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高密度聚乙烯/聚酰胺6复合纤维的制备及性能

2020-05-21李顺希许志强詹莹韬

合成纤维工业 2020年1期
关键词:熔体纺丝切片

李顺希,许志强,詹莹韬,黄 芽

(凯泰特种纤维科技有限公司,浙江 绍兴 312071)

功能性纤维的开发与利用是我国未来纺织品发展的重要趋势之一。凉感纤维作为一类重要的功能性、差别化纤维,在内衣、夹克、衬衣、袜子、休闲服、床上用品、毛巾等领域应用广泛[1],并越来越受到消费者的喜爱。

获得凉感纤维的方法有多种[2-3],但其中许多方法都难以达到理想的凉爽舒适感。因此,研究者们开始探索新的方法或机理来制备凉感纤维。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维作为世界三大高性能纤维之一,由于其具有高度取向的伸直链结构,故呈现出其他纤维所不具备的高强高模性能,在国防军事、航空航天、车辆制造、防护用品、体育用品、绳缆、渔网等领域被广泛应用[4-8]。有文献指出,具有高结晶性、高取向性的聚合物在取向方向有高的导热性[9],UHMWPE纤维就具有这样的大分子链结构,因此该纤维具有优异的导热性能,可将热量迅速疏导出去,产生接触凉感。近年来,部分厂家借助UHMWPE纤维的这一特性将其制成凉感床垫、凉席、运动服、袖套等产品,这些产品一经问世便受到客户的普遍好评。随着该产品的推广与使用,与其原料特性相关的缺陷也逐渐显露,制约了该产品在民用市场的大面积推广。

UHMWPE纤维在民用领域应用的主要缺陷有纤维原料价格偏高、面料手感硬挺不舒适、难以染色、与其他材料的粘合性能较差等[10-12]。而高密度聚乙烯(HDPE)具有与UHMWPE一样的线性结构,采用HDPE为原料制备的纤维亦可提供接触凉感。作者设计以HDPE为皮,以聚酰胺6(PA 6)为芯,通过皮芯复合纺丝制备HDPE/PA 6复合纤维;皮层HDPE可保持聚乙烯特有的高导热系数,产生接触凉感,使得织物手感滑爽,且具有抑菌防霉功能;芯层PA 6可提高纤维及织物的柔软性,贴肤性更好,并可改善纤维的染色性能等其他性能,从而使HDPE纤维更适合应用于服装和家纺产品。该设计思路与方法在国内外文献中尚未见报道,制备的HDPE/PA 6复合纤维保持了UHMWPE纤维的凉感特性。

1 实验

1.1 主要原料与设备

HDPE切片:中国石化扬子石油化工有限公司产;PA 6切片:湖南金帛化纤有限公司产。

一部位纺丝设备:北京中丽制机工程技术有限公司制;专用纺丝组件:自制;YG086缕纱测长机:常州第二纺机厂制;YG(B)021HL化纤长丝电子强力机:温州大荣纺织仪器有限公司制;RL-Z1B1熔体流速仪:上海思尔达科学仪器有限公司制;X- 4数显显微熔点测定仪:巩义市予华仪器有限责任公司制;Y172型纤维切片器:温州市大荣纺织仪器有限公司制;Datacolor 600型测色配色仪:美国Datacolor公司制。

1.2 HDPE/PA 6复合纤维及其色丝的制备

首先,将HDPE切片、PA 6切片及色母粒进行干燥,然后在一部位纺丝设备上进行纺丝。将HDPE切片、PA 6切片及色母粒按一定质量比由螺杆挤出机熔融挤出,再进入复合纺丝组件纺丝、一步法拉伸定型得到HDPE/PA 6复合纤维及其色丝。主要工艺条件见表1、工艺流程见图1。

表1 HDPE/PA 6复合纤维及其色丝的主要工艺参数Tab.1 Main process parameters of HDPE/PA 6 composite fiber and its color yarn

图1 HDPE/PA 6复合纤维及其色丝制备工艺流程
Fig.1 Flow chart of HDPE/PA 6 composite fiber and color yarn production

1.3 分析与测试

熔点:采用X- 4数显显微熔点测定仪测定HDPE切片、PA 6切片的熔点。

熔体流动指数(MFI):采用RL-Z1B1熔体流速仪测试。测试条件:(1)HDPE切片,温度235,255,260,265 ℃,保温时间1 min,负荷2 160 g,测量行程25.4 mm;(2)PA 6切片,温度235,255,260,265 ℃,保温时间5 min,负荷2 160 g,测量行程25.4 mm。测试3次,计算平均值。

纤维截面形貌:采用Y172型纤维切片器对纤维进行制样,并在生物光学显微镜下观察,获得纤维横截面照片。

纤维力学性能:按照GB/T 14343—2008和GB/T 14344—2008分别测定纤维的线密度与断裂强度等。

面料的接触凉感系数:将HDPE/PA 6复合纤维制成面料,按照GB/T 35263—2017检测面料的接触凉感系数。

纤维表观染色深度(K/S):使用Datacolor 600型测色配色仪测定,采用D65光源和10°观察角,在不同的部位测量4次,取平均值。

2 结果与讨论

2.1 原料干燥条件

由于HDPE切片的吸水率低,未经干燥处理也可进行纺丝,但为了达到更好的纺丝效果,将HDPE切片投入大料仓内,以常温干空气对其保干,经检测,HDPE切片含水率为20 μg/g,可以更好地满足使用要求。

由于PA 6大分子链中酰胺键的存在,易与水分子通过氢键而结合,PA 6的回潮率较大,因此需对PA 6切片进行干燥。干燥温度较低会降低干燥效果;但高温下,PA 6切片将发生氧化,切片变黄,这样的切片用于复合纺丝,一方面增加了飘丝、断头,另一方面会改变熔体在组件内的压力分布,改变两种原料间的熔体黏度匹配关系,最终影响纤维的截面形状及综合性能。选择以除湿压缩干空气为干燥介质,设定干燥温度85~90 ℃,干燥时间12 h以上,PA 6切片含水率小于80 μg/g,达到复合纺丝的要求。

2.2 组分配比

在制备HDPE/PA 6复合纤维时,HDPE及PA 6熔体分别流经各自独立的熔体管道,在纺丝组件处复合在一起,最终通过喷丝板喷出成形。在复合纺丝中,两组分的复合配比影响到两组分能否实现良好的复合,能否形成良好的纤维截面,从而直接影响纤维质量的均一性与稳定性。

由表2可知:在其他工艺条件相同的情况下,HDPE与PA 6切片的质量比为40:60时,可纺性良好;当HDPE组分的含量较低时,皮层的均匀性与稳定性差,纤维的可纺性差;而HDPE组分质量分数达到60%时,则芯层的PA 6含量少,纤维的强度下降,可纺性也较差;另外,复合配比不适宜,纤维丝束中出现细丝的概率增大,这种细丝表现为纤维的截面没有皮层。由图2可知,HDPE与PA 6切片的质量比为40:60时,HDPE/PA 6复合纤维的初生纤维横截面很清晰,HDPE组分包覆于纤维外部形成皮层,PA 6组分位于纤维的芯部。因此,在后面的实验中均选择HDPE与PA 6切片的质量比为40:60。

表2 不同组分配比时HDPE/PA 6复合纤维的可纺性Tab.2 Spinnability of HDPE/PA 6 composite fiber at different mass ratios

图2 HDPE/PA 6复合纤维的横截面照片Fig.2 Cross section photos of HDPE/PA 6 composite fiberHDPE与PA 6切片的质量比为40:60。

2.3 纺丝与拉伸工艺

在复合纺丝中,纺丝温度的设定将显著影响两种组分的流变性能,进而影响其在纤维中的分布。设定纺丝温度不仅要考虑温度高低对单一组分的影响,同时要考虑设定的温度是否能使两组分的流变性能相互匹配。

在HDPE/PA 6复合纤维的制备过程中,经检测,HDPE切片的熔点为120~135 ℃,PA 6切片的熔点为209~220 ℃,两种原料的MFI测试结果见表3。

表3 不同温度下HDPE及PA 6切片的MFITab.3 MFI of HDPE and PA 6 chip at different temperatures

由表3可知,HDPE及PA 6切片的MFI存在一定的差异,在255 ℃时二者的MFI较接近,因此实验选择纺丝箱体温度为255 ℃。若纺丝箱体温度设定不适宜时,两种熔体在喷丝孔中流动状态不一,容易出现粘板、掉料等现象,从而无法正常纺丝。

实验发现,在其他工艺条件相同的情况下,HDPE组分的螺杆挤出温度的可调节范围较大,在160~200 ℃可调;而PA 6组分的螺杆挤出温度对HDPE/PA 6复合纤维可纺性的影响很敏感。从表4可知:当PA 6组分的螺杆挤出温度为260 ℃时,可纺性较好;当PA 6组分的螺杆挤出温度为255 ℃时,该温度对PA 6而言偏低,PA 6熔体黏度增加,流动性下降,熔体熔融的充分程度与均匀性下降,在与HDPE复合时发生阻塞、掉料现象;当PA 6组分的螺杆挤出温度为265 ℃,该温度对HDPE而言偏高,复合时HDPE中的非晶区发生热氧化作用的可能性增加,使两者熔体黏度不匹配,也会发生喷丝板掉料现象,可纺性下降。另外,由于HDPE与PA 6切片性能的差异,在探索出的较好工艺条件下,在纺丝过程中,喷丝孔周围仍容易出现黑色物质,进而导致部分熔体在黑色物质上的粘附,引起飘丝、掉料,组件周期仅8~12 h。为解决这一问题,在HDPE组分中添加质量分数1%~2%的专用改性母粒,起到抗滴落的作用,改善聚合物的加工性能,使组件周期延长至7~15 d,从而获得更好的纺丝效果。

表4 PA 6组分螺杆挤出温度对可纺性的影响Tab.4 Effect of PA 6 extrusion temperature on spinnability

注:HDPE组分的螺杆挤出温度为170 ℃,纺丝箱体温度为255 ℃。

在获得更好的纺丝效果的基础上,探讨了拉伸倍数对HDPE/PA 6复合纤维力学性能的影响。由表5可知,HDPE/PA 6复合纤维的断裂强度随拉伸倍数的增大而增大,断裂伸长率随之减小。由于下游用户要求产品的断裂伸长率在40%~50%,因此,最终确定拉伸倍数为2.6~2.8,同时,将预网络压力设定在0.10~0.12 MPa,主网络压力设定在0.20~0.25 MPa,纺丝速度设定在2 500~3 200 m/min,获得质量优良的HDPE/PA 6复合纤维产品,从而满足后道加工对复合纤维力学性能的要求。

表5 拉伸倍数对HDPE/PA 6复合纤维力学性能的影响Tab.5 Effect of draw ratio on mechanical properties of HDPE/PA 6 composite fiber

2.4 HDPE/PA 6复合纤维面料的凉感性能

将制备的HDPE/PA 6复合纤维与市售UHMWPE纤维分别织成面料,并按GB/T 35263—2017测试2种面料的接触凉感系数。按照GB/T 35263—2017规定:面料接触凉感系数大于等于0.15 J/(cm2·s),可评价为面料具有良好的接触瞬间凉感性能。从表6可以看出,UHMWPE纤维面料的接触凉感系数为0.26 J/(cm2·s),HDPE/PA 6复合纤维面料的接触凉感系数达0.23 J/(cm2·s),表明HDPE/PA 6复合纤维面料具有较好的接触瞬间凉感性能。

表6 HDPE/PA 6复合纤维及UHMWPE纤维面料的接触凉感系数Tab.6 Cool feeling coefficient of fabrics of HDPE/PA 6 composite fiber and UHMWPE fiber

2.5 HDPE/PA 6复合色丝的染色性能

根据下游客户的实际需求,在本色HDPE/PA 6复合纤维制备工艺的基础上,在皮层添加质量分数为1.0%~3.0%的聚乙烯色母粒,适当调整纺丝工艺参数,制备了蓝色、灰色、棕色等HDPE/PA 6复合色丝产品。其中,在360~450 nm下测得浅棕色、棕色复合色丝的K/S值如表7所示,浅棕色复合色丝的K/S值为1.826,棕色复合色丝的K/S值为5.437,这表明HDPE/PA 6复合色丝具有较好的染色性能,满足后加工的应用要求。

表7 HDPE/PA 6复合色丝的K/S值Tab.7 K/S value of HDPE/PA 6 composite color yarn

3 结论

a.在制备HDPE/PA 6复合纤维时,HDPE与PA 6切片的质量比为40:60时,可纺性良好,HDPE/PA 6复合纤维的初生纤维横截面很清晰。

b.PA 6组分的螺杆挤出温度可显著影响HDPE/PA 6复合纤维的可纺性。当PA 6组分的螺杆挤出温度为260 ℃时,可纺性较好;在HDPE组分中添加质量分数1%~2%的专用改性母粒,可获得更好的纺丝效果。

c.在较佳纺丝条件下,拉伸倍数为2.6~2.8时,制备的HDPE/PA 6复合纤维断裂强度达3.57~3.82 cN/dtex,且复合纤维面料的接触凉感系数达0.23 J/(cm2·s),复合纤维面料具有较好的接触瞬间凉感性能。

d.制备的棕色HDPE/PA 6复合色丝的K/S值达5.437,复合色丝具有较好的染色性能,满足后加工的应用要求。

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