產文濤，楊新華，許冬峰，薛增增，張慶喜

(浙江恒逸石化研究院有限公司，浙江 杭州 310000)

聚己內酰胺(PA 6)纖維由于其特殊的分子結構而具有強度高、彈性好、耐磨性好等優(yōu)點，廣泛應用于衣著、裝飾及工業(yè)用材料領域。PA 6纖維在地毯領域的應用同樣占據(jù)很大的份額，但由于PA 6纖維可以酸性染料上染，而日常食品、紅酒、有色飲料等中經常使用的食用色素添加劑(FD&C RED #40)屬于偶氮類酸性染料，因此在日常使用中，地毯常常會存在被沾污情況，同時不易清理，這在一定程度上影響其美觀及使用壽命。目前，歐美一些國家已經有不少研究報道了關于抗污PA 6地毯的開發(fā)應用[1-3]，通過在己內酰胺聚合中加入磺酸鹽，可以在PA 6大分子鏈上引入磺酸基團，其能與PA 6大分子鏈上的末端氨基形成鹽，屏蔽PA 6分子鏈上的氨基對酸性染料中帶負電荷染色分子的吸引，從而明顯降低PA 6對酸性染料的上染率，因此制備的抗污PA 6纖維對酸性色素可體現(xiàn)出顯著的抗污效果。同時由于帶負電荷磺酸基團的引入，使得抗污PA 6可以實現(xiàn)陽離子染料上染。將抗污PA 6纖維與普通PA 6纖維在假捻時合并為“舞龍紗”，或是以交織方式織成交織布，并在合適的染色條件下采用陽離子染料和酸性染料一浴法染色，可實現(xiàn)“差別化染色”，并得到雙色調效果的織物[4-5]。

作者采用浙江恒逸石化研究院有限公司通過連續(xù)聚合生產的抗污聚己內酰胺(SRPA 6)切片進行熔融紡絲，制備出性能優(yōu)良的SRPA 6膨體變形絲(BCF)，并對其進行織造、染色，探討了主要紡絲工藝對SRPA 6 BCF力學性能的影響，并研究了SRPA 6 BCF的染色及抗污性能。

1 實驗

1.1 主要原料

SRPA 6切片：熔點218 ℃，相對黏度2.43，浙江恒逸石化研究院有限公司產；酸性蘭染料：蘇州市東吳染料有限公司產；陽離子蘭染料、陽離子紅染料：德司達(上海)貿易有限公司產；誘惑紅色素：上海染料研究所有限公司產；冰醋酸：西隴科學股份有限公司產。

1.2 主要設備及儀器

BCF紡絲設備：淄博市臨淄方辰母粒廠制；縷紗測長儀：常州第二紡織機械有限公司制；YG020型電子單紗強力機：常州紡電儀器有限公司制；XH-1單纖維熱收縮儀：上海新纖儀器有限公司制；UV-2600紫外分光光度計：島津(上海)實驗器材有限公司制；小樣染色機：江蘇靖江市華夏科技有限公司制；低浴比中樣染色機：江蘇科泰印染機械有限公司制；針織小圓機：紹興聞翔遠豐機械制造有限公司制。

1.3 SRPA 6 BCF的制備

采用BCF紡絲設備通過熔融紡絲制備SRPA 6 BCF，紡絲工藝流程如圖1所示。首先對SRPA 6切片進行真空干燥，干燥溫度110 ℃，干燥時間24 h，保證切片的含水率小于500 μg/g；然后將干燥后的SRPA 6切片進行熔融紡絲，噴絲板為三葉形異形板，孔數(shù)96，紡絲溫度260 ℃，拉伸二輥溫度90 ℃，拉伸三輥溫度 110 ℃，變形熱風溫度 220 ℃，網絡度30個/m，卷繞速度500 m/min，拉伸倍數(shù)4.0～6.0，制備的SRPA 6 BCF規(guī)格為1 650 dtex/96 f。

圖1 SRPA 6 BCF紡絲工藝流程示意Fig.1 Diagram of SRPA 6 BCF spinning process1—電機；2—料斗；3—螺桿擠壓機；4—計量泵；5—緩熱套；6—上油嘴 ；7—一輥；8—二輥；9—三輥；10—膨脹箱體；11—導熱盤;12—四輥;13—網絡室；14—卷繞裝置

1.4 SRPA 6 BCF染色實驗

將制備的SRPA 6 BCF和常規(guī)PA 6 BCF紗線分別織成襪帶及機織布，然后進行染色。SRPA 6 BCF和常規(guī)PA 6 BCF襪帶均采用方案1#和方案2#進行染色；SRPA 6 BCF和常規(guī)PA 6 BCF的機織布則分別采用方案1#、方案2#、方案3#進行染色，制造差異化染色效果。具體染色工藝參數(shù)見表1。

表1 染色工藝參數(shù)Tab.1 Dyeing process parameters

1.5 分析與測試

力學性能：使用YG020型電子單紗強力機測試BCF單絲斷裂強度與斷裂伸長率。使用夾具固定紗線，設置夾具初始長度 20 cm，拉伸速度 25 cm/min，測試5次取平均值。

熱卷曲性能：采用熱卷曲率(S)來表征。通過縷紗測長機卷繞纖維10 m，將其取下后纏繞成8字型的絲束，絲束固定在立式量尺的上端，下端掛上一定質量的砝碼，對其施加預張力(0.20±0.02)cN/dtex，靜置30 s后，讀取纖維長度(L0)；然后將其放置在真空干燥箱中，設定溫度為150 ℃，15 min后取出，使用相同方法測出此時絲束的長度(La)，根據(jù)式(1)計算纖維的S。

(1)

染色性能：采用上染率(R)來表征纖維對酸性染料與陽離子染料上染能力的差異。將染色完成后的染色殘液與染色原液通過UV-2600紫外分光光度計測定其吸光度[6]，根據(jù)式(2)計算R。

(2)

式中：Aa為染色殘液的吸光度；A0為染色原液的吸光度。

抗污性能：按照美國化學纖維會制定的抗污測試標準AATCC-175—2008進行測試。將食品、藥品和化妝品用的FD&C RED #40的稀釋水溶液調至酸性，用少許該溶液對織物進行沾污；將沾污后的試樣在一定條件下放置(24±4)h，然后用清水進行漂洗去除未被吸附的染料溶液，干燥后對試樣上殘留的污漬進行評估[7]，用AATCC紅40沾色樣卡對測試試樣的耐沾污性進行評級，10級表示無沾污，1級表示嚴重沾污。

2 結果與討論

2.1 紡絲工藝

PA 6 BCF是一種化纖膨體長絲，以其穩(wěn)定的三維卷曲、良好的手感和高蓬松性，廣泛應用于地毯、汽車坐墊和裝飾織物等領域[8]。影響其應用的主要質量因素有力學強度與熱卷曲率，在紡絲過程中熱變形溫度與拉伸倍數(shù)對其力學強度與熱卷曲率的影響最為顯著，因此SRPA 6 BCF的紡絲工藝研究中重點討論不同熱變形溫度與拉伸倍數(shù)對紗線性能的影響，而其他工藝參數(shù)均參考常規(guī)PA 6 BCF的紡絲工藝。

PA 6 BCF的紡絲加工大多采用熱流變形工藝，即熔融紡絲后的初生絲經熱拉伸后進入熱流變形噴嘴，由于高壓熱空氣的作用，在噴嘴內的長絲得到充分的膨松，卷曲變形的長絲繞在冷卻鼓內冷卻，進一步定形[9]。從表2可以看出，隨著熱變形溫度的升高，SRPA 6 BCF斷裂強度先上升后下降，斷裂伸長率一直下降，S緩慢上升。這是由于紗線一直在高壓熱空氣作用下受熱膨化，溫度過高時，PA 6大分子鏈上的線性結構可能存在微量熱降解，使得紗線中出現(xiàn)薄弱點從而使得紗線斷裂強度下降；同時SRPA 6的結晶度與結晶速率較常規(guī)PA 6略低，使得其在冷卻定型時來不及結晶或者結晶度較低，從而使得斷裂強度下降。參考常規(guī)PA 6 BCF紡絲的熱變形溫度(225 ℃)，綜合考慮，選擇SRPA 6 BCF的熱變形溫度為220 ℃較合適。

表2 熱變形溫度對SRPA 6 BCF性能的影響Tab.2 Effect of heat deformation temperature on properties of SRPA 6 BCF

在SRPA 6 BCF的紡絲過程中，需要對初生絲進行熱拉伸，使紗線內部的大分子鏈或鏈段沿著外力場方向擇優(yōu)排列，增加纖維的取向度且誘導其結晶，可以在很大程度上提高纖維的力學強度，同時保證后續(xù)膨化的卷曲率[10]。拉伸倍數(shù)太低，紗線強度較小，斷裂伸長率過大；拉伸倍數(shù)過高，生頭困難，易造成斷絲。拉伸倍數(shù)可以通過前三輥之間的轉率差來調整，達到對初生絲的熱拉伸處理。從表3可以看出：隨拉伸倍數(shù)的增加，SRPA 6 BCF的斷裂強度增加，斷裂伸長率降低，S不斷增大，這是因為拉伸倍數(shù)越大，產生的拉伸應力就越大，纖維取向增加且誘導其結晶，束縛的分子就增多，經熱定形后纖維收縮就越大[11]；另外，隨著拉伸倍數(shù)的提高，SRPA 6 BCF紗線網絡點數(shù)顯著下降；當拉伸倍數(shù)達到6.0時，紡絲過程中會出現(xiàn)斷頭及生頭困難等情況。因此，選擇拉伸倍數(shù)為5.0較合適，可生產出質量優(yōu)良的SRPA 6 BCF紗線。

表3 拉伸倍數(shù)對SRPA 6 BCF性能的影響Tab.3 Effect of draw ratio on properties of SRPA 6 BCF

2.2 染色性能

將常規(guī)PA 6 BCF 和SRPA 6 BCF紗線分別織襪后進行染色實驗，BCF襪帶對酸性染料和陽離子染料的R見表4。

表4 BCF襪帶對不同染料的R Tab.4 R of BCF stockings for different dyes

從表4可以看出：常規(guī)PA 6 BCF襪帶對酸性染料和陽離子染料的R分別為92%和9%，其對酸性染料的的上染性能好，但對陽離子染料的上染性能很差；SRPA 6 BCF襪帶對陽離子染料具有良好的上染性能，R可達90%，同時其對酸性染料的R下降到43%。從陽離子染料上染的染色襪帶(圖2)及酸性蘭染料上染的染色襪帶(圖3)可以看出：SRPA 6 BCF襪帶使用陽離子染料與酸性染料均可以上染，但陽離子染料上染效果好，顏色鮮艷，同時酸性染料上染效果較差，顏色較淡，這是因為PA 6是以分子鏈上的氨基與酸性染料中帶負電荷的染料分子通過靜電力實現(xiàn)上染，而在SRPA 6中磺酸基團會與末端氨基成鹽，從而減少可與酸性染料結合的染座，降低對酸性染料的上染能力；而常規(guī)PA 6 BCF襪帶對陽離子染料的上染顏色非常淺，這是因為常規(guī)PA 6中沒有足夠的帶負電荷的染座，上染效果較差。

圖2 陽離子蘭染色襪帶示意Fig.2 Images of cationic blue dyed stockings

圖3 酸性蘭染色襪帶示意Fig.3 Images of acid blue dyed stockings

利用SRPA 6 BCF對酸性染料上染效果較低的特點，可以將其與常規(guī)PA 6 BCF一起進行機織或加捻變形織成織物，通過染色能力的差異實現(xiàn)多風格的上染效果。從圖4可以看出，采用同規(guī)格的SRPA 6 BCF與常規(guī)PA 6 BCF編成機織布，通過酸性蘭染料染色而呈現(xiàn)出明顯的條紋色差風格，其中上色較深的部分為常規(guī)PA 6 BCF，上色較淺的部分為SRPA 6 BCF，通過類似的思路可以創(chuàng)造出豐富多樣的織物色系風格。

圖4 酸性蘭染色機織布示意Fig.4 Image of acid blue dyed woven fabric

通過對SRPA 6 BCF與常規(guī)PA 6 BCF編成的機織布進行陽離子染料和酸性染料的一浴法染色，可實現(xiàn)“差別化染色”，得到雙色調效果的織物(見圖5)，其中紅色部分為SRPA 6 BCF，藍色部分則為常規(guī)PA 6 BCF，在后續(xù)加工中配合其他技術或者染色工藝，則可變化出許多新紗種和布種。

圖5 酸性蘭/陽離子紅同浴染色機織布示意Fig.5 Image of acid blue/cationic red one-bath dyed woven fabric

2.3 抗污性能

將制備的SRPA 6 BCF襪帶與常規(guī)PA 6 BCF襪帶進行抗污實驗并對比，從圖6和圖7中可以看出，SRPA 6 BCF襪帶呈現(xiàn)出較好的抗污效果，而常規(guī)PA 6 BCF襪帶明顯被色素沾染，表明SRPA 6 BCF具備較好的抗污性能。這是因為SRPA 6大分子鏈中引入了磺酸基團，能與末端氨基形成鹽，因此使得沒有足夠多的末端氨基與常規(guī)酸性染料結合，從而賦予SRPA 6具有抗酸性染料沾染的特性。

圖6 FD&C RED #40沾污襪帶示意Fig.6 Images of FD&C RED #40 stained stockings

圖7 FD&C RED #40沾污水洗襪帶示意Fig.7 Images of washed FD&C RED #40 stained stockings

對制備的SRPA 6 BCF進行加捻織成BCF割絨地毯(規(guī)格40 cm×40 cm)進行抗污實驗。從圖8可看出，SRPA 6 BCF割絨地毯同樣具備明顯的抗污性能，對比耐沾污色卡可以判定其抗污等級大于8級。SRPA 6 BCF紗線具備明顯的抗污性能，織成的地毯具有一定的應用前景。

圖8 FD&C RED #40沾污水洗SRPA 6 BCF絨毯示意Fig.8 Images of FD&C RED #40 stained SRPA 6 BCF carpet before and after washing

3 結論

a.通過對SRPA 6進行熔融紡絲，選擇主要紡絲工藝參數(shù)熱變形溫度為220 ℃，拉伸倍數(shù)為5.0，成功制備性能優(yōu)良的SRPA 6 BCF，其斷裂強度為2.4 cN/dtex，斷裂伸長率為43%，S為6.8%。

b.采用陽離子染料染色，SRPA 6 BCF的R達到90%，同時對酸性染料的R為43%；將SRPA 6 BCF與常規(guī)PA 6 BCF互織進行染色可得到良好的雙色調效果，配合多種染色工藝可制備風格多樣化的織物。

c.SRPA 6具有抗酸性染料沾染的特性，SRPA 6 BCF織成的襪帶呈現(xiàn)出較好的抗污效果；SRPA 6 BCF織成的地毯具備顯著的抗污效果，抗污等級大于8級。

d.SRPA 6具備陽離子染料可染及抗污等性能，通過后續(xù)的研究與完善，可以生產出性能優(yōu)異的SRPA 6 BCF紗線。