PTT/PET外并列复合POY生产工艺探讨

董 海 良

(1.浙江恒逸石化研究院有限公司，浙江 杭州 310000； 2.东华大学 材料科学与工程学院 纤维材料改性国家重点实验室，上海 201620)

聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)/聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)自卷曲弹性复合纤维是通过复合纺丝技术将两种不同弹性模量、收缩性能的PTT和PET聚合物纺丝而成的并列型复合纤维，经拉伸、热处理后可产生永久性三维螺旋状卷曲结构[1-2]。这种卷曲结构的PTT/PET复合纤维具有三维立体、潜在收缩性、回弹性、蓬松等特点，被广泛用于开发高档服装面料，深受消费者的亲睐[3]。

根据生产方式不同，目前PTT/ PET自卷曲弹性复合纤维的生产方法有两种：一步法和两步法，一步法是将初生并列复合纤维在FDY设备一步完成拉伸定型；两步法是先做成预取向丝，再将预取向丝进行拉伸或假捻定型。不同生产方法得到的纤维风格明显不同，相比一步法，两步法生产的纤维风格独特，更加蓬松、手感柔软，弹性好。根据两组分复合方式的不同，PTT/ PET复合纤维的复合方式主要分为板内复合和板外复合[4]，板内复合是两种聚合物在出喷丝孔前进行复合，而板外复合是两种聚合物在喷丝孔外进行的复合。两种复合方式得到的纤维形状、风格也各不相同，相比板内复合，板外复合具备更多优势，可以减少熔体“串流”等现象发生，但是对组件及加工精度要求也更高。

为满足高端弹性面料与高端服装的市场需求，作者以PTT和PET切片为原料，按二组分最佳的复合比，采用外并列型纺丝组件进行复合纺丝，经工艺优化，生产PTT/PET外并列复合预取向纤维(POY)，为PTT/PET复合纤维的高端应用提供原料。

1 试验

1.1 原料

PTT切片：特性黏数1.05 dL/g，浙江恒逸石化研究院有限公司产；PET切片：特性黏数0.48 dL/g，浙江恒逸石化研究院有限公司产；POY油剂：牌号为F-2169，日本竹本公司产。

1.2 主要设备及仪器

干燥设备：郑州中远干燥工程有限公司制；复合纺丝设备和卷绕设备：北京中丽化纤机械有限公司制；并列型复合喷丝板：常州纺兴精密机械有限公司制；全自动黏度测定仪：德国劳达公司制；YG023B型全自动单纱强力机：常州二纺精密机械有限公司制；纤维含油率分析仪：英国牛津公司制；USTER 条干仪：瑞士USTER公司制；DM2700P偏光显微镜：德国莱卡公司制；SU8010扫描电子显微镜：日本日立公司制。

1.3 PTT/PET并列复合POY的生产

本试验采用外并列纺丝组件(见图1)生产产品规格为95 dtex/36 f的 PTT/ PET并列复合POY。PTT与PET复合质量比为50:50，PTT/PET并列复合POY的生产工艺参数及工艺流程分别见表1和图2。

图1 内并列与外并列型纺丝组件示意Fig.1 Schematic diagram of inner and outer side-by-side spinning components

表1 PTT/PET并列复合POY生产工艺参数Tab.1 PTT/PET side-by-side composite POY production process parameters

图2 PTT/PET并列复合POY生产工艺流程Fig.2 Process flow diagram of PTT/PET side-by-side composite POY production

1.4 分析与测试

特性黏数：参照GB/T 14190—2017《纤维级聚酯(PET)切片试验方法》，采用全自动黏度测定仪进行测试，测试温度为25 ℃，溶剂苯酚/四氯乙烷体积比为3:2。

力学性能：参照FZ/T 54003—2012《涤纶预取向丝》，采用全自动单纱强力机测试纤维的断裂强度和断裂伸长率。试样隔距为250 mm，拉伸速度为100 mm/min，测试环境温度25 ℃、相对湿度65%，拉伸次数为30，取平均值。

表观形貌：纤维截面采用偏光显微镜观察，放大倍数为500；纤维表面采用扫描电子显微镜观察，放大倍数为300。

2 结果与讨论

2.1 原料选择

双组分并列复合POY生产时需要对原料黏度进行严格控制，从而利用两种不同组分热力学性能差异来获得具有一定卷曲潜力的并列复合POY，经后序加弹能表现出三维卷曲效果。当二组分黏度差异较小时，获得潜在的卷曲性能低，无法满足产品弹性要求；当二组分黏度差异太大时，纺丝成形差，容易出现弯头，影响生产的稳定性[5]。鉴于生产稳定性和产品的性能要求，选用特性黏数为1.05 dL/g的PTT切片与特性黏数为0.48 dL/g的PET切片进行复合纺丝，生产稳定性好，生产的复合POY后加工性能好。

2.2 纺丝组件

在生产PTT/PET并列复合POY过程中，将PTT和PET熔体分别输送到复合纺丝组件并在喷丝孔外合并成一根纤维，熔体经喷丝孔后初生纤维具有胀大效应，利用这种特性，两种相容性的熔体可以有效黏合，从而实现板外复合，得到外并列复合纤维。相比于板内复合，这样可以避免发生因熔体动力黏度差异而产生稀包稠而形成皮心结构，导致纤维性能变差[4]。

试验中发现，当两种不同熔体黏度的差异过大，熔体出喷丝板时容易发生弯头角现象，趋向于高黏度熔体一侧弯曲，易黏附于喷丝板，造成丝束黏结，影响纤维成形，严重时无法连续纺丝。为此，结合两种熔体流动特性，对喷丝板进行重新优化设计，控制喷丝孔长径比大于3；同时，充分考虑两种不同熔体出喷丝孔的膨胀效应，调整了两个喷丝孔之间的夹角和间距，达到减少弯头的作用[6]，并减少熔体差异对并列复合带来的不利影响；其次，对组件的材质、喷丝孔的粗糙度进行了严格的控制。试验表明，选择喷丝板为外并列型、喷丝孔长径比大于等于3，生产稳定性好，生产的并列复合POY截面呈花生形状(见图3)，这种形状有利于两种不同聚酯发挥其收缩特性，形成卷曲结构，弹性更好。

图3 PTT/PET并列复合POY的截面形貌Fig.3 Cross section morphology of PTT/PET side-by-side composite POY

2.3 纺丝温度

根据生产工艺流程，纺丝前两种切片需经过干燥处理，严格控制其水分含量在30 μg/g以下，经不同的螺杆熔融挤出后，两组分的熔体分别经各自计量泵计量，再经过各自纺丝箱体后在喷丝孔外合并成形。但是，由于PTT与PET的熔融温度相差大，流动性不同，为保证两种熔体喷丝孔外合并能够有效的匹配，同时避免PTT降解过大而影响可纺性能和卷曲性能，考察了PTT纺丝箱体温度对复合纤维性能的影响。从表2可知，随PTT纺丝箱体温度的增加，复合POY的断裂强度降低，断裂伸长率提高，性能下降。综合考虑两种不同组分熔体的特性，并经多次试验，在PET的纺丝箱体温度为265～275 ℃、PTT纺丝箱体温度为260～265 ℃时，可以稳定生产性能优良的PTT/PET并列复合POY。

表2 PTT纺丝箱体温度对PTT/PET并列复合POY力学性能的影响Tab.2 Effect of PTT spinning box temperature on mechanical properties of PTT/PET side-by-side composite POY

从图4可以看出，生产的PTT/PET并列复合POY经拉伸后，得到的复合纤维蓬松、立体卷曲效果非常明显。

图4 PTT/PET并列复合POY及其拉伸后纤维的表面形貌Fig.4 Surface morphology of PTT/PET side-by-side composite POY and its drawn fiber

2.4 卷绕工艺

2.4.1 卷绕张力与卷绕角

生产过程中，由于PTT/PET并列复合POY的PTT组分的玻璃化转变温度较低，卷绕过程中纤维容易收缩，导致卷装筒子易产生凸肩、凸肚现象，严重时筒子变形，退绕困难[7]。试验表明：卷绕张力小于0.10 cN/dtex时，纤维抖动厉害，生产不稳定；卷绕张力大于0.15 cN/dtex时，断头多，卷绕成型差。经多次试验验证，生产中卷绕角控制在5.0°～8.0°, 卷绕张力控制在0.10～0.15 cN/dtex为宜。

2.4.2 卷绕速度

卷绕速度对PTT/PET并列复合POY的力学性能影响较大。从表3可以看出：生产95 dtex/36 f PTT/PET复合POY过程中，当卷绕速度为2 000 m/min时，纤维的断裂伸长率偏大，断裂强度偏低仅1.45 cN/dtex，不利于后续拉伸；当卷绕速度为3 000 m/min时，纤维断裂强度增大至2.02 cN/dtex，断裂伸长率下降，但生产过程中断头、毛丝增加，生产稳定性变差，满卷率降低至76.3%。综合分析，并结合后纺生产，选择卷绕速度2 400～2 700 m/min为宜。

表3 卷绕速度对PTT/PET复合POY性能的影响Tab.3 Effect of winding speed on properties of PTT/PET composite POY

2.5 产品性能

通过上述分析，生产95 dtex/36 f PTT/PET外并列复合POY的较佳主要工艺参数为：PTT纺丝箱体温度260～265 ℃，PET纺丝箱体温度265～275 ℃，纺丝速度2 400～2 700 m/min，卷绕角5.0°～8.0°, 卷绕张力0.10～0.15 cN/dtex。在此工艺下，生产稳定性好，满卷率高，纤维物理性能见表4，主要指标均满足优等品要求，符合后纺加工要求。

表4 95 dtex/36 f PTT/PET并列复合POY的性能Tab.4 Properties of 95 dtex/36 f PTT/PET side-by-side composite POY

3 结论

a.以特性黏数为0.48 dL/g的PET切片及特性黏数为1.05 dL/g的PTT切片为原料，通过并列复合纺丝，以板外复合的方式生产的PTT/PET并列复合POY经后续工序加工后纤维蓬松饱满，风格独特。

b.采用特殊设计的外并列型纺丝组件，控制喷丝孔长径比大于等于3，生产稳定性好，生产的并列复合POY截面呈花生形状，性能优良。

c.主要纺丝工艺较佳条件如下：PTT与PET复合质量比为50:50，PET箱体温度为265～275 ℃，PTT箱体温度为260～265 ℃，卷绕速度为2 400～2 700 m/min，卷绕角控制在5.0°～8.0°, 卷绕张力控制在0.10～0.15 cN/dtex。在此工艺条件下生产95 dtex/36 f PTT/PET外并列复合POY，生产稳定性好，满卷率高，纤维断裂强度为1.86 cN/dtex，断裂伸长率为131.2%，产品质量指标达到优等品要求。