度过高涤纶发生降解。冷却风速越高，则凝固长度越短，能使丝的截面获得较大的异形度，而过高的风速易产生飘丝和缠丝现象[10]。从图4可以看出，随着纺丝温度的增加，纤维异形度减小。当冷却速度从0.4 m/s增加到1.2 m/s，在不同纺丝温度下，异形度均逐渐增大。相比纺丝温度，冷却风速对纤维变形的影响较小。当纺丝温度为290 ℃，冷却速度为0.8 m/s，纤维截面的异形度为30.2%，最接近30%，模拟的纤维截面如图5所示。

2 实验制备

2.1 原 料

原料为聚酯切片(PET，由上海石油化工股份有限公司提供)，其特性黏度为0.65 dL/g，熔点为280 ℃。三个组分均为聚酯切片，比例为1︰1︰1，且其中两个组分分别以5%的比例添加不同颜色的色母粒。

图5 模拟所需的纤维截面形状Fig.5 Cross section of fiber required by simulation

2.2 仪 器

JM-500ZDGX自动干燥箱(上海金玛电光技术研究所)，三组分纺丝机(上海金纬化纤机械制造有限公司)，Y172型纤维切片器(常州德杜精密仪器有限公司)，BA210LED生物显微镜(Motic麦克奥迪实业集团有限公司)，YG(B)461E型数字式织物透气性(温州际高检测仪器有限公司)，YG 601-Ⅱ型电脑式织物透湿仪(常州市第一纺织设备有限公司)。

2.3 工艺参数

由纺丝工艺路线及模拟结果确定的纺丝工艺参数如表2所示。

表2 纺丝工艺参数
Tab.2 The spinning parameters

项目参数切片干燥温度/℃160～170切片干燥时间/h8螺杆一区温度/℃282螺杆二区温度/℃285螺杆三区温度/℃290螺杆四区温度/℃290组件温度/℃290侧吹风速度/(m·s-1)0.8侧吹风温度/℃25±0.5出风口与喷丝板面距离/mm100吹风长度/m1纺丝速度/(m·min-1)1500泵供量/(g·min-1)36

3 实验结果及分析

3.1 纤维形貌

利用Y172型纤维切片器将实验制备的三叶纤维切成厚度为10～60 μm的切片，在BA210 LED生物显微镜下观测纤维截面形状，获取界面清晰的图像，纤维截面如图6所示，纤维表面如图7所示。

图6(a)是两种组分分别加了荧光和蓝色色母粒，一种组分未加色母粒的纤维截面图；图6(b)是两种组分分别加了红色和蓝色色母粒，一种组分未加色母粒的纤维截面图。

如图6所示，纤维截面形状一致呈胀大三叶形，每种组分占一个叶片。本实验中三个组分均为涤纶，导致各组分之间的粘结面未出现破裂情况，截面情况良好。

如图7所示，三叶形纤维表面具有类似棱镜的形状，在光的照射下，纤维的三个几何面折光率不一

样，从而使光产生折射与分光，相对比圆形截面纤维，折射出来的光线更炫目多彩。从纤维表面可以看出明显的三种颜色，界面清晰，颜色区分度较好，相对单色纤维，色彩更加炫丽。

图6 纤维截面示意Fig.6 Cross section of fiber

图7 三色纤维表面示意Fig.7 Surface diagram of the fiber with three colors

3.2 透气性和透湿性测试

制备普通涤纶和三色三叶涤纶织物试样，保证织物经密、纬密、组织结构等相同。按照GB/T 5453—1997《纺织品 织物透气性的测定》，采用YG(B)461E型数字式织物透气性测试仪测试织物各试样的透气量，实验温度22 ℃，相对湿度60%，设置织物试样两侧压差100 Pa，有效面积均为20 mm2。同时按照GB/T 12704.1—2009《纺织品 织物透湿性试验方法 第1部分：吸湿法》，采用YG 601-Ⅱ型电脑式织物透湿仪测试两种试样透湿性能，实验温度38 ℃，相对湿度90%，气流速度0.4 m/s，各试样直径均为70 mm。每个试样测量10次取平均值，透气透湿性测试结果如表3所示。

表3 织物透气量和透湿量
Tab.3 The moisture transmission and air-permeability of fabric

项目透气量/(mm·s-1)试样1试样2试样3平均透湿量/(g·m-2·d)试样1试样2试样3平均常规涤纶183.3157.9162.6167.93280.93268.23259.53269.5三叶涤纶337.2325.6315.5326.13989.43969.73995.13984.7

从表3可以看出，三叶涤纶纤维织物的透气性和透湿性明显高于常规涤纶纤维。由于三叶纤维截面形状为三叶形，与常规涤纶纤维的圆形截面相比，其表面具有沟槽结构，比表面积增大，使得织物吸湿性较好，且纤维之间的孔隙率更大，纱线蓬松，具有更好的透气性。

4 结 论

通过POLYFLOW模拟纤维成形后的截面形状，确定纺丝温度为290 ℃，冷却风速为0.8 m/s时，纤维异形度可达30.2%。通过三组分复合熔融纺丝技术，在不同组分中添加不同颜色色母粒，使纤维成形后，三个叶片颜色各异，光泽度鲜明。开发出的彩色异形纤维较普通涤纶纤维，其透气性和透湿性更好。

实验纺制的三叶形纤维比例不一致，后续可以通过改进组件设计，使熔体分配更为均匀，三叶形纤维三个叶片颜色分布均匀一致。

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Development of tricolor profiled fiber silk-like fabric

GAN Jiajia1,2, FENG Pei1,2, YANG Chongchang1,2
(1.College of Mechanical Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China; 2.Engineering Research Center of Advanced Textile Machinery, Ministry of Education, Shanghai 201620, China)

Making the cross section of fiber to be difform is one of the methods to produce silk-like fabric. Polyester profiled fiber is a kind of raw materials for producing silk-like fabric. According to the multicomponent composite melt-spinning technology, the spinning pack for trilobal polyester fiber was designed. This article optimized spinning process parameters and determined the cross section of fiber by POLYFLOW software simulation. In the experiments, different color masterbatchs were added to the two components respectively, and the another component added nothing. In this way, a trilobal fiber with three colors was developed by three-component composite melt-spinning. Because three blades prevented different colors, the glossiness and colorful effect of the fiber increased. Thus, the fiber can be used for making evening dress and silk-like fabric embellished with glitter. Compared with conventional polyester fiber, trilobal fiber has more excellent air permeability and moisture permeability.

trichromatic fiber; trilobal; polyester; profiled fiber; spinning technology; silk-like fabric

10.3969/j.issn.1001-7003.2017.01.006

2016-07-04;

2016-12-08

甘佳佳(1991—)，女，硕士研究生，研究方向为复合异形纤维的装备及工艺。通信作者：杨崇倡，研究员，ycc@dhu.edu.cn。

TQ340.642

A

1001-7003(2017)01-0031-05引用页码:011106