李 青，張 暉，覃燕杰

(中國(guó)石化儀征化纖有限責(zé)任公司短纖部，江蘇儀征 211900)

由于三維卷曲中空聚酯短纖維擁有優(yōu)越的膨松性、回彈性以及保暖性，所以被廣泛地應(yīng)用在填充材料、噴膠棉和人造毛皮等領(lǐng)域，常規(guī)產(chǎn)品一般選擇6.67 dtex中空短纖維。而3.33 dtex中空短纖維除了擁有上述特性外，還具有線密度小、手感柔軟、毛型感強(qiáng)等特點(diǎn)，是理想的毛混紡原料[1]，另外其輕便有利于吸收聲波的特性使其成為吸音棉生產(chǎn)的首選原材料[2]。所以3.33 dtex中空短纖維在市場(chǎng)上很受歡迎，需求量不斷增加。實(shí)際生產(chǎn)過程中低密度中空纖維的膨松性會(huì)存在波動(dòng)的問題，影響產(chǎn)品質(zhì)量，所以本文對(duì)3.33 dtex中空短纖維生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵工藝控制點(diǎn)進(jìn)行了探討，以確保最終產(chǎn)品的質(zhì)量。

1 試 驗(yàn)

1.1 原料、生產(chǎn)設(shè)備

熔體：儀化公司聚酯部1單元聚酯熔體，特性黏度0.670～0.690 dL/g。

紡絲油劑：第一油劑，YCD-1065；第二油劑，硅油YCD501/YCD502。

設(shè)備：東洋紡2萬噸/年HV452型紡絲設(shè)備，LHV902型后處理聯(lián)合設(shè)備，產(chǎn)地均為日本。

1.2 工藝流程

熔體輸送→靜態(tài)混合器→紡絲→卷繞→往復(fù)落桶→集束→導(dǎo)絲機(jī)→油劑浴槽→第一牽伸機(jī)(DF1)→牽伸浴槽(DB)→第二牽伸機(jī)(DF2)→蒸汽加熱箱(HBX)→第三牽伸機(jī)(DF3)→緊張定型機(jī)(HR)→疊絲機(jī)(TA)→卷曲機(jī)(CP)→冷卻輸送機(jī)→曳引機(jī)→切斷→松弛熱定型機(jī)(SE)→打包[3]

1.3 測(cè)試儀器及方法

倍半伸長(zhǎng)率EYS1.5：將單根纖維以20 mm的夾持長(zhǎng)度和60 mm/min的拉伸速度，在XQ-01單纖維等速伸長(zhǎng)型強(qiáng)伸度儀上進(jìn)行拉伸，在拉伸過程中拉伸應(yīng)力為屈服應(yīng)力1.5倍時(shí)所對(duì)應(yīng)的伸長(zhǎng)讀數(shù)[3]。

卷曲率：使用YG362A卷曲彈性儀，根據(jù)纖維的粗細(xì)，在規(guī)定張力條件下、一定的受力時(shí)間內(nèi)，測(cè)定纖維長(zhǎng)度的變化[4]，并根據(jù)下面的公式計(jì)算卷曲率：

式中J為卷曲率,%；L0為纖維在輕負(fù)荷下測(cè)得的長(zhǎng)度,mm；L1為纖維在重負(fù)荷下測(cè)得的長(zhǎng)度,mm。

膨松特性：隨機(jī)取25 g左右試樣，經(jīng)過梳棉機(jī)梳理，按照樣板面積剪成厚度均勻的4塊正方形(10 cm×10 cm)的中空棉塊，靜置10 min以上，在試樣上加輕負(fù)荷壓塊(60 g)，1 min后讀取試樣塊高度h1，繼續(xù)在試樣上加重負(fù)荷壓塊(500 g)，1 min后讀取試樣塊高度h2，按下式計(jì)算膨松特性：

式中A為樣板面積,cm2；V2為在重負(fù)載下纖維的膨松度，cm3/g；h2為重負(fù)載下試樣塊的高度，cm；G為4塊中空棉塊的重量，g。

滑爽性：經(jīng)過梳棉機(jī)梳理的試樣與滑爽級(jí)數(shù)為4.0級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行手摸比較，若手感與標(biāo)樣一樣則滑爽性定為4.0級(jí)，若比標(biāo)樣差，則根據(jù)實(shí)際手感，以0.5級(jí)依次遞減進(jìn)行定級(jí)。

結(jié)晶度測(cè)試：采用日本理學(xué)電機(jī) SmartLab X射線衍射儀，角度為(6～36)°，Ni濾波片，銅靶。

1.4 主要參數(shù)

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，3.33 dtex中空聚酯短纖維的工藝參數(shù)設(shè)定見表1。

表1 主要工藝參數(shù)

1.5 中空纖維成形原理

從噴絲板“C”型孔擠出的熔體細(xì)流，由于熔體出口脹大效應(yīng)使開口閉合，再經(jīng)低溫高速環(huán)吹風(fēng)冷卻形成中空初生纖維。中空初生纖維由于迎風(fēng)面和背風(fēng)面冷卻差異大導(dǎo)致其徑向上的分子鏈預(yù)取向度不同，經(jīng)過牽伸后，徑向上纖維的結(jié)晶度、取向度和非結(jié)晶區(qū)的高彈形變差異較大，最終導(dǎo)致纖維徑向的內(nèi)應(yīng)力不一致。纖維出卷曲機(jī)后失去拉伸外力，這種內(nèi)應(yīng)力的差異導(dǎo)致纖維內(nèi)部高彈形變回復(fù)程度不同，從而形成三維卷曲的形態(tài)。最后經(jīng)過松弛熱定型的作用，使得纖維的結(jié)晶度進(jìn)一步提升，消除分子間內(nèi)應(yīng)力，固定纖維的三維卷曲，得到穩(wěn)定的中空聚酯短纖維[5]。

2 結(jié)果與討論

2.1 熔體特性黏度

熔體特性黏度對(duì)成品的指標(biāo)有著重要的影響，在其他工藝相同的條件下，對(duì)不同熔體黏度進(jìn)行了工藝試驗(yàn)，結(jié)果見表2。

表2 熔體黏度對(duì)纖維指標(biāo)的影響

由表2可以看出，隨著熔體黏度的提高，纖維的膨松指標(biāo)逐漸提高，但是牽伸運(yùn)行變差，所以熔體黏度不能太高，工藝上控制熔體黏度在0.675～0.685 dL/g，可以得到滿足要求的產(chǎn)品。這是因?yàn)楦鶕?jù)公式:[η]=K·(Mn)a，熔體的特性黏度與高聚物的分子量成正比。隨著熔體黏度的增加，高聚物的相對(duì)分子量會(huì)提高，而相對(duì)分子量提高使得大分子鏈間作用力增加，不利于鏈段的運(yùn)動(dòng)，難以實(shí)現(xiàn)塑性形變[6]，纖維拉伸困難。所以，適當(dāng)提高熔體黏度，相對(duì)分子量高有利于加強(qiáng)原絲的骨架，最終的成品纖維膨松性好，但是熔體黏度過高，分子量增加反而會(huì)使纖維的可拉伸性降低，不利于牽伸，纏輥增加，運(yùn)轉(zhuǎn)率下降，疵點(diǎn)含量增加。

2.2 冷卻工藝條件

3.33 dtex中空原絲由于線密度較小，比表面積增大，同時(shí)噴絲孔數(shù)較常規(guī)中空有所增加，因此，冷卻工藝條件對(duì)紡絲的穩(wěn)定性和膨松指標(biāo)有較大的影響。本生產(chǎn)中冷卻工藝采用的是低阻尼敞開式環(huán)吹裝置，影響冷卻工藝的參數(shù)主要有風(fēng)溫、風(fēng)濕、風(fēng)速、冷卻吹風(fēng)區(qū)的位置[7]，聚酯纖維實(shí)際生產(chǎn)中風(fēng)濕一般要求不低于65%。生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明，隨著冷卻吹風(fēng)區(qū)離噴絲板距離的增大，原絲的斷面不勻率會(huì)增加，但如果吹風(fēng)口頂部離噴絲板太近，會(huì)使板面溫度下降，影響噴絲板的出絲狀態(tài)，形成僵絲、注頭絲等異常原絲，均會(huì)導(dǎo)致牽伸纏輥增加，影響成品指標(biāo)。中空產(chǎn)品為了達(dá)到初生纖維截面徑向上的不對(duì)稱，要求冷卻吹風(fēng)區(qū)的位置距離噴絲板不能太遠(yuǎn)，以達(dá)到驟冷的效果，穩(wěn)定原絲中空率，同時(shí)為了降低原絲的斷面不勻率，所以生產(chǎn)中將環(huán)吹上蓋高度適當(dāng)降低2～4 mm。

冷卻風(fēng)溫對(duì)中空纖維的生產(chǎn)比較重要。風(fēng)溫過高，熔體出絲冷卻不充分，熱量不能被帶走，可能產(chǎn)生并絲、粘連絲，原絲中空率下降，初生纖維截面徑向上的不對(duì)稱性減小，從而降低成品纖維的膨松性；風(fēng)溫過低，熔體在噴絲孔處快速冷卻，初生纖維徑向雙折射差異大，后牽伸性能降低，纏輥多、斷絲增加造成疵點(diǎn)降等。常規(guī)中空纖維生產(chǎn)時(shí)環(huán)吹風(fēng)溫可控制在16～24℃，由于3.33 dtex中空原絲的線密度小，噴絲孔數(shù)增加，絲束冷卻熱交換量提高，所以控制風(fēng)溫在16～21℃。

冷卻風(fēng)速是影響中空纖維指標(biāo)的重要工藝參數(shù)，合適的風(fēng)速是形成原絲潛在卷曲的前提條件。在其他工藝相同的條件下，進(jìn)行了冷卻風(fēng)速的工藝試驗(yàn)，結(jié)果見表3。

表3 環(huán)吹風(fēng)速對(duì)纖維指標(biāo)的影響

由表3可以看出，風(fēng)速在3.2～3.4 m/s之間時(shí)，牽伸性能較好，同時(shí)纖維的膨松性指標(biāo)高，所以生產(chǎn)3.33 dtex中空產(chǎn)品的風(fēng)速一般控制在3.2～3.4 m/s。這是因?yàn)轱L(fēng)速過小，原絲截面徑向上的不對(duì)稱性減小，后牽伸過程中潛在的卷曲性降低，膨松性差。風(fēng)速過大，不僅會(huì)引起絲條擾動(dòng)大，還會(huì)導(dǎo)致原絲的預(yù)取向度增加，EYS1.5減小，破裂絲增多，牽伸性能變差，纏輥多，疵點(diǎn)增加。

2.3 牽伸倍率的分配

中空纖維后牽伸有兩段拉伸[8]，一段由第二牽伸機(jī)與第一牽伸機(jī)共同完成，拉伸區(qū)域發(fā)生在DB槽內(nèi)；第二段由第三牽伸機(jī)與第二牽伸機(jī)共同完成，拉伸區(qū)域發(fā)生在蒸汽加熱箱內(nèi)。拉伸倍率是由牽伸機(jī)采用不同的速比來控制的。實(shí)際生產(chǎn)中需要合理分配兩段倍率，并使總倍率大于自然拉伸倍率。在總倍率保持不變的條件下，對(duì)同一批原絲進(jìn)行了拉伸倍率的工藝試驗(yàn)，結(jié)果見表4。

表4 不同的牽伸倍率分配對(duì)纖維指標(biāo)的影響

由表4可以看出，隨著一段倍率的提高，二段倍率的降低，纖維的牽伸性能變差，膨松指標(biāo)也降低，其中一段倍率為2.83，二段倍率為1.06時(shí)，成品纖維的膨松性和牽伸性能最好。這是由于一段倍率過高，纖維所受的外力太大，纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷增多，性能變差，導(dǎo)致斷絲、毛絲增多，所以二牽的纏輥增加，牽伸運(yùn)行變差，疵點(diǎn)上升。另一方面，有研究證實(shí)[6]經(jīng)過第一道拉伸后纖維內(nèi)部分子僅產(chǎn)生軸向取向，沒有形成結(jié)晶結(jié)構(gòu)，而經(jīng)過HBX以后纖維的結(jié)晶結(jié)構(gòu)得以明顯地形成。所以適當(dāng)提高二段倍率有利于穩(wěn)定纖維的骨架，提高纖維的膨松，實(shí)際生產(chǎn)中為了增加纖維的膨松性，在總倍率保持一致的情況下可以適當(dāng)提高二段倍率，降低一段倍率。

2.4 蒸汽加熱箱溫度的控制

當(dāng)纖維經(jīng)過第一段拉伸后，就會(huì)發(fā)生一定程度的取向，纖維的玻璃化溫度會(huì)有所提高，所以在第二段拉伸時(shí)，就必須采用更高的拉伸溫度，以滿足纖維拉伸的需要，而二段拉伸主要發(fā)生在蒸汽加熱箱內(nèi)。在生產(chǎn)中，保持其他工藝不變，對(duì)蒸汽加熱箱的溫度進(jìn)行調(diào)整試驗(yàn)，結(jié)果見表5。

表5 蒸汽加熱箱的溫度對(duì)成品纖維指標(biāo)的影響

由表5可以看出，蒸汽加熱箱溫度在90～100℃時(shí)，成品纖維的膨松性較好，這是由于纖維經(jīng)過蒸汽加熱箱的加熱拉伸，大分子被進(jìn)一步取向并結(jié)晶，同時(shí)還有定型作用，有利于中空纖維潛在卷曲的釋放和固定，保證成品纖維的膨松性。中空纖維的結(jié)晶主要在DF2和DF3之間形成，較高的蒸汽加熱箱溫度有利于纖維結(jié)晶，從而保證了成品纖維的卷曲，提高膨松度。

2.5 松弛熱定型機(jī)溫度和風(fēng)量的控制

3.33 dtex中空初生纖維經(jīng)過牽伸后其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)不完善，必須經(jīng)過松弛熱定型，從而固定纖維卷曲形態(tài)，松弛熱定型在聚酯中空纖維后加工過程中必不可少。有研究表明[9]在松弛熱定型機(jī)二區(qū)纖維結(jié)晶就已基本完成，在松弛熱定型機(jī)六區(qū)附近，結(jié)晶度已經(jīng)不再變化，基本得到了穩(wěn)定。在二區(qū)之后主要是不穩(wěn)定結(jié)晶結(jié)構(gòu)的晶粒重組，穩(wěn)定纖維三維卷曲的形態(tài)，保證全部纖維在松弛熱定型過程中均勻受熱，最終得到穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。結(jié)合實(shí)際產(chǎn)能，本生產(chǎn)線在生產(chǎn)有硅品種時(shí)采用16個(gè)區(qū)進(jìn)行加熱，設(shè)定松弛前三個(gè)區(qū)的溫度為90～140℃，后13個(gè)區(qū)溫度設(shè)定為155～165℃。

松弛風(fēng)量對(duì)纖維指標(biāo)有較大的影響，其他工藝參數(shù)保持不變，對(duì)松弛風(fēng)量進(jìn)行調(diào)整試驗(yàn)，結(jié)果見表6。

由表6可以看出，隨著SE風(fēng)量的提高，纖維膨松、卷曲率和結(jié)晶度指標(biāo)均有所增加，但是達(dá)到一定程度后，再提高風(fēng)量對(duì)纖維指標(biāo)影響不大。這是由于松弛熱定型過程能夠消除纖維分子的內(nèi)應(yīng)力，提高結(jié)晶度，穩(wěn)定纖維的尺寸和結(jié)構(gòu)，從而提高纖維的卷曲和膨松性能。所以對(duì)于松弛熱定型機(jī)的風(fēng)量，主要是考慮到穿透性，從而保證纖維烘透，受熱均勻，確保纖維三維卷曲骨架的穩(wěn)定，膨松、卷曲率和滑爽性能達(dá)標(biāo)。本生產(chǎn)線控制風(fēng)機(jī)風(fēng)量在50%以上即可得到膨松度V2大于38 cm3/g、卷曲率大于14.0%、結(jié)晶度好以及手感優(yōu)異的成品纖維。

表6 松弛風(fēng)量對(duì)成品纖維指標(biāo)的影響

3 結(jié) 語

通過紡絲冷卻條件和牽伸工藝的控制，可以實(shí)現(xiàn)3.33 dtex中空纖維的正常生產(chǎn)，產(chǎn)品膨松性滿足用戶需求。具體控制原則如下：

a) 為了提高原絲的拉伸性能，使初生纖維冷卻均勻，同時(shí)提高成品纖維的膨松性，需要將熔體黏度控制在0.675～0.685 dL/g，冷卻風(fēng)溫控制在16～21℃，風(fēng)速控制在3.2～3.4 m/s。

b) 為了得到膨松度高的成品，牽伸的拉伸倍率需要進(jìn)行合理的分配，并適當(dāng)提高第二道牽伸倍率，蒸汽加熱箱的溫度不能低于90℃。

c) 為了保證成品纖維的膨松性和手感，需要合理設(shè)定松弛熱定型機(jī)的吹風(fēng)溫度，適當(dāng)提高吹風(fēng)風(fēng)量。