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        防透視聚酯復(fù)合纖維及其面料制備

        2021-06-09 03:15:38潘曉娣賈君君雷青松
        合成技術(shù)及應(yīng)用 2021年1期

        潘曉娣,賈君君,雷青松,嚴(yán) 巖,2

        (1. 中國(guó)石化儀征化纖有限責(zé)任公司研究院,江蘇儀征 211900; 2. 江蘇省高性能纖維重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇儀征 211900)

        夏季人們對(duì)淺色輕薄面料青睞有加,但淺色面料的遮蔽性遠(yuǎn)不如深色面料,特別是白色面料普遍存在內(nèi)衣和體膚曝露、著裝者外觀不雅等問(wèn)題,而夏季衣物的遮蔽問(wèn)題,不宜采用深色、厚重的面料來(lái)解決,于是,防透視纖維及紡織品應(yīng)運(yùn)而生。

        為獲得良好的防透視效果,可以從增大紡織品對(duì)可見(jiàn)光的反射、吸收、散射,減少對(duì)可見(jiàn)光的透射等方面入手解決,具體實(shí)現(xiàn)方法包括改變纖維的截面形狀、相關(guān)助劑的添加、涂層后整理、織物結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)置等[1]。但是,對(duì)于輕薄化面料,涂層后整理會(huì)導(dǎo)致其具有手感偏硬、不耐洗滌、熱濕舒適性差等缺陷;而改變織物的組織結(jié)構(gòu)對(duì)可見(jiàn)光透射率的降低程度極小,因?yàn)閷?duì)于任何織物而言,無(wú)論孔隙率多么小,其尺寸對(duì)可見(jiàn)光的波長(zhǎng)而言均相差5個(gè)數(shù)量級(jí)以上[2];增加織物厚度,雖然可以顯著降低可見(jiàn)光的透射率,但是織物太厚又不符合輕薄化的要求。無(wú)機(jī)微粒通常具有較高的折射率,而纖維的相對(duì)折射率較無(wú)機(jī)微粒要低得多,從而可以大大增加光線在纖維內(nèi)部的反射界面,達(dá)到提高遮蔽性的目的[3]。

        將制備異型結(jié)構(gòu)聚酯纖維和添加高含量TiO2相結(jié)合,開(kāi)發(fā)防透視面料的研究較多,但各有特點(diǎn):如中國(guó)專利201510289564.6[4]公開(kāi)了一種橘瓣防透視復(fù)合纖維及其制備方法,纖維截面為圓形,雙組份均以圓心為起點(diǎn)呈扇形交替分布,雙組份分別為高聚物和含有質(zhì)量含量5%~16%TiO2的另一種高聚物,橘瓣防透視復(fù)合纖維的防透視效果較好,但TiO2含量相對(duì)過(guò)高,成本增加。本文主要從纖維層面出發(fā),將制備皮芯復(fù)合結(jié)構(gòu)聚酯纖維和在纖維皮層組分中添加一定含量的TiO2的方法相結(jié)合,增加纖維的反射界面,以提高纖維的反射效果,制備防透視纖維及面料。

        1 試 驗(yàn)

        1.1 原料

        半消光聚酯切片:中國(guó)石化儀征化纖有限責(zé)任公司,TiO2含量 0.30%,特性黏度0.630 dL/g。

        消光母粒:廈門鷺意彩色母粒有限公司,TiO2含量60%。

        1.2 儀器設(shè)備

        主要儀器如表1所示。

        表1 儀器與設(shè)備匯總表

        續(xù)表-1

        1.3 防透視短纖維制備

        采用復(fù)合紡絲技術(shù)(圖 1),利用同心圓皮芯復(fù)合紡絲組件紡制了不同 TiO2含量的防透視UDY纖維。

        圖1 復(fù)合紡絲技術(shù)路線示意圖

        具體紡絲方案如表2所示。主要工藝參數(shù):紡絲速度1 200 m/min,箱體溫度285~290 ℃,噴絲板孔數(shù)144 孔,孔徑0.25 mm,長(zhǎng)徑比2。

        表2 皮芯組分中TiO2含量

        采用紡制的UDY纖維進(jìn)行后牽伸操作制備防透視短纖維,后牽伸生產(chǎn)路線如下:導(dǎo)絲機(jī)→浸油槽→第一牽伸機(jī)→牽伸浴槽→第二牽伸機(jī)→蒸汽加熱箱→第三牽伸機(jī)→緊張熱定型機(jī)→上油裝置→第四牽伸機(jī)→張力輥→卷曲預(yù)熱箱→卷曲機(jī)→松弛熱定型機(jī)→曳引張力機(jī)→切斷機(jī)。

        主要工藝參數(shù):牽伸速度100 m/min,牽伸總牽倍4.2,三牽溫度130~190 ℃,緊張熱定型溫度190 ℃,松弛定型溫度70~75 ℃。

        1.4 防透視紗線制備

        紡紗工藝流程:短纖維→清梳聯(lián)工序→并條工序→粗紗工序→細(xì)紗工序→防透視紗線。主要紡紗工藝如下:

        清梳聯(lián)工序中,輸出棉條定量4.0 ktex;并條工序中,采用兩道并條,并合根數(shù)均為8根,出條速度350 m/min,其中一道并條棉條定量4.2 ktex,棉條重量CV值0.416%;二道并條棉條定量4.1 ktex,棉條重量CV值0.372%;粗紗工序中,粗條定量430 tex,錠轉(zhuǎn)800 r/min,落紗速度500 r/min;細(xì)紗工序中,紗線線密度15.6 tex,錠速11 000 r/min。

        1.5 防透視面料制備

        工藝流程:紗線→漿紗工序→整經(jīng)工序→機(jī)織工序→防透視面料。

        主要工藝參數(shù):門幅20 cm,經(jīng)紗密度228根/cm,緯紗密度152根/cm。

        1.6 分析測(cè)試

        1.6.1 流變性能

        采用毛細(xì)管流變儀對(duì)消光母粒和半光PET切片的共混切片(TiO2含量10%)、半光PET切片分別進(jìn)行流變性能測(cè)試,測(cè)試不同溫度(280、285、290、295 ℃)下不同剪切速率(1 000、2 000、4 000、6 000、8 000 s-1)的流變性能。測(cè)試前需干燥切片。

        1.6.2 短纖維力學(xué)性能

        采用短纖強(qiáng)伸儀按《GB/T 14337—2008化學(xué)纖維 短纖維拉伸性能試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法測(cè)試短纖維的力學(xué)性能。

        1.6.3 紗線力學(xué)性能

        采用全自動(dòng)單紗強(qiáng)力儀按《GB/T 3916—2013紡織品卷裝紗單根紗線斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法測(cè)試紗線的力學(xué)性能。

        1.6.4 條干值測(cè)試

        采用USTER條干儀測(cè)試紗線、粗紗和棉條的條干均勻度,紗線測(cè)試速度400 m/min,測(cè)試時(shí)間1 min,粗紗和棉條測(cè)試速度50 m/min,測(cè)試時(shí)間5 min。

        1.6.5 紗線與金屬摩擦系數(shù)測(cè)試

        采用摩擦儀測(cè)試紗線與金屬的摩擦系數(shù),測(cè)試速度200 m/min,每個(gè)樣品的測(cè)試時(shí)間30 s。

        1.6.6 透射率測(cè)試

        采用紫外-可見(jiàn)光分光光度計(jì)對(duì)織物在300~800 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行透光率測(cè)試,波長(zhǎng)掃描間隔2 nm。測(cè)試過(guò)程中,不要拉扯織物,盡量減小織物組織結(jié)構(gòu)的變化。采用人眼最為敏感的550 nm處光波的透過(guò)率來(lái)評(píng)價(jià)織物的可見(jiàn)光遮蔽性能[5]。紫外-可見(jiàn)光分光光度計(jì)的定量分析依據(jù)是朗伯-比爾(Lambert-Beer)定律。即透射率為

        T=(IT/I0)×100

        式中IT為透射光的輻射強(qiáng)度,cd;I0為從某標(biāo)準(zhǔn)表面反射回來(lái)的輻射強(qiáng)度,cd。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 流變性能分析

        紡制雙組份復(fù)合纖維對(duì)兩種高分子原料有兩項(xiàng)基本要求:其一是組分之間應(yīng)該有足夠的黏結(jié)力,確保在紡絲過(guò)程中不會(huì)發(fā)生兩相剝離。本實(shí)驗(yàn)的原料都是 PET,不存在兩相相容性的問(wèn)題;其二是兩種組分的流變性能應(yīng)盡可能接近,以便在同一條件下紡絲,防止熔體流出噴絲孔時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重彎頭或黏板,導(dǎo)致無(wú)法成纖。

        紡絲溫度是紡絲過(guò)程中的關(guān)鍵因素,溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致熔體黏度降增大,組件壓力下降,纖維凝固點(diǎn)波動(dòng),嚴(yán)重時(shí)甚至無(wú)法成纖;溫度過(guò)低,會(huì)導(dǎo)致熔體黏度增高,熔體從噴絲孔噴出時(shí)受到的剪切應(yīng)力增大,導(dǎo)致熔體擠出破裂,使可紡性變差[6]。

        研究消光母粒和半光PET切片的共混切片(TiO2含量10%)、半光PET切片的流變行為,可以對(duì)其復(fù)合紡絲溫度起到一定的指導(dǎo)作用。如圖2所示,從表觀黏度與剪切速率的關(guān)系來(lái)看,熔體均為切力變稀型流體,即表觀黏度隨剪切速率的增加而降低。相同溫度條件下,共混切片的熔體黏度較PET熔體的表觀黏度低,這是由于TiO2納米粒子均勻地分散在PET熔體間,起到增塑劑的作用,對(duì)分子鏈的運(yùn)動(dòng)起潤(rùn)滑作用,有效地減弱了分子鏈的相互纏結(jié),使黏度下降[7-8]。當(dāng)剪切速率在6 000~8 000 s-1時(shí),兩種熔體的表觀黏度趨于一致,說(shuō)明紡絲工藝窗比較寬,容易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定紡絲。考慮復(fù)合纖維紡絲的要求,即兩種組分在一定的紡絲溫度下,熔體表觀黏度應(yīng)盡可能接近,以減少紡絲彎頭,從而確定合適的紡絲溫度在285~ 290 ℃之間。

        圖2 流變性能(毛細(xì)管孔徑0.5 mm,長(zhǎng)徑比2)

        2.2 纖維的可紡性及力學(xué)性能分析

        在設(shè)定的紡絲工藝條件下考察纖維的可紡性,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)皮層組分中TiO2含量為1.5%~8.0%時(shí),紡絲正常,無(wú)飄絲無(wú)斷頭現(xiàn)象,而當(dāng)皮層組分中TiO2含量為10%時(shí),出現(xiàn)2根飄絲,可紡性變差。

        制備的防透視短纖維指標(biāo)如表3所示??刂菩緦咏M分中TiO2含量保持0.3%不變,當(dāng)皮層組分中TiO2含量為1.5%~8.0%時(shí),纖維的斷裂強(qiáng)度呈下降趨勢(shì),但降幅不大,約1.85%,當(dāng)皮層組分中TiO2含量為10%時(shí),纖維的力學(xué)性能明顯降低,降幅約8.89%,這一方面可能是由于TiO2位于纖維皮層,隨著含量的逐漸增加,粒子分散的愈發(fā)集中,容易產(chǎn)生應(yīng)力集中體而導(dǎo)致纖維的破壞和應(yīng)力的降低,另一方面可能是因?yàn)槔w維中TiO2含量過(guò)多,導(dǎo)致PET大分子鏈的運(yùn)動(dòng)受阻,距離也隨之增大,分子間的作用力相應(yīng)減小,強(qiáng)度降低[9-10]。

        表3 防透視短纖維指標(biāo)

        2.3 纖維的紡紗性能分析

        防透視紗線的性能指標(biāo)如表4所示,隨著皮層組分中TiO2含量的增加(1.5%~10.0%),紗線的斷裂強(qiáng)度逐漸降低(2.86~2.50 cN/dtex),這種現(xiàn)象與防透視短纖維力學(xué)性能降低的原因相同,都是由于TiO2含量過(guò)多,產(chǎn)生應(yīng)力集中體以及纖維大分子鏈活動(dòng)受阻,分子間作用力較小,導(dǎo)致強(qiáng)度降低。

        表4 防透視紗線性能指標(biāo)

        從表4數(shù)據(jù)可以看出,當(dāng)皮層組分中TiO2含量為1.5%~10.0%時(shí),防透視紗線的條干不勻率均大于常規(guī)滌綸紗線;同時(shí),防透視紗線的千米粗節(jié)數(shù)和千米棉結(jié)數(shù)也明顯多于常規(guī)滌綸紗線[11],說(shuō)明防透視細(xì)紗的成紗質(zhì)量相對(duì)常規(guī)滌綸紗線差,這可能是由于纖維皮層組分中添加了TiO2粒子,纖維表面不是很光滑,造成細(xì)紗工序中毛羽增多。

        紗線摩擦系數(shù)主要取決于纖維的表面形態(tài)和紗線的加捻程度,通常而言,較大的摩擦系數(shù)將有助于提高纖維在紡紗過(guò)程中的抱合力,使成紗更容易[12]。但是紡制防透視細(xì)紗過(guò)程中出現(xiàn)了白粉,且綜合考慮紗線對(duì)設(shè)備的磨損情況,特別是紡紗設(shè)備皮輥的磨損情況,最終確定采用皮層組分中TiO2含量為1.5%~8.0%的短纖維進(jìn)行紡紗。

        2.4 織物的防透視性能分析

        將防透視紗線織成平紋布和斜紋布,測(cè)試織物的透射率。由表5可知,保持芯層組分中TiO2含量不變,逐漸增加皮層組分中TiO2含量(1.5%~8.0%),面料的透射率逐漸降低,即防透視性能逐漸增加,這主要是由于隨著 TiO2含量的增加,纖維中 TiO2與聚酯基體之間因光學(xué)性質(zhì)的差異而形成了較多的反射界面,一旦光線進(jìn)入纖維內(nèi)部,就會(huì)出現(xiàn)多次反射、散射等相互作用,增加了透射出來(lái)的光線在纖維內(nèi)部所經(jīng)過(guò)的光程,造成更多的衰減和損失[13],從而相應(yīng)的增加了面料的防透視效果。

        當(dāng)皮層組分中TiO2含量為10.0%時(shí),面料的透射率增加,即面料的防透視性能降低,說(shuō)明過(guò)多的 TiO2反而會(huì)降低面料的防透視性能。這一方面是因?yàn)楫?dāng) TiO2含量大于8.0%,再繼續(xù)增加TiO2含量至10.0%時(shí),粒子之間發(fā)生團(tuán)聚的機(jī)率大幅提高,從而使得纖維內(nèi)部的反射界面減少,透射率增加;另一方面,隨著纖維皮層中TiO2含量的增加,較小的TiO2粒子會(huì)逐漸填充在較大顆粒的空隙中,從而在纖維的表面產(chǎn)生鏡面排列[14],使反射界面減少,透射率增加,防透視性能下降。

        從表5還可以看出面料的防透視性能與面料組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系,即相同TiO2含量條件下,斜紋面料的防透視性能優(yōu)于平紋面料。

        表5 織物的防透視性能

        綜合考慮防透視效果、成本、可紡性以及后加工過(guò)程中無(wú)機(jī)粒子對(duì)所制備纖維力學(xué)性能的影響和對(duì)設(shè)備的磨損情況,最終確定皮層組分中合適的TiO2添加量為4.0%~8.0%。

        3 結(jié) 論

        a) 在優(yōu)選的紡絲工藝參數(shù)條件下,防透視纖維的可紡性和牽伸性能良好,成品短纖維的力學(xué)性能滿足紡紗要求。

        b) 將防透視紗線經(jīng)漿紗、整經(jīng)和機(jī)織后得到平紋和斜紋面料,將面料退漿和熱定型處理后進(jìn)行透射率測(cè)試,結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)皮層組分中TiO2含量4.0%~8.0%,芯層組分中TiO2含量0.3%時(shí),面料的防透視性能最好,且斜紋面料的防透視性能優(yōu)于平紋面料。

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