超纤革用不定岛LDPE/PA6 纤维生产工艺流程的研究

许志，李城，黄族健，杨丽芳，黄桢宝

（1.嘉兴学院，浙江 嘉兴 314001；2.福建福能南纺卫生材料有限公司，福建 南平 353000）

引言

超纤合成革是一种结构近似真皮、性能优于真皮的高档合成革。国内大多数超纤合成革厂家采用共混熔融纺丝生产不定岛低密度聚乙烯/ 锦纶6（LDPE/PA6）纤维。在PA6 与LDPE 共混熔融纺丝过程中，PA6 岛相在LDPE 海相中的分布的均匀与否不仅影响纺丝过程的稳定，还影响最终产品聚氨酯（PU）超纤合成革的质量。不定岛LDPE/PA6 短纤维通常有两种纺丝工艺流程：一种是短程纺生产工艺流程，也称一步法；另一种是传统的分前、后纺的两步法生产工艺流程[1]。本文着重研究了这两种纺丝工艺条件下不定岛LDPE/PA6 纤维的岛相形态分布、力学性能以及可纺性。

1）不定岛两步法生产工艺特点

传统的两步法生产工艺分前纺、后纺2 个生产工段，见图1。前纺工段是纺丝成型工段，后纺工段是后加工阶段，有集束、牵伸、卷曲、松弛热定型、切断、打包等工序。不定岛两步法生产工艺的特点之一就是可以采用增加纺丝速度、并联纺丝箱体以增加纺位的方式增加产量；特点之二是每个纺位的喷丝板孔数相对较少（约为3 000 孔）、纺丝组件内压力较高、孔的排布密度相对较低，因此可以采用内环吹、外环吹、侧吹风等冷却方式，冷却风风速不高，冷却较均匀。

图1 两步法生产工艺流程Fig.1 Two-step production process

2）不定岛一步法生产工艺特点

短程纺的纺丝工艺流程紧凑，纺丝与后加工工序连接在一起，省去了中间的落桶、集束等工序，因而基建和设备的资金投入较两步法少，见图2。一步法的工艺特点之一是纺丝速度低：为兼顾后纺的牵伸速度，纺丝速度要降低到两步法的后纺集束的进丝的速度；另一特点是采用大喷丝板，喷丝板的板孔密集，孔数达到40 000 孔左右。在冷却方式的选择上，为了保证一步法的丝冷却效果，只能采用中心内环吹，高风速、低风温的吹风冷却方式。

图2 一步法生产工艺流程Fig.2 One-step production process

1 实验部分

1.1 原料

低密度聚乙烯(LDPE)：牌号1I50A，熔融指数50MFI，北京燕山石化股份有限公司；尼龙-6(PA6)：牌号M2800，相对黏度2.8η，广东新会美达锦纶股份有限公司。

1.2 纺丝试验设备、测试仪器

两步法纺丝设备，混熔法海岛纤维生产线，SGH3000，邵阳二纺机；一步法纺丝设备，熔融短程纺生产线，YPP450，张家港永兴机械设备制造有限公司；扫描电子显微镜，VE-8800，日本基恩士公司；D8-A25 型X 射线衍射仪XRD，德国布鲁克AXS 公司；XQ-1A 型纤维强伸度仪，XD-1 纤维细度仪，上海新纤仪器有限公司。

1.3 纺丝工艺参数

分别在一步法和两步法的纺丝设备上进行纺丝试验。为了对比两种工艺条件下岛相分布、力学性能以及可纺性，在两步法的纺丝工艺流程中均采用相近的纺丝温度；而纺丝压力由于需要与喷丝组件的泵后压相匹配，两步法的螺杆压力设置比一步法高。对应于两步法前纺的纺丝卷绕速度，一步法前纺的纺丝速度就是第一牵伸机的速度，具体纺丝工艺参数见表1。通过计量泵频率的调整，使一步法和两步法的成品丝的纤度相近，均在7.0 dtex 左右。牵伸倍率均选择3.0。

表1 纺丝工艺参数Tab.1 Spinning process parameters

2 结果与讨论

目前，国内大多数超纤合成革生产厂商采用短程纺生产工艺生产不定岛纤维，而采用两步法的国内超纤企业有：浙江嘉兴的禾欣可乐丽（嘉兴）有限公司，上海华峰超纤科技股份有限公司以及无锡双象超纤材料股份有限公司。其中上海华峰和无锡双象在后期超纤项目中，均改用两步法的生产工艺，下面对其生产纤维的岛相分布状况、纤维物性以及工艺可控性方面进行讨论。

2.1 不定岛纤维岛相分布

纺丝熔体以一定的速度从喷丝孔挤出后在一定的卷绕速度下卷绕成型，卷绕装置的拉伸作用对纤维的聚集态结构以及力学性能有很大的影响，在共混体系中促进分散相的取向和形成[2]。纺丝卷绕速度快，纤维刚出喷丝板时纤维形变（由粗变细）大，而纤维形变和取向多发生在外层，纤维外层岛相分布小而密。一般而言，采用低速纺丝成型可以降低纺速对纤维岛相分布的影响。在图3 中，一步法和两步法的纤维截面岛相数目，岛相内外大小都有明显差异，两步法纤维截面的岛相多，内外直径差异稍小，反而显得更均匀，但一步法的岛相数目少于两步法的岛相数目。分散相的分布变化受两个方面的影响：一种是在喷丝孔中剪切应力对纺丝熔体的影响，高剪切应力对分散相内外分布影响大，主要原因是在不均匀的剪切应力场中，低剪切黏度的组分（LDPE）会向高剪切应力区域（喷丝孔道表层）迁移，高剪切黏度的组分（PA6）会向低剪切应力区域（喷丝孔道中心层）迁移[3-4]；另一种影响分散相内外分布的是纺丝速度变化[5-6]，纺丝速度的变化主要体现在喷丝头拉伸比（卷绕速度/喷丝板孔熔体细流挤出的速度）大小的变化。高纺丝速度即高喷丝头拉伸比对岛相的内外分布差异影响大。而在本文中设置的两种工艺方法的每个纺位的产量是相同的，喷丝孔径也均为0.35 mm。一步法的喷丝板喷丝孔多达42 000 孔，10 多倍于两步法的3 280 孔，故在产量相同、喷丝孔径一致的情况下，两步法的纺丝熔体挤出喷丝孔的速度是10 多倍于一步法的挤出速度。尽管两步法的纺丝卷绕速度10 多倍于一步法，但它们喷丝头拉伸比是相同的，故认为一步法因为纺丝速度慢而使岛相分布更好是一个误区。真正导致两种工艺方法岛相分布差异的原因是喷丝板孔内共混熔体受到剪切应力的差异，两步法的喷丝孔内高压力、高流速产生的高剪切应力导致了两步法的岛相外层形变大、岛相小、数目多[7-8]。另外，从弹性回复理论出发，共混熔体从喷丝板挤出时，会导致较大的压力降，产生回复胀大，即“熔体胀大效应”。两步法的纺丝压力高，熔体胀大效应更明显，因而外层形变大也是岛相小、数目多的原因之一。

图3 PA6/LDPE 共混纤维岛相分布Fig.3 Island phase distribution of PA6/LDPE blend fibers

2.2 LDPE/PA6 共混纤维的XRD 分析

将纤维剪成粉末状，以Cu Kα 射线为光源，在10°～60°的范围内，利用XRD 进行结晶结构测试，扫描速率为0.2°/s，扫描电压为40 mV。PA6 是一种多晶型的结晶聚合物，存在α 和γ 两种晶型[9]。图4为两种不同纺丝工艺下LDPE/PA6 共混纤维的XRD 谱图，可以看出在2θ 衍射角21.5°和23.8°附近有结晶峰，分别对应PA6 的γ 晶型晶体的和α 晶型特征衍射峰[10]。图4 中的γ 晶型晶体的特征衍射峰高，为主要结晶态，而α 晶型特征衍射峰小，α 晶型含量较少。从图4 可以看出，两步法的共混纤维的γ 和α 的特征衍射峰明显高于一步法的，表明两步法生产工艺可以明显提高岛相PA6 的结晶度和取向度，制得的LDPE/PA6 共混纤维的物性更高。

图4 PA6/LDPE 共混纤维岛的XRD 谱图Fig.4 XRD patterns of PA6/LDPE blend fiber islands

2.3 不定岛纤维的力学性能

纤维成品的力学指标见表2 所示。在表2 中的纤维纤度都高于理论设计的数值，且一步法的LDPE/PA6 共混纤维的纤度略小于两步法的纤度。其原因是：纤维在牵伸的过程中，两步法的纤维后牵伸过程中有一定程度的打滑，实际牵伸倍数低于3.0。而一步法的纤维是在未经充分冷却的情况下进行的二次牵伸，生产过程中打滑系数稍小于二步法的打滑系数。

表2 LDPE/PA6 共混纤维的力学性能Tab.2 Mechanical properties of LDPE/PA6 blend fibers

相同材料的短纤维纤度越细，其单丝强力（cN/dtex）会更高，但从纤维拉伸强力对比来看，两步法的强力2.19 cN/dtex 高于一步法的2.07 cN/dtex，而断裂伸长108.81%小于一步法的119.44%。这种结果也一定程度反映出两步法共混纤维的结晶、取向度高于一步法。其主要原因是：一步法共混熔体慢速“流”出喷丝孔，而两步法的共混熔体则是挤出喷丝孔。尽管两者的喷丝头拉伸比相同，但两步法的熔体在挤出喷丝孔之前处于高压力、高流速的状态，熔体受到相对大一些的剪切应力，流出喷丝孔的共混熔体的分子链取向度高于一步法，因而，即便采用相同3.0 的牵伸倍数，两步法的成品纤维拉伸强力仍略高于一步法的纤维拉伸强力。

此外，从纺丝流程可以看出，两步法牵伸比范围的调节幅度较宽，对纤维物性的调节更灵活，可以通过调节后纺牵伸比得到物性更高的共混纤维[11]。

2.4 纺丝工艺可控性分析

不定岛共混纺丝过程中，共混熔体从喷丝孔挤出，形成细密的喷淋状的细流，每条细流在冷却成丝的过程中会经历速度、温度和拉力的变化。两种工艺流程对比分析评价见表3。

表3 两种工艺流程可纺性分析Tab.3 Spinnability analysis of two technological processes

一步法的喷丝板的孔密度很高，采用“风刀式”（吹风口窄、风速快）内环吹的风冷却方式，层丝束抖动大，内外圈的风速和风温的差异也大，较容易出现断丝、并丝，因此，组件的使用周期短。此外，由于一步法喷丝孔数多，内外圈丝束冷却效果差异较大，而处于最外圈的丝束由于受到外环境的影响，丝束也能受到比较充分的冷却，因此出现断丝和并丝的部位往往在中间偏外圈的部位，这些并丝和断丝难以察觉且难以处理，在处理过程中也会增加并丝而影响丝的品质。两步法可采用侧吹分、内环吹、外环吹三种吹风冷却方式，且两步法的喷丝孔分布相对稀疏，冷却效果内外相对均匀，由于两步法的纺速较高，丝束与周围空气的相对运动也起到一定的冷却，故即便在环境温度高的夏季产生并丝的概率也很低，出现断丝也容易被发现，停位修理喷丝板面或更换纺丝组件不影响牵伸的总集束旦数，对丝的品质能进行有效控制。故在正常生产中，两步法能有效控制疵点的含量，丝的结晶度和取向度也高，有助于提高丝的品质。另外，两步法分为前、后纺工段，有中间缓冲的环节，可以通过增、减纺丝箱体的纺位数来控制产能，即便前纺的个别纺丝箱体有故障，也不会连锁影响后纺牵伸工段的生产。对于规模大的超纤革生产厂家，在保证纤维品质的前提下，在大容量的后纺线上进行集约化牵伸加工，不仅保证丝的品质，也可大幅降低丝的加工成本。此外，对针刺非织造基布品质要求非常高的超纤革产品（如绒面超纤革），可将后纺线与针刺线联动，将生产出来短纤维直接风送到针刺线，根据针刺线的生产工艺要求，即时调整纤维的卷曲数和含油率，更好管控超纤革的针刺非织造基布的品质，保证最终产品超纤革的质量。

3 结论

在熔融纺丝条件下，两步法的喷丝组件中的熔体压力高，在高剪切应力下，两步法的岛相分布更均匀，岛相数目也更多；在相同牵伸倍数下，两步法的共混纤维的PA6岛相与LDPE 海相的结晶度和取向度高，相同纤度下的力学性能更高；在纤维的品质保障、生产管控方面，一步法不如两步法有效、灵活，对于规模大的超纤革生产厂家，采用两步法的生产工艺流程实现高品质集约化生产，更为合理、有效，对于高档超纤革产品，丝的品质指标也可以满足针刺线的加工要求，有效稳定针刺基布的品质，保证超纤革产品的质量。