纺丝工艺对并列复合聚酯纤维性能的影响

李明明， 陈 烨， 李 夏， 王华平,2

(1. 东华大学 材料科学与工程学院， 上海 201620； 2. 东华大学 研究院， 上海 201620)

并列复合型弹性纤维是一类具有潜在弹性的纤维，采用相容性好而热收缩差较大的2种组分通过并列复合纺丝制得，对其进行牵伸和热处理使纤维产生热收缩和不对称应力，可使并列复合纤维形成三维立体卷曲结构[1-2]。

聚酯纤维作为目前国内生产与使用量最多的合成纤维品种，具有高强高模、抗皱、质轻及易洗快干等优点。将聚酯材料制备成并列复合纤维进一步赋予聚酯纤维优异的三维卷曲和弹性性能，可广泛用于紧身内衣、丝袜、织带等弹性织物以及蓬松填充材料等领域。并列复合纤维的纺制一般采用二步法工艺，首先在高速纺丝条件下得到预取向丝(POY)，然后经过牵伸加捻(DT)等工艺使纤维内大分子进行取向和产生卷曲。为探索并列复合纤维的纺丝工艺以满足不同弹性要求的产品，可研究通过一步法制备弹性纤维，以便工业上进一步取代拉伸变形丝(DTY)，省去加捻等二步处理工艺，节约成本，简化操作，避免了纤维在变形加工过程中对其结构的损伤，以及纤维在后期使用过程中弹性不稳定，易变形的缺点[3]。

本文以2种黏度的聚酯(PET)为原料，分别采用预取向丝经牵伸加捻制备POY-DT，经一步法制备全拉伸丝(FDY)。通过在相同牵伸倍数和温度下，对2种工艺制备的并列复合纤维的卷曲性能、力学性能、热处理方式等进行比较，研究2种纤维的尺寸稳定性。

1 实验部分

1.1 主要原料及性能

常规PET、瓶级PET，均购自中国石化仪征化纤股份有限公司。原料的黏度([η])、玻璃化转变温度(Tg)、结晶温度(Tc)及熔融温度(Tm)如表1所示。

表1 样品原料性能Tab.1 Sample raw material properties

1.2 并列复合聚酯纤维的制备工艺

纺丝前常规PET和瓶级PET均在(180±2)℃下预结晶8 h，并在130 ℃下干燥24 h，将水分含量控制在0.003%以下。

1.2.1 牵伸加捻工艺制备并列复合纤维

将干燥结晶后的常规PET与瓶级PET在东华大学自制的双螺杆并列复合纺丝机上以1∶1的进料速度进行并列复合纺丝。喷丝板的规格为并列双组分72孔，喷丝孔长径比为3∶1，“8”字型喷丝板结构图如图1所示。制备得到预取向丝(POY)，纺丝速度为2 780 m/min，纺丝工艺如表2所示。

图1 “8”字型喷丝孔的参数示意图Fig.1 Schematic diagram of parameters of 8-shaped orifice

表2 初生POY纤维纺丝工艺参数
Tab.2 Process parameters of primary POY
fiber spinning ℃

原料名称纺丝温度一区二区三区四区箱温联苯气相温度联苯液相温度冷凝温度常规PET290295295290瓶级PET291299300303294295297293

将制备的并列复合纤维POY初生纤维采用TF-100型平行牵伸机盘热板拉伸，选择热盘温度为100 ℃，热板温度为 140 ℃，牵伸倍数为1.9。

1.2.2 一步法工艺制备并列复合纤维

将干燥结晶后的常规PET与瓶级PET在双螺杆并列复合纺丝机中纺丝，并利用一步法牵伸设备进行牵伸，根据FDY工艺纺丝经验[4]，第1辊转速选为1 800 m/min，具体纺丝及牵伸工艺如表3、4所示。

表3 FDY纺丝工艺Tab.3 FDY spinning process ℃

1.3 纤维结构和性能测试

1.3.1 热性能测试

采用Q-20型差示扫描量热仪，在N2氛围下，以10 ℃/min的升温速率，对共聚酯热性能进行测试。

表4 FDY牵伸工艺Tab.4 FDY drafting process

1.3.2 结构形态观察

采用VHX-1000型超景深显微镜以及数码相机拍摄纤维的纵向卷曲形态。

1.3.3 力学性能测试

将纤维在100 ℃下干热处理10 min，以及在沸水湿热处理10 min后，采用XL-I型复丝强力仪对未经热处理、干热处理、湿热处理纤维进行力学性能测试。预加张力为0.05 cN/dtex，拉伸速度为 200 mm/min，夹持距离为200 mm。

1.3.4 结晶和取向结构测试

采用广角X射线衍射法测定纤维的结晶度。将纤维样品剪碎后，利用D/max-B型X射线衍射仪进行测试。实验采用管电流为50 mA，管电压为 40 kV，扫描速度为5(°)/min。

采用东华大学材料学院自制的SCY-Ⅲ型声速取向仪测定纤维的取向性能。根据样品线密度施加张力，张力大小按照0.1 cN/dtex计算。

1.3.5 收缩性能测试

参照GB/T 6505—2008《化学纤维 长丝热收缩率试验方法》测定纤维的沸水收缩率，将纤维用纱布包好，放置在恒温水浴锅中沸水处理30 min，取出自然干燥后在标准状态下放置24 h。沸水收缩率按下式进行计算。

式中：S为沸水收缩率，%；L0为沸水处理前的丝绞长度，mm；L1为沸水处理后的丝绞长度，mm。

采用相同方法进一步测试纤维在经沸水处理30 min后的即时收缩率和放置12、24、72、168 h的长期收缩率。

1.3.6 卷曲性能测试

由于FDY纤维在热处理前不具有卷曲结构，因此，对2种样品经过100 ℃、10 min的湿热处理工艺后进行卷曲性能的评价。

参照GB/T 14338—2008《化学纤维 短纤维卷曲性能试验方法》测定纤维的卷曲性能，包括卷曲率(J)、卷曲回复率(Jw)和卷曲弹性率(Jd)，分别按照下式进行计算：

式中：L2为纤维在轻负荷下测得的长度，mm；L3为纤维在重负荷下测得的长度，mm；L4为纤维在重负荷释放后经2 min回复，再在轻负荷下测得的长度，mm。

2 结果与讨论

2.1 卷曲形态分析

图2示出并列复合纤维卷曲结构。

图2 2种并列复合纤维的卷曲结构Fig.2 Two kinds of parallel composite fiber crimped structure.(a)POY-DT without boiling water treatment；(b)FDY without boiling water treatment；(c)POY-DT in boiling water treatment；(d)FDY in boiling water treatment；(e)POY-DT microstructure(×30)；(f)FDY microstructure(×30)

由图2(a)、(b)可知，未经沸水处理的POY-DT和FDY工艺制备的复合纤维卷曲均大而稀疏，但FDY工艺制备得到的并列复合纤维较POY-DT工艺制备得到的复合纤维卷曲稍微稠密。由图2(c)、(d) 可知，POY-DT和FDY工艺制备的复合纤维经沸水处理后，相较于沸水处理前，纤维的卷曲结构有了明显改变，卷曲更加充分，卷曲半径更小。通过观察对比图2(c)、(d)和图2(e)、(f)可知，通过FDY工艺制备的复合纤维在沸水处理后纤维的卷曲更加稠密和细致，在一定程度上说明了FDY成型工艺更加利于并列复合纤维三维卷曲结构的形成。

2.2 取向和结晶结构分析

通过对POY-DT和FDY工艺制备的并列复合纤维的结晶度和取向度进行测试比较可知： 2种工艺制备的纤维结晶性能接近，结晶度分别为31.6%和30.8%；而纤维的声速取向因子相差较大，FDY的声速取向因子(0.87)是POY-DT(0.43)的2倍多，FDY的晶区取向度和整体取向度都较高。FDY工艺具有高效快速的特点[5-6]，纺丝牵伸一步完成，纤维在牵伸时由于纤维表面和芯部均处在较高的温度，使纤维表面和芯部的晶区和分子链段都能得到取向；而对于POY-DT工艺，纤维在牵伸时热量从表面传递到芯部需要一定的时间，在较高的卷绕速度下，纤维表面的温度要高于芯部，导致纤维的芯部分子链运动能力较差，进而导致纤维的整体取向下降。结晶的过程主要在纺丝阶段，因此，在相同的纺丝温度和纺丝速度下，2种工艺制备的纤维具有相近的结晶度。

2.3 卷曲性能分析

表5示出2种并列复合纤维样品经热处理后卷曲性能测试结果。可知：FDY纤维的整体卷曲性能较POY-DT纤维的卷曲性能优异，但二者相差不大，卷曲率、卷曲弹性率和卷曲回复率差距均在10%以内；而二者的卷曲弹性率均达到80%以上，表明2种纤维的卷曲稳定性都比较好。并列复合纤维的卷曲来自于2个方面[7-9]：一是并列双组分在热处理工艺中具有不同的收缩率，从而在宏观上表现为卷曲的产生；二是纤维在牵伸工艺中大分子发生取向，取向的同时伴随内应力的产生，双组分高聚物内应力大小差异赋予了纤维卷曲结构。FDY与POY-DT纤维在相同的热处理条件下，由于组分相同，因此，具有相同的热收缩率；而2种工艺制备纤维的取向性能差异进一步表明，FDY较POY-DT的双组分高聚物内应力差异大。

表5 2种纤维样品经热处理后卷曲性能Tab.5 Crimp properties of two kinds of fiber after heat treatment %

2.4 沸水收缩率和卷曲结构稳定性分析

将POY-DT与FDY纤维经过沸水处理30 min后，其沸水收缩率分别为12.9%和8.3%，POY-DT的沸水收缩率比FDY的高约55%。2种纤维的即时收缩率与长期收缩率差值结果如表6所示。可知：POY-DT试样即时收缩率和放置12、24、72、168 h 后的长期收缩率差值较大，表明经过沸水处理后，卷曲试样仍在继续收缩；FDY试样的即时收缩率和放置12、24、72、168 h后的收缩率差值比POY-DT试样更大，说明其在热处理后卷曲结构的收缩势能更大，结构更不稳定[10-11]；通过对纤维的即时收缩率和长期收缩率研究可知，FDY纤维的即时收缩率较小，但随着时间的延长，其收缩仍在继续，而POY-DT的长期收缩率较低，经过沸水处理后，可得到尺寸相对较稳定的纤维长丝。

表6 2种纤维的即时收缩率与长期收缩率差值Tab.6 Difference between immediate shrinkage ratio and long-term shrinkage ratio of two kinds of fibers %

2.5 力学性能分析

表7示出纤维在未经过热处理、干热处理以及湿热处理3种情况下的力学性能。可知：纤维经过热处理会导致其断裂强度下降，断裂伸长率提高；FDY纤维经过干热处理会导致断裂强度下降幅度更大，在后续处理工艺中更适合采用湿热处理以保证纤维的强度；POY-DT纤维经过湿热处理会导致其断裂强度下降，而干热处理对纤维断裂强度的影响很小。纤维经过热处理会导致其内部分子链段解取向的发生，从而表现为断裂强度下降，断裂伸长率的大幅提高。湿热处理使纤维断裂伸长率提高较干热处理明显，主要是因为纤维吸湿后发生膨胀，分子链间的作用力减弱， 但由于分子链间距离变大， 纤维在拉伸时， 其应变明显大于未处理试样和干热处理试样[12]。

表7 未经热处理、经过干湿热处理后的2种纤维力学性能Tab.7 Mechanical properties of two kinds of fibers after heat treatment, heat and humidity treatment

3 结 论

1)全牵伸(FDY)并列复合纤维的整体卷曲性能较预取向丝进行牵伸加捻(POY-DT)得到并列复合纤维优异，主要是由于FDY较POY-DT纤维的双组分高聚物内应力差异大，从而赋予其更高的卷曲性能。

2)FDY与POY-DT并列复合纤维的结晶性能相近，而POY-DT纤维由于表面向芯部的传热过程较缓慢，芯部温度不高，分子运动受限，在高速牵伸下，主要以表面高分子链段的取向为主，芯部取向较差，从而导致POY-DT的取向程度较FDY低。

3)FDY在沸水处理后，随着时间的延长，其收缩仍会继续发生，而POY-DT经过沸水处理后，可得到尺寸相对较稳定的纤维长丝。纤维进行热处理可提高其卷曲性能，但同时会影响纤维的力学性能，POY-DT更适合干热处理，FDY更适合湿热处理。