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        紡粘法制備PA 6粘合纖維的工藝研究

        2016-11-16 06:21:18姚鵬飛夏賽男鄧炳耀劉慶生
        合成纖維工業(yè) 2016年5期
        關(guān)鍵詞:力學(xué)性能

        姚鵬飛,申 瑩,夏賽男,鄧炳耀,劉慶生

        (江南大學(xué) 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無(wú)錫 214122)

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        紡粘法制備PA 6粘合纖維的工藝研究

        姚鵬飛,申瑩,夏賽男,鄧炳耀,劉慶生*

        (江南大學(xué) 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無(wú)錫 214122)

        利用紡粘非織造設(shè)備制備錦綸6(PA 6)粘合纖維,研究了泵供量、拉伸氣流強(qiáng)度和紡絲溫度對(duì)PA 6粘合纖維結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明:纖維結(jié)晶度隨著拉伸氣流強(qiáng)度的增加而增加;纖維直徑隨著泵供量減小和拉伸氣流強(qiáng)度增加而減小;纖維的斷裂強(qiáng)度隨著拉伸氣流強(qiáng)度的增加而增加,纖維的斷裂伸長(zhǎng)率隨之逐漸減小;泵供量和紡絲溫度對(duì)纖維的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能影響較小;當(dāng)紡絲溫度為240 ℃,泵供量為96 mL/min,拉伸風(fēng)電機(jī)頻率為40 Hz時(shí),所制得的PA 6纖維直徑為26.7 μm,斷裂強(qiáng)度為2.36 cN/dtex,斷裂伸長(zhǎng)率為1 760.2%。

        聚己內(nèi)酰胺纖維粘合纖維氣流拉伸紡粘法泵供量紡絲溫度拉伸氣流強(qiáng)度結(jié)構(gòu)

        錦綸6(PA 6纖維)是一種常見(jiàn)的化學(xué)纖維,其斷裂強(qiáng)度高、耐沖擊性能好,且耐磨性能優(yōu)于其他合成纖維,是化學(xué)纖維的主要品種之一[1]。PA 6纖維的應(yīng)用十分廣泛,單絲產(chǎn)品可以用作汽車(chē)輪胎簾子線和繩索等,復(fù)絲和短纖維可用于服裝和裝飾類(lèi)材料等。

        紡粘法非織造生產(chǎn)技術(shù)是依靠氣流作用將聚合物拉伸細(xì)化成長(zhǎng)絲,之后纖維在氣流的作用下隨機(jī)鋪放到接收裝置上并形成纖網(wǎng)[2-3]的技術(shù)。

        影響PA 6纖維結(jié)構(gòu)形態(tài)的因素有很多,一方面是PA 6切片本身的性質(zhì),包括熔體流動(dòng)指數(shù),相對(duì)分子質(zhì)量等;另一方面是紡絲工藝的變化,包括泵供量(Q)、拉伸氣流強(qiáng)度、紡絲溫度(T)、紡絲環(huán)境的溫濕度等[4-5]。

        作者通過(guò)改變Q、拉伸氣流強(qiáng)度和T,采用紡粘法制備不同結(jié)構(gòu)形態(tài)的PA 6粘合纖維,并對(duì)制得的纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能進(jìn)行表征,以期對(duì)PA 6粘合纖維的實(shí)際應(yīng)用提供指導(dǎo)。

        1 實(shí)驗(yàn)

        1.1原料

        PA 6切片:相對(duì)黏度為2.44,廣東新會(huì)美達(dá)錦綸股份有限公司產(chǎn)。

        1.2設(shè)備與儀器

        HDF- 6C實(shí)驗(yàn)用紡粘無(wú)紡布機(jī):螺桿直徑25 mm,螺桿長(zhǎng)徑比為30/1,90孔噴絲板,孔直徑0.5 mm,煙臺(tái)華大科技有限公司制。

        DSC-Q200型差示掃描量熱(DSC)儀:沃特世科技(上海)有限公司制造;KD-Ⅱ型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī):深圳市凱強(qiáng)利實(shí)驗(yàn)儀器有限公司制造;YG002C型纖維細(xì)度儀:南京斯貝科測(cè)試儀器有限公司制造。

        1.3纖維制備

        通過(guò)改變紡粘設(shè)備的T,Q和拉伸風(fēng)電機(jī)頻率(fm)得到不同結(jié)構(gòu)形態(tài)的PA6纖維。制備的粘合纖維用PA6 T-Q-fm表示(見(jiàn)表1)。

        表1 不同紡絲工藝制得的PA 6粘合纖維

        實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,保持紡粘設(shè)備機(jī)頭溫度、轉(zhuǎn)換箱溫度、一區(qū)溫度、二區(qū)溫度、三區(qū)溫度一致,以此保證紡絲溫度一致。

        纖維制備過(guò)程中,拉伸氣流強(qiáng)度由fm決定,fm越大,拉伸氣流強(qiáng)度越大,由于氣流的強(qiáng)度難以定量確定,因此用fm表示熱拉伸氣流強(qiáng)度。

        1.4測(cè)試

        熱性能:使用DSC-Q200型差示掃描量熱儀進(jìn)行測(cè)試。取4~6mg試樣放入液體鋁坩堝中,并用坩堝蓋密封。測(cè)試條件為氮?dú)饬魉?0mL/min,以10 ℃/min從-20 ℃升溫至280 ℃。

        纖維直徑:使用YG002C型纖維細(xì)度儀測(cè)試。取1cm2試樣置于載玻片上,并用蓋玻片蓋好,放置在纖維細(xì)度儀下,觀察不同纖維試樣的直徑。放大倍數(shù)為500。每個(gè)試樣測(cè)量100次取平均值。

        纖維力學(xué)性能:利用KD-Ⅱ型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)單根纖維試樣進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試條件為夾持距離6mm,拉伸速度20mm/min。每組試樣測(cè)量10次取平均值。

        2 結(jié)果與討論

        2.1熱性能

        由圖1可看出,37 ℃附近出現(xiàn)的吸熱峰是由纖維的物理老化作用所引起的。纖維的物理老化是分子鏈段的微布朗運(yùn)動(dòng)使局部相鄰部分鏈段發(fā)生相互作用,引起凝聚纏結(jié)的過(guò)程。而纏結(jié)的部分“解開(kāi)”需要吸收能量,因此在玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)出現(xiàn)了吸熱峰[6-7]。

        圖1 不同fm下的PA 6粘合纖維的DSC曲線Fig.1 DSC curves of PA 6 bonding fibers at different fm

        圖1中50 ℃附近的放熱峰為PA 6粘合纖維的冷結(jié)晶峰,峰值對(duì)應(yīng)的是冷結(jié)晶溫度(Tc)。在緩慢的升溫條件下,不完善的晶體在較低溫度下被破壞時(shí),允許更完善的、更穩(wěn)定的晶體生成,或者說(shuō),在緩慢的升溫條件下,提供了充分再結(jié)晶的機(jī)會(huì)[8]。

        180 ℃附近的放熱峰為纖維中未結(jié)晶部分發(fā)生重組引起的[9-10]。210 ℃附近的吸熱峰為纖維的熔融峰,峰值對(duì)應(yīng)的是熔融溫度(Tm)。

        由圖1還可知,隨著拉伸氣流強(qiáng)度的增加,纖維DSC曲線中的冷結(jié)晶峰逐漸向低溫移動(dòng),說(shuō)明結(jié)晶變得越來(lái)越容易。冷結(jié)晶峰的大小隨著拉伸氣流強(qiáng)度的增加而不斷減小,原因是在氣流的拉伸作用下纖維獲得更好的取向度,取向可以誘導(dǎo)結(jié)晶速度加快,DSC曲線上表現(xiàn)為冷結(jié)晶峰逐漸變小。而纖維的熔融峰面積大小并無(wú)明顯變化,說(shuō)明纖維的結(jié)晶度是隨著拉伸氣流強(qiáng)度的增加而增加的。

        從圖2和圖3可以看出,改變T或者Q,PA 6粘合纖維的DSC曲線中冷結(jié)晶峰和熔融峰的大小無(wú)明顯變化,說(shuō)明纖維的結(jié)晶度變化不大。

        圖2 不同T下的PA 6粘合纖維的DSC曲線Fig.2 DSC curves of PA 6 bonding fibers at different T

        圖3 不同Q下的PA 6粘合纖維的DSC曲線Fig.3 DSC curves of PA 6 bonding fibers at different Q

        2.2纖維直徑

        由圖4可看出,當(dāng)Q和T不變時(shí),隨著拉伸氣流強(qiáng)度增加,纖維直徑越來(lái)越小,且變化十分明顯。纖維直徑由20Hz時(shí)的42.1 μm減小到50 Hz時(shí)的21.7 μm,直徑減小了48.45%。這是因?yàn)殡S著拉伸氣流強(qiáng)度的增加,拉伸風(fēng)的拉伸作用越來(lái)越強(qiáng)烈,纖維直徑逐漸變小。

        圖4 fm對(duì)纖維直徑的影響Fig.4 Effect of fm on fiber diameter T為240 ℃,Q為96 mL/min。

        當(dāng)fm大于等于50Hz時(shí),直徑變化不再明顯。原因是氣流具有一定的冷卻作用,纖維受到拉伸的同時(shí)被冷卻定型,當(dāng)fm越大時(shí),冷卻作用越明顯,因此纖維會(huì)被迅速拉伸定型,直徑變化不再明顯。從圖5可看出,當(dāng)fm和T不變時(shí),隨著Q的增加,纖維直徑越來(lái)越大,纖維直徑由48mL/min時(shí)的19.7μm增加到96mL/min時(shí)的26.7μm,直徑增長(zhǎng)了35.5%。這是因?yàn)榧徑z流體從噴絲板擠出時(shí),存在臨界擠出速度(Vcr)(由流體黏度和噴絲孔直徑?jīng)Q定)。紡絲Q的增加,意味著紡絲流體的擠出速度(V)變大。當(dāng)V小于Vcr時(shí),紡絲流體為漫流型,V越大,纖維直徑越大。

        圖5 Q對(duì)纖維直徑的影響Fig.5 Effect of Q on fiber diameterT為240 ℃,fm為40 Hz。

        當(dāng)Q大于等于96 mL/min時(shí),纖維直徑增加不再明顯。這是由于當(dāng)V大于Vcr時(shí),漫流型向脹大型轉(zhuǎn)化,脹大型的細(xì)流連續(xù)而穩(wěn)定,因此纖維直徑變化不再明顯[11]。

        從圖6可看出,當(dāng)fm和Q不變時(shí),改變T,纖維直徑變化不明顯,屬于誤差范圍內(nèi)的變化。

        圖6 T對(duì)纖維直徑的影響Fig.6 Effect of T on fiber diameter Q為96 mL/min,fm為40 Hz。

        由此可見(jiàn),影響纖維直徑的主要因素是拉伸氣流強(qiáng)度。泵供量對(duì)纖維直徑有一定影響。而紡絲溫度對(duì)纖維直徑幾乎沒(méi)有影響。當(dāng)T為240 ℃,Q為96 mL/min,fm為40Hz時(shí),所制的PA6纖維直徑為26.7μm。

        2.3力學(xué)性能

        從表2可以看出,當(dāng)Q和T不變時(shí),fm由20 Hz增加到40 Hz,PA 6粘合纖維斷裂強(qiáng)度由1.68 cN/dtex提高到2.36 cN/dtex,上升了40.48%,纖維的斷裂伸長(zhǎng)率由2 064.3%減小到1 760.2%,下降了14.7%。當(dāng)fm由40Hz增加到50Hz時(shí),纖維斷裂強(qiáng)度提升很小,約8.5%,而斷裂伸長(zhǎng)率下降到1 258.2%,下降幅度達(dá)到28.5%。當(dāng)fm繼續(xù)增加到60 Hz時(shí),斷裂強(qiáng)度提升僅約4%,斷裂伸長(zhǎng)率降低到1 041.2%,下降幅度為17.2%。

        表2 不同fm條件下纖維的力學(xué)性能

        隨著拉伸氣流強(qiáng)度的增加,纖維的斷裂伸長(zhǎng)率越來(lái)越小,這與隨著拉伸氣流強(qiáng)度的增加纖維結(jié)晶度增加規(guī)律相吻合。在拉伸氣流強(qiáng)度逐漸增大初期,斷裂強(qiáng)度提升與PA 6結(jié)晶度提高有關(guān)。當(dāng)拉伸氣流強(qiáng)度提高到一定程度后,纖維的斷裂強(qiáng)度增加幅度很小,原因是拉伸氣流的冷卻作用使得纖維迅速固化。

        從表3可以看出,當(dāng)fm和T不變時(shí),改變Q大小,PA6纖維的力學(xué)性能數(shù)據(jù)比較接近,說(shuō)明纖維的力學(xué)性能無(wú)明顯的增加或減小規(guī)律。

        表3 不同Q條件下纖維的力學(xué)性能

        由表4可以看出,當(dāng)fm和Q不變時(shí),改變T,PA6粘合纖維的力學(xué)性能比較相近,說(shuō)明T對(duì)纖維力學(xué)性能幾乎沒(méi)有影響。當(dāng)T為240 ℃,fm為40 Hz,Q為96 mL/min時(shí),所制得的PA 6粘合纖維斷裂強(qiáng)度為2.36 cN/dtex,斷裂伸長(zhǎng)率為1 760.2%。

        表4 不同T條件下纖維的力學(xué)性能

        3 結(jié)論

        a. 隨著拉伸氣流強(qiáng)度的增加,PA 6粘合纖維的結(jié)晶度會(huì)越來(lái)越高,而T和Q對(duì)纖維的結(jié)晶度無(wú)明顯影響。

        b. 隨著拉伸氣流強(qiáng)度的增加和Q的減少,PA 6粘合纖維的直徑會(huì)越來(lái)越小,當(dāng)fm或Q達(dá)到一定值時(shí),纖維直徑不再發(fā)生明顯變化。

        c. fm的提高,PA 6粘合纖維的結(jié)晶度也增大,從而對(duì)宏觀力學(xué)性能產(chǎn)生影響。隨著fm的逐漸增大,纖維的斷裂伸長(zhǎng)率逐漸減小,而斷裂強(qiáng)度會(huì)逐漸增加到一定值。

        d. 當(dāng)T為240 ℃,fm為40 Hz,Q為96 mL/min時(shí),所制得的PA 6粘合纖維直徑為26.7 μm,斷裂強(qiáng)度為2.36 cN/dtex,斷裂伸長(zhǎng)率為1 760.2%。

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        Yao Pengfei, Shen Ying, Xia Sainan, Deng Bingyao, Liu Qingsheng

        (KeyLaboratoryofEco-TextilesofMinistryofEducation,JiangnanUniversity,Wuxi214122)

        Polyamide 6 (PA 6) bonding fiber was prepared on a spunbond non-woven equipment. The effects of the pump delivery, quenching air intensity and spinning temperature on the structure and mechanical properties of PA 6 fiber were studied. The results showed that the crystallinity of PA 6 fiber was increased with the increase of quenching air intensity; the fiber diameter was decreased with the decrease of pump delivery and the increase of quenching air intensity; the breaking strength of the fiber was increased and the elongation at break was decreased with the increase of quenching air intensity; the pump delivery and spinning temperature gave a slight effect on the structure and mechanical properties of the fiber; and the PA 6 fiber could be produced with the diameter of 26.7 μm, breaking strength 2.36 cN/dtex and elongation at break 1 760.2% under the conditions of spinning temperature 240 ℃, pump delivery 96 mL/min, quenching air motor frequency 40 Hz.

        polycaprolactam fiber; bonding fiber; air drawing; spunbond spinning process; pump delivery; spinning temperature; quenching air intensity; structure

        2016- 04- 05; 修改稿收到日期:2016- 07-19。

        姚鵬飛(1990—),男,碩士生,主要研究方向?yàn)槔w維及非織造材料。E-mail:6140705038@vip.jiangnan.edu.cn。

        江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(青年)(BK20130142)。

        TQ342+.11

        A

        1001- 0041(2016)05- 0010- 04

        *通訊聯(lián)系人。E-mail:qsliu@jiangnan.edu.cn。

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