正十字涤纶纤维的制备及性能研究

刘传生

(中国石化仪征化纤有限责任公司研究院，江苏仪征 211900)

传统的聚酯纤维以其优异的化学和物理性能，在生产生活领域被广泛应用，但因其分子主链上没有亲水性官能团，由其制备的织物吸湿快干性能较差，穿着不舒适，使其在高端领域中的应用受到了限制，而兼具导湿快干性能的异形涤纶纤维可以有效解决这一问题。

聚酯熔纺中利用异形截面喷丝板赋予纤维表面一定的微细凹槽，沟槽产生的毛细管作用，使其具有芯吸性能，织物通过纤维间的毛细通道将汗液传递至织物的表面并挥发，从而使涤纶纤维具备了吸湿快干的能力[1-2]。

作者利用异形喷丝板制备了正十字形涤纶纤维，并通过对纺丝温度、冷却风速度及后加工工艺对纤维截面形状和性能的研究，优化纺丝工艺，为异形纤维工业化提供指导。

1 试 验

1.1 原料与设备

PET切片，仪征化纤公司，性能指标见表1。

表1 PET切片常规性能指标

真空转鼓干燥箱，JM-500ZGX型，上海金玛电光技术研究所；复合纺丝机，JWHQ100型，晋中经纬化纤精密制造有限公司；牵伸卷绕机，JWKV518型，晋中经纬化纤精密制造有限公司；双面针织机，ZJ-S4R0681型，凹凸精密机械有限公司；自动强伸仪，Statimat M型，德国Textechno公司；光学显微镜，XPL-2型，南京江南永新光学有限公司；场发射扫描电镜，FEI Nova Nano SEM 450型，美国赛默飞公司。

1.2 测试及表征

纤维强伸性能测试：参照《GB/T 14344—2008化学纤维长丝拉伸性能试验方法》。测试夹持距离(500±1)mm，拉伸速度500 mm/min，测试环境温度(20±2)℃，相对湿度(65±5)%。

织物芯吸高度测试：取纬向长20 cm经向宽3 cm 的针织试样，下端浸入水中，在标准温湿度条件下，观察一定时间内水沿试样的上升高度。

干燥速率测试：织物的干燥速率用残水率表征。将6 cm×6 cm织物试样置于天平上，读取重量W；用滴定管在织物上方1 cm处滴下0.2 mL的水，即刻读取湿重W0；每10 min读取织物的重量Wi(i=1、2、3、4)。残水率Y计算公式如下：

纤维异形度表征：异形度(B)计算公式及示意图如下：

图1 异形度计算示意图

其中B为纤维异形度，%；r为纤维横截面中内接圆的半径，mm；R为纤维横截面中外接圆的半径，mm。

1.3 正十字纤维的制备

采用UDY-DT纺丝路线，在纺丝机及牵伸卷绕机上考察了正十字纤维的成形效果和可牵伸性。

纺丝流程如图2所示，主要工艺参数：UDY纺丝速度1 000 m/min，考察了286 ℃、290 ℃、294 ℃三个纺丝温度点；在冷却风速0.01 m/s、0.41 m/s、0.70 m/s、1.30 m/s下进行冷却条件试验。

图2 纺丝工艺流程图

牵伸工艺流程如图3所示。牵伸温度：上热盘90 ℃，下热盘120 ℃，热板170 ℃。

图3 牵伸工艺流程

2 结果与讨论

2.1 喷丝板孔形

纤维的吸湿快干效果是由其异形度决定的。纤维的异形度高，织物的透气效果和导湿性能好，织物穿着舒适性提高。正十字形喷丝孔为垂直相交的狭缝，具有非常规整对称的结构，由其制备的十字形断面纤维织物与人体接触点较少，当人体出汗时，可以起到减少黏连感的作用。

纤维截面异形度受十字形叶片的长宽比影响很大，在一定范围内其随着十字形叶片长宽比的增加而提高。但过大的长宽比会阻滞熔体在喷丝孔孔道内的流动，熔体不能充满孔腔或纤维过细，导致成形较差和纤维性能下降[3]，同时，过大的叶片长宽比会加大后加工的难度。综合以上因素，本设计选择的微孔尺寸如表2所示，喷丝板微孔形态见图4。

表2 正十字形喷丝孔微孔尺寸

图4 喷丝板微孔形态

2.2 纺丝工艺条件的研究

2.2.1 纺丝温度

纺丝温度是影响纤维性能和截面形状的重要因素。保持其他工艺不变的条件下，纤维截面形态随纺丝温度的变化情况如图5所示。从图5中可以看出，纤维截面凹槽的深度随纺丝温度的升高而变小，即纺丝温度越高，纤维截面异形度越低。这是因为纺丝温度的升高会降低熔体的表观黏度，提升熔体的流动性，使经喷丝孔挤出后的熔体条不能快速冷却，出口胀大效应下降，导致挤出后的熔体形状趋向于圆形，偏离了喷丝孔的微孔形状[4]。

但过低的纺丝温度也会对纤维的机械性能产生不利影响，纺丝温度过低，熔体的流动黏度过大，破坏了丝束的延展性，原丝的牵伸性能变差，牵伸丝的断裂强度和断裂伸长率均有减小。从表3和表4中可以看出，原丝的断裂伸长率和断裂强度随纺丝温度的降低而下降，不利于纤维的后加工。因此，从改善熔体的流动性和纤维的成形考虑，本试验采用290 ℃ 的纺丝温度。

图5 不同纺丝温度下原丝截面形态

表3 不同纺丝温度下UDY纤维性能指标

表4 不同纺丝温度下DT纤维性能指标

2.2.2 冷却条件

本试验采用侧吹风方式对丝束进行冷却，在290 ℃纺丝温度下，不同冷却风速下制备的DT纤维的性能指标和截面形态分别见表5和图6。

表5 不同冷却条件下DT纤维性能指标

图6 不同侧吹风速度下纤维截面形态

从表5和图6中可以看出，随着冷却风速上升，冷却条件加强，纤维的截面异形度单向增加，可牵伸倍率减小，纤维的断裂强度降低。过高的冷却风速，会导致纤维的断裂强度过低，这是由于纤维的快速冷却，使其凝固点上移，同时，异形纤维叶片和轴心处冷却速率不一致，造成纤维结晶性能的差异，使得原丝的牵伸性能下降、成品纤维断裂强度和断裂伸长率偏低[5]。同时，纤维物理性能的不匀率随着风速的提高先有降低后又有所提高，由此可知，过低或过高的冷却风速会对纤维的成形、物理指标和拉伸性能产生不利影响，所以对于正十字形涤纶纤维而言，应选择较为缓和的冷却风风速使熔体细流缓慢冷却，综合纤维成形和强伸性能考虑，本研究中的冷却风速度选择0.70 m/s。

2.2.3 单丝线密度

表6为纺丝温度290 ℃、冷却风风速0.7 m/s条件下制备的不同线密度纤维的性能指标。从表中可以发现，纤维线密度越小，其异形度也越小。这是因为纤维线密度越小，熔体细流出喷丝口后的挤出胀大现象越不明显，原丝的截面形状更趋于柱体，导致经后加工制得的DT丝异形度降低。从表6中还可以看到，同样纺丝条件下，随着纤度的增大，在DT丝具有相近断裂伸长情况下，纤维的牵倍提高、强度基本不变，这是因为熔体出喷丝孔后的冷却条件变得缓和，促进了纤维结构的形成，提高了原丝的可牵伸性能。但线密度过大会造成丝束冷却困难，也会加大纤维内外冷却结晶的差异，不利于纤维性能的均匀性。相对于正十字形喷丝板，单丝线密度宜在1.5～2.9 dtex范围内。

表6 DT纤维质量指标

2.3 后加工工艺

后加工过程中的拉伸、定型温度对纤维的结构和性能有重要影响，不同定型温度下纤维的性能指标如表7所示。经过加热拉伸、定型的纤维，分子及链段的热运动加剧，形成稳定的取向结晶结构，内应力获得松弛而被消除。相对于普通圆形涤纶纤维，正十字涤纶纤维以其特殊的凹槽结构使其具有更大的比表面积和较高的预取向度，以致纤维在后加工时具有较高的屈服应力，因此，适当提高拉伸温度，有利于纤维结构的形成及后加工的稳定性。但温度过高，会造成大分子的过度解取向，导致纤维强度降低，伸长变大，缠辊增加，温度过低则起不到松弛内应力的作用[6]。定型温度对纤维异形度有重要的影响，定型温度过低会使纤维的尺寸稳定性差，过高则会导致正十字纤维的凹槽结构倒伏。从半消光聚酯切片的性能和纤维结晶速率及后加工的稳定性考虑，拉伸变形温度必须高于玻璃化温度、低于冷结晶温度，本研究中设定一级拉伸温度为90 ℃，二级拉伸温度为120 ℃，定型温度由常规的190 ℃降低到170 ℃。

表7 牵伸工艺及纤维性能

2.4 正十字形纤维性能

表8为优化后的纺丝工艺，采用此工艺，制备了规格为1.56 dtex的DT纤维，试验过程稳定，成品丝DT的性能指标和截面形态分别见表9和图7。

表8 正十字纤维纺丝工艺

表9 DT纤维性能指标

图7 正十字DT纤维截面形态

5 吸湿快干性能的研究

将不同异形度的十字涤纶纤维及常规圆形涤纶纤维分别用双面针织机制样，通过测定芯吸高度和干燥速率比较纤维的吸湿快干性能，芯吸高度越大、吸湿性能越好，残水率越小，快干性能越好。不同异形度纤维织物干燥速率及芯吸高度分别见图8、图9。从图8和图9可以看出，正十字纤维织物的干燥速率及芯吸高度明显高于常规纤维，但不同异形度的正十字纤维的吸湿速干性能比较接近，但也表现出随着异形度的增大，织物的吸湿快干性能是增强的。造成这一现象的原因是通过所设计的正十字形喷丝板制备的纤维本身已具有极高的异形度，经过纺丝工艺的优化，虽然异形度进一步提高，但并没有大的改变，所以织物的吸湿快干性能变化亦不明显[7]。

图8 纤维异形度与干燥速率关系

图9 不同异形度纤维的芯吸高度

3 结 论

a) 一定范围内，正十字纤维异形度随纺丝温度下降而升高，随冷却风速度增加而变大，纤维线密度越小，其异形度也越小。

b) 与普通圆形涤纶相比，正十字涤纶纤维的吸湿速干性能显著上升。本研究范围内，正十字纤维异形度的变化对吸湿快干性能没有大的影响，在纤维生产中，应采用更有益于稳定生产的工艺条件。