高流动性PA 6超细纤维的制备及其性能研究

陈忠海，刘玉峰，胡天辉，刘跃军，邓如生

(1.株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007; 2.湖南工业大学，湖南 株洲 412007)

高流动性PA 6超细纤维的制备及其性能研究

陈忠海1，刘玉峰1，胡天辉1，刘跃军2，邓如生1

(1.株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007; 2.湖南工业大学，湖南 株洲 412007)

采用自制的高流动性聚己内酰胺(HPA 6)、普通聚己内酰胺(PA 6)、低密度聚乙烯(LDPE)为原料，通过共混纺丝法分别制备HPA 6/LDPE定岛纤维和HPA 6/PA 6/LDPE不定岛纤维，溶解去除LDPE，得到一系列HPA 6超细纤维；研究了HPA 6的可纺性及其超细纤维的线密度、力学性能、染色性能等。结果表明：由于HPA 6在纺丝温度下较好的流动性和高支化结构及大量末端基团，HPA 6可纺性良好；HPA 6/LDPE质量比为70/30时，157.4 dtex/36 f HPA 6超细纤维断裂强度为3.85 cN/dtex，断裂伸长率为14%，染色深度为1.809，色牢度达5级；HPA 6超细纤维的力学性能和染色性能优异，与PA 6超细纤维性能相当，可拓展其在纤维领域的应用。

聚己内酰胺纤维 高流动性 超细纤维 海岛结构 共混纺丝

超细纤维通常是指单丝线密度在0.55 dtex以下的纤维[1]。因直径小、比表面积大，超细纤维及其制品的手感柔软性、蓬松性、保暖性、清洁性、覆盖性明显优于其他纤维，同时具有良好的防水透气效果与抗皱性能，因此，在高档织物、皮革、过滤材料、医疗防护用品等领域得到广泛应用。超细纤维的生产方法有超拉伸法、静电纺丝法、海岛复合纺丝法[2-3]。海岛复合纺丝法是指通过共混纺丝制备海岛纤维，再通过溶解去除连续相(海相)成分得到由分散相(岛相)形成的超细纤维的制备过程，在推动聚酯(PET)和尼龙(PA 6)纤维实现超细化进程中得到广泛应用。

PA 6树脂因其良好的力学性能及较宽的加工温度范围而广泛应用于机械、化工、汽车、纺织等领域。高流动性PA 6(HPA 6)由于其高度支化的三维球状结构及丰富的末端化学基团，不仅具有优异的流动性、易成型、对玻璃纤维等的完善浸渍与对填充物的高度分散性等优点，同时保持良好的力学性能[4]，具有广阔的应用前景。但目前关于HPA 6的报道集中在HPA 6的阻燃、增强和增韧改性，以及其在电子电器、汽车与轨道交通轻量化方面的应用[4-7]，HPA 6在超细纤维方面的应用鲜有报道。

作者通过HPA 6与低密度聚乙烯(LDPE)共混纺丝制备了以LDPE为海相，HPA 6为岛相的超细纤维原丝，经二甲苯溶解去除LDPE后得到HPA 6超细纤维，研究了HPA 6在超细纤维应用中的可纺性，并对制备的HPA 6超细纤维的线密度、力学性能和染色性与普通PA 6超细纤维进行了对比研究。

1 实验

1.1 原料

HPA 6切片：牌号XC010，株洲时代新材料科技股份有限公司产；普通PA6切片：牌号M3280，广东新会美达锦纶股份有限公司产；LDPE树脂：牌号1150A，中石化北京燕山石油化工股份公司产；染料：雅格赛特，上海雅运集团产；二甲苯：分析纯，市售。

1.2 主要仪器与设备

熔法纺丝机：北京服装学院制；纺织机：福建华阳超纤有限公司制；ME600光学显微镜：日本尼康公司制；S-2150扫描电镜(SEM)：日本日立公司制；Datacolor SF600 Plus测色配色系统：Datacolor公司制。

1.3 HPA6超细纤维及其织物的制备

首先将干燥的PA 6(M3280或XC010)切片与LDPE按照一定的比例配合，并进行熔融共纺，得到相应的海岛型纤维，再经上油、拉伸(拉伸倍数为2.5)、二甲苯溶解剥离、卷曲、干燥定型及切断得到相应的PA 6或HPA 6超细纤维。

将熔融共混纺丝得到的超细纤维进行纺织，相应的得到织物，以备相关性能测试。

M3280/XC010/LDPE不定岛纤维纺丝工艺参数如下：螺杆温度分别为一区210 ℃、二区245 ℃、三区245 ℃、四区245 ℃，熔体分配管温度250 ℃，纺丝箱体温度250 ℃，纺丝速度300 m/min，PA6切片/LDPE质量比为50/45，其中，M3280/XC010质量比分别为0/100，20/80，50/50和100/0。

XC010/LDPE定岛纤维的纺丝工艺见表1，其中， XC010切片/LDPE质量比分别为50/50，60/40和70/30。

表1 XC010/LDPE定岛纤维纺丝工艺Tab.1 Spinning process parameters of XC010/LDPE figured islands-in-sea fiber

1.4 超细纤维及其织物的染色

以雅格赛特染料0.1 g、硫酸铵(1 g/L)和醋酸(1 g/L)各50 mL混合均匀，将5g超细纤维或超细纤维编织物在常温下染色10 min(浴比1:10)，以1 ℃/min升温至98 ℃，保持50 min，然后降温至室温，最后在碳酸钠和皂粉的混合液中皂洗10 min，皂洗温度98 ℃，浴比1:30。

1.5 分析与测试

流变性能：分别在225,230,240和250 ℃测试HPA 6(XC010)的黏度，并测定纺丝温度下(240 ℃和250 ℃)各原料的流变性。

纤维形貌：在光学显微镜下观察超细纤维的形态并拍照记录放大倍数为200和1 000时的微观形态；试样表面做离子溅射镀金后，在扫描电镜上观察其形态并照相，记录其放大倍数为2 000时的微观形态。

线密度：测试试样为经拉伸后的共纺原丝，参照标准GB/T 1798—2008进行。

力学性能：采用GB/T 14337—1993常规方法测试，每类品种至少测试5个试样，取平均值。

染色深度(K/S)：采用DatacolorSF600plus测色配色系统在D65光源，10°下测试，不同部位测试5次取平均值。

染色牢度：采用LFY-304型纺织品耐摩擦色牢度试验仪对染色后的M3280和XC010超细纤维编织物按标准GB/T3921—1997进行测试。

2 结果与讨论

2.1 HPA 6的可纺性

良好的可纺性是HPA 6在超细纤维中应用的重要前提。而海岛型纤维的可纺性与纺丝体系在纺丝温度下的流动性及“海相”与“岛相”的黏度及配比密切相关。因此，首先对M3280/XC010及LDPE在纺丝温度下的流变性进行了考察。

一般而言，要求在纺丝温度下，“海相”的黏度略小于“岛相”的黏度，以利于海岛结构的形成及“岛相”在“海相”中的分散；若二者之间的黏度相差太大，纺丝过程中出现熔体向高黏度方向弯曲现象，导致粘附喷丝板表面，纺丝困难；而“岛相”在纺丝温度下流动性差会导致二者相容性差，造成分层破裂，无法正常纺丝[8]。由图1可以看出，在纺丝温度240～250 ℃下，XC010略大于LDPE的黏度，且M3280与XC010复合可有效降低M3280的黏度，有利于海岛结构的形成，以及PA6相(岛相)在LDPE相(海相)的均匀分散。结合熔融共混纺丝过程可知，XC010和M3280/XC010与LDPE的共纺工艺均稳定，各混合比例可纺性均良好，所得纤维粗细均匀，卷绕成形良好，外观良好。

图1 纺丝原料的流变性能Fig.1 Rheological properties of feedstocks ●—XC010；▲—LDPE；▼—M3280； ◀—M3280/XC010质量比为50:50； ▶—M3280/XC010质量比为20:80

溶解去除拉伸丝中的LDPE后，采用扫描电镜和光学显微镜对HPA 6超细纤维的微观形态进行研究，见图2、图3所示。定岛XC010/LDPE纤维(拉伸丝)经二甲苯剥离后得到的HPA 6超细纤维粗细均匀，直径约3.0～3.5 μm，纤维表面光滑，纤维之间无粘接。此外纤维直径随XC010比例的增加而略增加，这与文献[8]中报道的岛相尺寸随其比例增加而增大一致。

图2 定岛XC010/LDPE超细纤维SEM照片Fig.2 SEM images of XC010/LDPE figured islands-in-sea ultrafine fibers

图3 不定岛M3280/XC010/LDPE 超细纤维光学显微镜照片Fig.3 Optical microscopic images of M3280/XC010/LDPE unfigured islands-in-sea fibers

不定岛M3280/XC010共纺超细纤维粗细均匀，直径为2～4 μm，当M3280/XC010质量比为20/80时，纤维直径低至2 μm。这是由于在纺丝温度下，XC010较M3280流动性好(如图1所示)，更易形成均匀且尺寸较小的海岛结构[8-9]，即粗细均匀、直径较小的超细纤维。

综合HPA 6纺丝过程及其超细纤维的微观形态可知，HPA 6(XC010)可纺性良好，所得超细纤维粗细均匀，且直径小于普通PA6超细纤维。

2.2 HPA 6超细纤维的力学性能

由表2可知：不定岛XC010超细纤维(M3280/XC010质量比为0:100)的线密度较M3280超细纤维(M3280/XC010质量比为100:0)降低13.45%，且力学性能相当；M3280/XC010 共纺超细纤维的线密度和力学性能显著改善，当M3280/XC010质量比为20/80时，所得超细纤维线密度较M3280超细纤维降低21%，断裂强度和断裂伸长率分别提高约12%和38%；定岛XC010超细纤维的线密度在160 dtex/36f以下，且其断裂强度随XC010的用量增加显著提高， XC010/LDPE质量比为50:50，60:40，70:30的纤维断裂强度分别为2.88，3.62，3.85 cN/dtex，与文献[8]报道相符，但断裂伸长率略降低。

HPA 6(XC010)超细纤维较M3280超细纤维的线密度低，一方面是由于XC010黏度较低，在纺丝温度下的流动性良好而导致超纤维直径较小(如前所述)，另一方面是由于高支化的结构有助于其与LDPE相容性的提高，从而使XC010可以均匀分散于LDPE海相中。

表2 HPA 6超细纤维的力学性能Tab.2 Mechanical properties of HPA 6 ultrafine fibers

2.3 HPA 6超细纤维的染色性能

由表3可知，XC010超细纤维染色性能良好，定岛和不定岛超细纤维染色都基本均匀，且不定岛M3280/XC010 超细纤维的K/S随XC010添加量增加而增加。

表3 HPA 6超细纤维的染色性能Tab.3 Dyeing behavior of HPA 6 ultrafine fibers

这一方面是由于HPA 6(XC010)的高支化结构在其分子中引入了大量末端基团，有利于染料的吸附与染色牢度的提高；另一方面，XC010的高支化结构降低了PA 6的结晶度和结晶温度，有利于染料的牢固吸附[10]。此外，定岛超细纤维较不定岛纤维的染色程度深，这是由于定岛结构中超细纤维的尺寸更均匀、结构更规整所致[9]。

另外，将不定岛XC010超细纤维进行编织，并对织物进行染色，结果表明，XC010超细纤维织物的染色性优良，甚至优于对比样M3280超细纤维织物，二者牢度相当，干摩擦色牢度均达5级。

3 结论

a. HPA 6树脂(XC010) 具有优良的可纺性，其共混纺丝工艺稳定，所得超细纤维粗细均匀，外观较好，线密度、力学性能、纤维及其织物的K/S、染色均匀度和色牢度达到较高水平，与市售PA6树脂(M3280)相当，在纤维纺织领域具有较好的产业化应用前景。

b. HPA 6中大量的末端基体及其高支化结构和良好的流动性有利于超细纤维线密度的降低和力学性能及染色性能的提升。

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Preparation and properties of high-flowability PA 6 ultrafine fibers

Chen Zhonghai1, Liu Yufeng1, Hu Tianhui1, Liu Yuejun2, Deng Rusheng1

(1.ZhuzhouTimesNewMaterialTechnologyCo.,Ltd.,Zhuzhou412007; 2.HunanUniversityofTechnology,Zhuzhou412007)

By using a self-made high-flowability polycaprolactam (HPA 6), traditional polycaprolactam (PA 6) and low-density polyethylene (LDPE) as raw material, an HPA 6/LDPE figured islands-in-sea fiber and an HPA 6/PA 6/LDPE unfigured islands-in-sea fiber were prepared via blend spinning process, which were produced into HPA 6 ultrafine fibers by removing LDPE. The spinnability of HPA 6 and the linear density, mechanical properties and dyeing behavior of the ultrafine fiber were studied. The results showed that HPA 6 exhibited fairly good spinnability due to the high flowability at spinning temperature, highly-branched structure and a large amount of end groups; the HPA 6 ultrafine fiber of 157.4 dtex/36 f had the breaking strength of 3.85 cN/dtex, elongation at break 14%, dyeing depth 1.809 and color fastness grade 5 as the HPA 6/LDPE mass ratio was 70-30; HPA 6 ultrafine fiber possessed excellent mechanical properties and dyeing behavior equal to those of PA 6 ultrafine fiber, so its application could be expanded in fiber field.

polycaprolactam fiber; high-flowability; ultrafine fiber; islands-in-sea structure; blend spinning

2016-12-19； 修改稿收到日期：2017- 02- 07。

陈忠海(1963—)，男，高级工程师，主要从事高分子材料的开发及推广应用。E-mail：chenzhonghai1996@csrzic.com。

TQ342+.11

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1001- 0041(2017)02- 0034- 04