纺前着色高色牢度彩色复合超细纤维研究及产品开发

2021-12-20郭永强李东波

山东纺织经济 2021年10期

崔河，郭永强,2，李东波,2

（1.山东省化学纤维研究所；2.潍坊美珂新材料有限公司，山东潍坊 261035）

1 概述

用传统方法制造的剥离型超细[2]纤维必须再经过染色，而且染色性能较差。虽然可以用分散性染料染色，但通常需要高温高压或载体存在的条件下才能进行，对纤维损伤大、还使染色后的耐洗牢度和耐光牢度变差，染色色谱范围比较窄，更为重要的是这些染色过程都会产生大量的三废，严重污染环境[3]。另外为了解决超细纤维染色的深度浅和色牢度低等问题，国内外业界同仁作了大量卓有成效的研究与开发工作，并取得很大进展。研究者通过单体共聚、聚合物共混或嵌段共聚的方法来改变合成纤维的化学组织和内部结构，达到易染色的目的。但该方法成本太高，对纤维材料的选择面太窄，同样也污染环境。

日本东丽公司研发了着色的海岛型纤维[4]，该纤维是通过在共轭纺丝过程中加入有机或无机颜料制成的。但在这个方法中，由于在共轭纺丝时，有机或无机颜料被直接加入岛组分聚合物中，所以分散程度不够。采用生产海岛型超细纤维的工艺方法，存在着一定的问题：一是由于后道染整处理需要用大量的碱液来溶解海组分，因此会产生大量的工业废水，由于废水内存在有大量较为稳定的苯环，在工业上对其进行彻底的处理及回收就较为困难，一旦处理不完全达标就排放，会对环境造成污染；二是由于海岛纤维中海组分的比例在20%左右，要将这20%左右的海组分溶解掉后才能制得海岛超细纤维，所以其原材料损耗比较大，生产的原料成本就偏高，不经济。

美国Hills司在20世纪末就开展了原液染色超细纤维生产及产品应用的研究工作，近几年成功开发出高色牢度彩色剥离型超细纤维，得到广泛应用，具有世界领先水平。

近年来，我国复合超细纤维的生产技术得到了快速发展，在差别化纤维中占有相当高的比重。但是，在解决超细纤维染色的深度浅和色牢度低等问题上与国外相比尚有一定差距。2007年，某公司研究了“原液染色合成革的制造方法”，该方法中使用了着色的海岛型超细纤维作为合成革基布。利用原液纺丝制造高色牢度彩色超细纤维的技术几乎为空白。因此，这就迫切需要对彩色母粒及高色牢度彩色超细纤维制备技术进行不断创新与发展，为市场提供技术先进、功能优良、工艺简单、成本低廉、易于工业化的生产技术，以促进纺织工业持续发展，满足功能性高档纺织品加工的需求。

2 试验

2.1 项目使用的原料、设备（见表1、表2）

表1 实验原料

表2 实验设备

2.2 工艺路线

高色牢度彩色复合超细纤维生产工艺（如图1）。

图1 工艺路线图

2.3 试验数据

实验小试品种（见表3）、中试品种（见表4）。

表3 小试品种

表4 中试品种

3 结果与讨论

3.1 色母粒的干燥

由于色母粒加入比例很小，不适合用较大的设备进行干燥，而色母粒的干燥又十分关键，彩色复合超细纤维生产中要求涤纶干燥水分在30ppm以下，锦纶干燥水分在小于100ppm以下，因色母粒的添加量较少，因此色母粒的干燥水分在100ppm左右，即能满足要求。

色母粒中含有颜料、分散剂，其熔点很低，干燥中极易软化、粘连、变色、掉色，影响颜色的准确性、色牢度，为此必须小心、谨慎。我公司选用两种小型干燥设备进行对比试验，试验结果（见表5）。

表5 干燥工艺

从以上试验数据中可以看出，随着干燥时间的延长干燥后的水分逐渐下降，但用普通热风循环烘箱，尽管干燥30小时也达不到小于100ppm的纺丝要求，而采用自制通入干空气的热风循环烘箱仅12小时就基本满足要求，因此我公司采用自制通入干空气热风循环烘箱可满足生产要求。

3.2 纺丝中色差的控制

彩色复合超细纤维生产中最易出现的问题是染色不均匀，出现色差。由于色母粒的比重、粒度与原料切片不同，很难混合均匀，下料时易出现色母粒局部集中下料，造成纤维局部过深产生色差或螺杆飞车，为此我公司对色母粒的加料装置进行了专门研究。选择了三种装置进行试验对比，一种是上海小螺杆式、一种是天津爱尼机电公司罗盘体积注入式、还有一种是日本松井重量注入式。对比结果如下：

3.2.1 上海小螺杆注入式

通过改变注入位置、注入口角度可确保色母粒按比例地准确注入，这是目前国内生产色丝普遍采用的方式，但作为生产彩色复合超细纤维却极易产生色差。由于小螺杆喂料量是随时根据下料的重量按比例加入，没有色母粒与原料切片的充分混合过程，仅仅依靠螺杆熔融加热混合，极难混合均匀而产生色差。

3.2.2 天津爱尼机电公司罗盘体积注入式

本装置解决了色母粒与原料切片的充分混合过程，又经过螺杆熔融加热混合，混合均匀、不易产生色差。但操作麻烦，需要将每种色母粒在加热的状态下，将罗盘孔体积人工称出重量，换算成重量再进行充分混合，人工称量多一道工序，易产生称量误差，很难保证精确的比例，易造成批与批之间的色差。

3.2.3 日本松井重量注入式

日本松井重量注入装置很科学，本身自带称量装置，计量准确，且能保证色母粒与原料切片的充分混合，混合时间可自行设定，作为生产彩色复合超细纤维非常合适。

3.3 复合纺丝组件的选择、过滤介质的配比

3.3.1 复合纺丝组件的选择

彩色复合超细纤维是单根纤维中含有两种成分，两种成分按不同比例复合在同一根纤维上，在以后的加工中，同一根纤维还要剥离分裂成八分之一或更多，才能制成超细纤维，且要求在加弹过程和制成织物的过程中不剥离分裂，制成织物以后再剥离分裂成为超细纤维，这个过程很复杂，要求非常高，为此选择复合纺丝组件很重要。

我公司采用的是世界上最先进的日本卡森化纤设备制造公司生产的涤锦复合专用组件，将两种不同熔点的熔体准确的复合在同一根纤维上，且复合截面的两种熔体接触之界面清晰，剥离分裂性能好，制成的超细纤维性能优越。

3.3.2 过滤介质的配比

由于色母粒中颜料、分散剂粒子纺丝时易造成单丝断裂，产生飘丝、毛丝等，如何将颜料均匀分散在纤维中，选择组件前的过滤介质及过滤砂配比很重要。经过多次试验我们选择20、40目，40、60目，60、80目金属砂对各种金属砂不同重量的合理搭配，其过滤性能好，过滤后的颜料粒子微细、分散均匀性好，可以满足彩色复合超细纤维的要求。

3.4 纺丝工艺参数的确定

3.4.1 纺丝温度对比（见表6）

表6 常规超细纤维与彩色超细纤维纺丝温度对比

3.4.2 纺丝温度的确定

由于色母粒熔点较低加入色母粒生产超细纤维色丝时一定要控制好纺丝温度，一般温度要比白丝低一些，从图2中可以看出，棕色彩色纤维中涤纶的熔融转变温度为258.52℃，锦纶的熔融转变温度为230.53℃，两者相差28℃，为了使彩色超细纤维有良好的可纺性和较适宜的剥离性，选择纺丝温度时应掌握：PA6熔融温度应略高，而PET的熔融温度略低，以使两种熔体进入主箱体时温度偏差缩小，因此两高聚物熔体温度的控制十分关键，从复合纺丝实验中得出经验：PA6在比其熔点高40℃，PET在比其熔点高30℃，两种熔体的温差最好在20℃左右可纺性和剥离性良好，最好的方法是通过显微镜观察其截面的情况为判断其选用的熔体温度是否合适。

图2 棕色涤锦复合超细纤维dsc热分析谱图

3.4.3 油剂浓度及含油率（见表7）

表7 油剂浓度及含油率

由于色母粒的加入，染料粒子对聚酯高分子链的内旋转运动产生阻力，从而使大分子链的柔性变差、钢性增加、导致单根纤维手感发硬、丝束间抱合性差、丝束发散最终导致DTY加工时易产生毛丝、断头现象，因此在纺彩色超细纤维时应适当提高油剂浓度增加集束性，适当提高上油量改善含油均匀性。经多次试验确定POY的油剂浓度控制在11%，含油率控制在0.57%左右性能良好。

3.4.4 冷却成形的控制

上油竖直方向集束位置变化对原丝伸长不匀率的影响（见表8）。

表8 竖直方向集束位置变化对原丝伸长不匀率的影响

上油水平方向集束位置变化对原丝伸长不均率的影响（见表9）。

表9 水平方向集束位置变化对原丝伸长不均率的影响

侧吹风风速对原丝强度的影响（见表10）。

表10 风速对原丝强度的影响

冷却成形条件是控制条干均匀性和染色均匀的关键环节，这里主要控制上油集束位置和侧吹风风速、温度及风湿。

上油集束位置：竖直方向（离喷丝板的距离）保持在1.2m-1.4m较合适；水平方向（离侧吹风窗距离）保持在220-230mm较合适；风速0.4m/s-0.5m/s,风温18℃-20℃，风湿70%-80%较合适。

冷却成形条件控制得当，复合熔体细流冷却充分、丝条凝固点固定、初生丝条条干均匀、圆态度好、彩色纤维均匀性好。

3.4.5 加弹工艺拉伸倍数的选择（见表11）由于色母粒的加入，使POY强度低、伸度增大给拉伸加捻工序带来了困难。拉伸倍数过低时造成拉伸不均匀，易造成色差僵丝。拉伸倍数过高时，毛丝断头增多而影响DTY产品质量，所以选择合适的拉伸倍数对彩色超细纤维的生产是非常关键的，经试验后认为后拉伸倍数选择在1.60-1.63之间比较合适。