抗污PA 6 BCF的制备与性能研究

产文涛，杨新华，许冬峰，薛增增，张庆喜

(浙江恒逸石化研究院有限公司，浙江 杭州 310000)

聚己内酰胺(PA 6)纤维由于其特殊的分子结构而具有强度高、弹性好、耐磨性好等优点，广泛应用于衣着、装饰及工业用材料领域。PA 6纤维在地毯领域的应用同样占据很大的份额，但由于PA 6纤维可以酸性染料上染，而日常食品、红酒、有色饮料等中经常使用的食用色素添加剂(FD&C RED #40)属于偶氮类酸性染料，因此在日常使用中，地毯常常会存在被沾污情况，同时不易清理，这在一定程度上影响其美观及使用寿命。目前，欧美一些国家已经有不少研究报道了关于抗污PA 6地毯的开发应用[1-3]，通过在己内酰胺聚合中加入磺酸盐，可以在PA 6大分子链上引入磺酸基团，其能与PA 6大分子链上的末端氨基形成盐，屏蔽PA 6分子链上的氨基对酸性染料中带负电荷染色分子的吸引，从而明显降低PA 6对酸性染料的上染率，因此制备的抗污PA 6纤维对酸性色素可体现出显著的抗污效果。同时由于带负电荷磺酸基团的引入，使得抗污PA 6可以实现阳离子染料上染。将抗污PA 6纤维与普通PA 6纤维在假捻时合并为“舞龙纱”，或是以交织方式织成交织布，并在合适的染色条件下采用阳离子染料和酸性染料一浴法染色，可实现“差别化染色”，并得到双色调效果的织物[4-5]。

作者采用浙江恒逸石化研究院有限公司通过连续聚合生产的抗污聚己内酰胺(SRPA 6)切片进行熔融纺丝，制备出性能优良的SRPA 6膨体变形丝(BCF)，并对其进行织造、染色，探讨了主要纺丝工艺对SRPA 6 BCF力学性能的影响，并研究了SRPA 6 BCF的染色及抗污性能。

1 实验

1.1 主要原料

SRPA 6切片：熔点218 ℃，相对黏度2.43，浙江恒逸石化研究院有限公司产；酸性兰染料：苏州市东吴染料有限公司产；阳离子兰染料、阳离子红染料：德司达(上海)贸易有限公司产；诱惑红色素：上海染料研究所有限公司产；冰醋酸：西陇科学股份有限公司产。

1.2 主要设备及仪器

BCF纺丝设备：淄博市临淄方辰母粒厂制；缕纱测长仪：常州第二纺织机械有限公司制；YG020型电子单纱强力机：常州纺电仪器有限公司制；XH-1单纤维热收缩仪：上海新纤仪器有限公司制；UV-2600紫外分光光度计：岛津(上海)实验器材有限公司制；小样染色机：江苏靖江市华夏科技有限公司制；低浴比中样染色机：江苏科泰印染机械有限公司制；针织小圆机：绍兴闻翔远丰机械制造有限公司制。

1.3 SRPA 6 BCF的制备

采用BCF纺丝设备通过熔融纺丝制备SRPA 6 BCF，纺丝工艺流程如图1所示。首先对SRPA 6切片进行真空干燥，干燥温度110 ℃，干燥时间24 h，保证切片的含水率小于500 μg/g；然后将干燥后的SRPA 6切片进行熔融纺丝，喷丝板为三叶形异形板，孔数96，纺丝温度260 ℃，拉伸二辊温度90 ℃，拉伸三辊温度 110 ℃，变形热风温度 220 ℃，网络度30个/m，卷绕速度500 m/min，拉伸倍数4.0～6.0，制备的SRPA 6 BCF规格为1 650 dtex/96 f。

图1 SRPA 6 BCF纺丝工艺流程示意Fig.1 Diagram of SRPA 6 BCF spinning process1—电机；2—料斗；3—螺杆挤压机；4—计量泵；5—缓热套；6—上油嘴 ；7—一辊；8—二辊；9—三辊；10—膨胀箱体；11—导热盘;12—四辊;13—网络室；14—卷绕装置

1.4 SRPA 6 BCF染色实验

将制备的SRPA 6 BCF和常规PA 6 BCF纱线分别织成袜带及机织布，然后进行染色。SRPA 6 BCF和常规PA 6 BCF袜带均采用方案1#和方案2#进行染色；SRPA 6 BCF和常规PA 6 BCF的机织布则分别采用方案1#、方案2#、方案3#进行染色，制造差异化染色效果。具体染色工艺参数见表1。

表1 染色工艺参数Tab.1 Dyeing process parameters

1.5 分析与测试

力学性能：使用YG020型电子单纱强力机测试BCF单丝断裂强度与断裂伸长率。使用夹具固定纱线，设置夹具初始长度 20 cm，拉伸速度 25 cm/min，测试5次取平均值。

热卷曲性能：采用热卷曲率(S)来表征。通过缕纱测长机卷绕纤维10 m，将其取下后缠绕成8字型的丝束，丝束固定在立式量尺的上端，下端挂上一定质量的砝码，对其施加预张力(0.20±0.02)cN/dtex，静置30 s后，读取纤维长度(L0)；然后将其放置在真空干燥箱中，设定温度为150 ℃，15 min后取出，使用相同方法测出此时丝束的长度(La)，根据式(1)计算纤维的S。

(1)

染色性能：采用上染率(R)来表征纤维对酸性染料与阳离子染料上染能力的差异。将染色完成后的染色残液与染色原液通过UV-2600紫外分光光度计测定其吸光度[6]，根据式(2)计算R。

(2)

式中：Aa为染色残液的吸光度；A0为染色原液的吸光度。

抗污性能：按照美国化学纤维会制定的抗污测试标准AATCC-175—2008进行测试。将食品、药品和化妆品用的FD&C RED #40的稀释水溶液调至酸性，用少许该溶液对织物进行沾污；将沾污后的试样在一定条件下放置(24±4)h，然后用清水进行漂洗去除未被吸附的染料溶液，干燥后对试样上残留的污渍进行评估[7]，用AATCC红40沾色样卡对测试试样的耐沾污性进行评级，10级表示无沾污，1级表示严重沾污。

2 结果与讨论

2.1 纺丝工艺

PA 6 BCF是一种化纤膨体长丝，以其稳定的三维卷曲、良好的手感和高蓬松性，广泛应用于地毯、汽车坐垫和装饰织物等领域[8]。影响其应用的主要质量因素有力学强度与热卷曲率，在纺丝过程中热变形温度与拉伸倍数对其力学强度与热卷曲率的影响最为显著，因此SRPA 6 BCF的纺丝工艺研究中重点讨论不同热变形温度与拉伸倍数对纱线性能的影响，而其他工艺参数均参考常规PA 6 BCF的纺丝工艺。

PA 6 BCF的纺丝加工大多采用热流变形工艺，即熔融纺丝后的初生丝经热拉伸后进入热流变形喷嘴，由于高压热空气的作用，在喷嘴内的长丝得到充分的膨松，卷曲变形的长丝绕在冷却鼓内冷却，进一步定形[9]。从表2可以看出，随着热变形温度的升高，SRPA 6 BCF断裂强度先上升后下降，断裂伸长率一直下降，S缓慢上升。这是由于纱线一直在高压热空气作用下受热膨化，温度过高时，PA 6大分子链上的线性结构可能存在微量热降解，使得纱线中出现薄弱点从而使得纱线断裂强度下降；同时SRPA 6的结晶度与结晶速率较常规PA 6略低，使得其在冷却定型时来不及结晶或者结晶度较低，从而使得断裂强度下降。参考常规PA 6 BCF纺丝的热变形温度(225 ℃)，综合考虑，选择SRPA 6 BCF的热变形温度为220 ℃较合适。

表2 热变形温度对SRPA 6 BCF性能的影响Tab.2 Effect of heat deformation temperature on properties of SRPA 6 BCF

在SRPA 6 BCF的纺丝过程中，需要对初生丝进行热拉伸，使纱线内部的大分子链或链段沿着外力场方向择优排列，增加纤维的取向度且诱导其结晶，可以在很大程度上提高纤维的力学强度，同时保证后续膨化的卷曲率[10]。拉伸倍数太低，纱线强度较小，断裂伸长率过大；拉伸倍数过高，生头困难，易造成断丝。拉伸倍数可以通过前三辊之间的转率差来调整，达到对初生丝的热拉伸处理。从表3可以看出：随拉伸倍数的增加，SRPA 6 BCF的断裂强度增加，断裂伸长率降低，S不断增大，这是因为拉伸倍数越大，产生的拉伸应力就越大，纤维取向增加且诱导其结晶，束缚的分子就增多，经热定形后纤维收缩就越大[11]；另外，随着拉伸倍数的提高，SRPA 6 BCF纱线网络点数显著下降；当拉伸倍数达到6.0时，纺丝过程中会出现断头及生头困难等情况。因此，选择拉伸倍数为5.0较合适，可生产出质量优良的SRPA 6 BCF纱线。

表3 拉伸倍数对SRPA 6 BCF性能的影响Tab.3 Effect of draw ratio on properties of SRPA 6 BCF

2.2 染色性能

将常规PA 6 BCF 和SRPA 6 BCF纱线分别织袜后进行染色实验，BCF袜带对酸性染料和阳离子染料的R见表4。

表4 BCF袜带对不同染料的R Tab.4 R of BCF stockings for different dyes

从表4可以看出：常规PA 6 BCF袜带对酸性染料和阳离子染料的R分别为92%和9%，其对酸性染料的的上染性能好，但对阳离子染料的上染性能很差；SRPA 6 BCF袜带对阳离子染料具有良好的上染性能，R可达90%，同时其对酸性染料的R下降到43%。从阳离子染料上染的染色袜带(图2)及酸性兰染料上染的染色袜带(图3)可以看出：SRPA 6 BCF袜带使用阳离子染料与酸性染料均可以上染，但阳离子染料上染效果好，颜色鲜艳，同时酸性染料上染效果较差，颜色较淡，这是因为PA 6是以分子链上的氨基与酸性染料中带负电荷的染料分子通过静电力实现上染，而在SRPA 6中磺酸基团会与末端氨基成盐，从而减少可与酸性染料结合的染座，降低对酸性染料的上染能力；而常规PA 6 BCF袜带对阳离子染料的上染颜色非常浅，这是因为常规PA 6中没有足够的带负电荷的染座，上染效果较差。

图2 阳离子兰染色袜带示意Fig.2 Images of cationic blue dyed stockings

图3 酸性兰染色袜带示意Fig.3 Images of acid blue dyed stockings

利用SRPA 6 BCF对酸性染料上染效果较低的特点，可以将其与常规PA 6 BCF一起进行机织或加捻变形织成织物，通过染色能力的差异实现多风格的上染效果。从图4可以看出，采用同规格的SRPA 6 BCF与常规PA 6 BCF编成机织布，通过酸性兰染料染色而呈现出明显的条纹色差风格，其中上色较深的部分为常规PA 6 BCF，上色较浅的部分为SRPA 6 BCF，通过类似的思路可以创造出丰富多样的织物色系风格。

图4 酸性兰染色机织布示意Fig.4 Image of acid blue dyed woven fabric

通过对SRPA 6 BCF与常规PA 6 BCF编成的机织布进行阳离子染料和酸性染料的一浴法染色，可实现“差别化染色”，得到双色调效果的织物(见图5)，其中红色部分为SRPA 6 BCF，蓝色部分则为常规PA 6 BCF，在后续加工中配合其他技术或者染色工艺，则可变化出许多新纱种和布种。

图5 酸性兰/阳离子红同浴染色机织布示意Fig.5 Image of acid blue/cationic red one-bath dyed woven fabric

2.3 抗污性能

将制备的SRPA 6 BCF袜带与常规PA 6 BCF袜带进行抗污实验并对比，从图6和图7中可以看出，SRPA 6 BCF袜带呈现出较好的抗污效果，而常规PA 6 BCF袜带明显被色素沾染，表明SRPA 6 BCF具备较好的抗污性能。这是因为SRPA 6大分子链中引入了磺酸基团，能与末端氨基形成盐，因此使得没有足够多的末端氨基与常规酸性染料结合，从而赋予SRPA 6具有抗酸性染料沾染的特性。

图6 FD&C RED #40沾污袜带示意Fig.6 Images of FD&C RED #40 stained stockings

图7 FD&C RED #40沾污水洗袜带示意Fig.7 Images of washed FD&C RED #40 stained stockings

对制备的SRPA 6 BCF进行加捻织成BCF割绒地毯(规格40 cm×40 cm)进行抗污实验。从图8可看出，SRPA 6 BCF割绒地毯同样具备明显的抗污性能，对比耐沾污色卡可以判定其抗污等级大于8级。SRPA 6 BCF纱线具备明显的抗污性能，织成的地毯具有一定的应用前景。

图8 FD&C RED #40沾污水洗SRPA 6 BCF绒毯示意Fig.8 Images of FD&C RED #40 stained SRPA 6 BCF carpet before and after washing

3 结论

a.通过对SRPA 6进行熔融纺丝，选择主要纺丝工艺参数热变形温度为220 ℃，拉伸倍数为5.0，成功制备性能优良的SRPA 6 BCF，其断裂强度为2.4 cN/dtex，断裂伸长率为43%，S为6.8%。

b.采用阳离子染料染色，SRPA 6 BCF的R达到90%，同时对酸性染料的R为43%；将SRPA 6 BCF与常规PA 6 BCF互织进行染色可得到良好的双色调效果，配合多种染色工艺可制备风格多样化的织物。

c.SRPA 6具有抗酸性染料沾染的特性，SRPA 6 BCF织成的袜带呈现出较好的抗污效果；SRPA 6 BCF织成的地毯具备显著的抗污效果，抗污等级大于8级。

d.SRPA 6具备阳离子染料可染及抗污等性能，通过后续的研究与完善，可以生产出性能优异的SRPA 6 BCF纱线。