海洋缆绳用高耐磨高强低伸涤纶工业丝的开发

马建平1 严剑波2 林启松 张先明 王建辉1 陈世昌

1. 浙江金汇特材料有限公司,浙江 海宁 314413；2. 杭州蓝孔雀化学纤维(股份)有限公司,浙江 湖州 310011；3. 浙江理工大学纺织纤维材料与加工技术国家地方联合工程实验室,浙江 杭州 310018

中国的涤纶工业丝自20世纪80年代开始起步，现已经历了发展、调整和跨越的阶段，年产能已从20世纪80年代末的7 500 t发展到2015年的约200万t。中国的涤纶工业丝现已占据世界总产能65%以上的份额，中国已成为世界涤纶工业丝的主要生产国。涤纶工业丝作为一种产业用纺织品原料，在建筑、汽车运输、广告、海洋、设备吊装等领域应用广泛，其为社会的发展和建设提供了优质的骨架材料，但其总体用量在产业用纺织品中只占据10%左右的份额，发展空间仍较大。如今，功能性产业用纺织品材料越来越体现出较强的市场需求和发展势头[1-3]。

海洋缆绳是重要的海洋工程用产业用纺织品。目前，海洋缆绳用高耐磨高强低伸涤纶工业丝的产量在快速增长，国内纤维行业同质化竞争的通病又逐步显现。但简单的产量增长只会造成行业价格的恶性竞争，利润逐步降低甚至出现亏损，这必将对海洋工程用产业用纺织品的发展带来致命的影响。因此，开发高性能的海洋缆绳用原料，特别是性价比优势明显的高耐磨高强低伸涤纶工业丝原料，非常必要。

本文着眼于提高海洋缆绳用普通高强低伸涤纶工业丝的耐磨性，同时减少拒海水型功能油剂的添加量，通过采用独创的特殊结构喷丝板进行纺丝，并在线添加拒海水型功能油剂，开发海洋缆绳用高耐磨高强低伸涤纶工业丝，提高产品附加值，同时建立配套的海洋缆绳荷重湿耐磨性能测试方法，以供企业研发参考。

1 试验

1.1 原辅料及设备

超有光PET切片：特性黏度为0.67 dL/g，端羧基含量为24 mol/t，色度值L和b分别为86.0和2.0，二甘醇(DEG)质量分数为0.9%。

拒海水型功能油剂：A油剂和B油剂。

固相聚合(SSP)增黏设备：大连海新140 t/d大容量连续固相聚合装置。

纺丝设备：德国BARMAG纺丝牵伸卷绕一体机。

1.2 工艺流程

超有光PET切片→SSP增黏→螺杆挤压机熔融→喷丝板纺丝→侧吹风冷却成型→基础油剂上油→热辊多级拉伸定型→添加拒海水型功能油剂→卷绕成型。

通过调整具体的纺丝工艺可得到不同的试样。

1.3 测试方法

增黏切片特性黏度：以苯酚-四氯乙烷混合溶液(质量比1 ∶1)作为溶剂，采用PV-36型黏度测定仪(德国Lauda公司)测试增黏切片的特性黏度，测试温度为25 ℃。

涤纶工业丝力学性能：利用3344型单柱式拉力机(美国Instron公司)测试试样的拉伸强度及断裂伸长率。

涤纶工业丝干热收缩率：采用TST-2型全自动干热收缩仪(奥地利兰精集团)测试试样干热收缩率。

2 特殊结构喷丝板的设计

海洋缆绳用普通高强低伸涤纶工业丝的纺制多采用普通结构喷丝板。如图1所示，这种喷丝板的喷丝孔数通常为192，喷丝孔径为0.60 mm，纺得的192根单丝截面皆为均匀一致的圆形。

本文独创的特殊结构喷丝板如图2所示，其喷丝孔数仍为192，但喷丝孔的内外层做了合理的设计与排布，表现为内层128孔为小孔径、外层64孔为大孔径，具体设计参数如表1所示。纺丝成形后，外层线密度较大的64根丝能很好地包覆内层线密度较小的128根丝，有效提高了丝束整体的耐磨性。

图1 普通结构喷丝板

图2 特殊结构喷丝板

表1 特殊结构喷丝板的参数设计

3 海洋缆绳用高耐磨高强低伸涤纶工业丝的生产研究

3.1 纺丝工艺的确定

鉴于海洋缆绳的使用环境，海洋缆绳用涤纶工业丝除需具备较高的断裂强度及较低的断裂延伸性外，还需具备拒海水性和耐磨性[4-5]。

本文使用普通结构喷丝板和特殊结构喷丝板进行2 220 dtex/192 f涤纶工业丝的纺制，通过调整低温的两级拉伸和一级定型工艺，获得普通高强低伸涤纶工业丝(简称“普通丝”)和高耐磨高强低伸涤纶工业丝(简称“耐磨丝”)。其中，针对特殊结构喷丝板，考虑到喷丝孔径的不同，还重点增加了缓冷器及侧吹风设备，以获得内部线密度不同但分布良好的耐磨丝。

表2罗列了5种纺丝工艺条件及所得普通丝与耐磨丝的物理性能与纺丝状况。其中，T0代表普通丝；T1、 T2代表拒海水型普通丝；T3、 T4代表拒海水型耐磨丝。拒海水型功能油剂在卷绕前的松弛区以二次上油的方式添加，因此不会影响纺丝过程。

表2 5种纺丝工艺条件及所得普通丝与耐磨丝的物理性能与纺丝状况

(续表2)

表2中：与普通丝T0相比，拒海水型普通丝与拒海水型耐磨丝的纺丝工艺要求更低的缓冷温度和更大的牵伸比，所得产品强度和干热收缩率更大、断裂伸长率更小。比较T1和T2可知，利用普通结构喷丝板纺制时，降低缓冷器温度及牵伸辊温度可得到符合要求的拒海水型普通丝，再结合纺丝状况和断裂伸长率指标，确定T2的纺丝工艺最适合拒海水型普通丝的纺制；比较T3和T4可知，利用特殊结构喷丝板纺制时，较高的冷却成型条件(侧吹风风速1.0 m/s)可获得符合要求的断裂伸长率指标，再结合纺丝状况，确定T4的纺丝工艺最适合拒海水型耐磨丝的纺制。

3.2 拒海水型功能油剂的添加

A油剂和B油剂是当前市场上较成熟的两种进口拒海水型功能油剂。拒海水型功能油剂耐热性差，不能同基础纺丝油剂一起在拉伸热辊前加入，而是在卷绕前的松弛区，通过特殊的油嘴二次添加的。

3.2.1 油嘴类型

高强低伸涤纶工业丝上油的均匀性与油嘴类型有着非常大的联系。本文根据A油剂和B油剂的特性及使用条件，参照T2和T4纺丝工艺条件，分别采用一道储油槽油嘴(图3)、两道储油槽油嘴(图4)和三道储油槽油嘴(图5)，对普通结构喷丝板和特殊结构喷丝板制备的2 220 dtex/192 f涤纶工业丝进行上油试验，添加不同量的拒海水型功能油剂，结果见表3。

图3 一道储油槽油嘴

图4 两道储油槽油嘴

图5 三道储油槽油嘴

表3 拒海水型功能油剂添加试验

注：“-”表示没有滴油，“+”表示轻微滴油，“++”表示严重滴油

从表3可以看出：

(1)使用一道储油槽油嘴上油时，普通结构喷丝板纺制的普通丝仅在A油剂添加量较低时有轻微滴油，其他均为严重滴油；特殊结构喷丝板纺制的耐磨丝在A油剂和B油剂添加量较高时严重滴油，其他基本为轻微滴油。(2)使用两道储油槽油嘴上油时，普通丝均存在轻微滴油现象；耐磨丝在高油剂添加量时存在轻微滴油，其他皆没有滴油。(3)使用三道储油槽油嘴上油时，总体使用效果最好，几乎没有滴油。故根据滴油情况和最终上油的均匀性，确定三道储油槽油嘴作为海洋缆绳用涤纶工业丝上油的油嘴类型。

3.2.2 油剂添加量

涤纶工业丝的耐磨性与油剂添加量直接相关。本文为系统研究两者的相互关系，自行研发设计了一套荷重湿耐磨测试仪。耐磨性测试具体步骤：在模拟海水的碱性环境下固定荷载，涤纶工业丝之间进行连续的动态摩擦，记录摩擦至断裂时的摩擦次数即耐磨次数，然后取其对数值用于表征涤纶工业丝的耐磨性能。本文基于表3的试验结果，选取使用三道储油槽油嘴上油的普通丝31#、 32#、 33#、 34#、 35#、 36#和耐磨丝61#、 62#、 63#、 64#、 65#、 66#共12组用于耐磨性测试，每组各5个平行试样，结果归纳于表4和表5。A油剂的3种添加量(0.4%、 0.5%、 0.6%)在成本上与B油剂的3种添加量(2.0%、 3.0%、 4.0%)对应相当。对于2 220 dtex/192 f规格的海洋缆绳用普通高强低伸涤纶工业丝，标准的耐磨次数对数值为4.08。

表4 普通丝的耐磨性

表5 耐磨丝的耐磨性

图6反映了A油剂添加量与海洋缆绳用高强低伸涤纶工业丝耐磨性的关系，可以看出：

(1) 无论是普通丝还是耐磨丝，它们的耐磨性开始都随着A油剂添加量的增加而增加，但增加到一定程度后耐磨性又有所降低。究其原因在于，油剂添加量增大到一定量后，涤纶工业丝外围包裹的拒海水型功能油剂膜厚度不均匀性增大，这在一定程度上降低了其耐磨特性。

图6 A油剂添加量与海洋缆绳用高强低伸涤纶工业丝耐磨性的关系

(2) 在油剂添加量相同的情况下，耐磨丝的耐磨性能远优异于普通丝，这与特殊结构喷丝板的设计有关。

图7反映了B油剂添加量与海洋缆绳用高强低伸涤纶工业丝耐磨性的关系，可以看出：普通丝和耐磨丝的耐磨性均表现为随着B油剂添加量的增大而增大，这可能与B油剂自身的浓度远低于A油剂有关，这样涤纶工业丝外围包裹的拒海水型功能油剂膜厚度虽增加但不足以影响到其耐磨性。

图7 B油剂添加量与海洋缆绳用高强低伸涤纶工业丝耐磨性的关系

对比图6和图7可知：(1)添加A油剂的海洋缆绳用高强低伸涤纶工业丝(普通丝和耐磨丝)的耐磨性明显好于添加B油剂的海洋缆绳用高强低伸涤纶工业丝(普通丝和耐磨丝)，且A油剂添加量都低于B油剂添加量；(2)耐磨丝的耐磨性能明显好于普通丝。因此，特殊结构喷丝板的使用降低了拒海水型功能油剂的添加量。生产中可根据客户对耐磨性的要求，再结合生产成本等因素，优化海洋缆绳用高耐磨高强低伸涤纶工业丝的生产。

4 结论

利用创新设计的内外层孔径不同的特殊结构喷丝板纺丝，再在卷绕前的松弛区利用三道储油槽油嘴以二次上油的方式添加拒海水型功能油剂，可制得上油均匀性好的2 220 dtex/192 f海洋缆绳用高耐磨高强低伸涤纶工业丝。特殊结构喷丝板的使用降低了拒海水型功能油剂的添加量。自行研发设计的一套荷重湿耐磨测试仪可用于表征海洋缆绳用高强低伸涤纶工业丝的耐磨性能。