焦紅娟,李 睿,武術(shù)方,李紅彬,鄭曉頔

(中國(guó)紡織科學(xué)研究院有限公司 生物源纖維制造技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100025)

近年來,導(dǎo)電纖維的研究和應(yīng)用已逐漸達(dá)到成熟階段。導(dǎo)電纖維不僅可以用于消除電磁波的靜電吸收,還因其優(yōu)良的導(dǎo)電性和柔韌性在智能紡織品領(lǐng)域有很大的應(yīng)用前景,是制備柔性傳感器的重要材料之一。滌綸基復(fù)合導(dǎo)電纖維開發(fā)較容易且耐久性優(yōu)良,是目前常用的導(dǎo)電纖維品種。常規(guī)的滌綸導(dǎo)電纖維截面為皮芯結(jié)構(gòu)或點(diǎn)狀等結(jié)構(gòu),導(dǎo)電層暴露在纖維的外層,導(dǎo)電機(jī)理為在纖維表面?zhèn)鲗?dǎo)電荷并通過接地處理將電荷耗散[1-4]。但實(shí)際生活及工作環(huán)境中有些場(chǎng)合無法進(jìn)行靜電接地處理。為解決這一問題,本項(xiàng)目組計(jì)劃開發(fā)一種特殊截面形狀的復(fù)合導(dǎo)電纖維,即內(nèi)層為導(dǎo)電組分的內(nèi)三葉形,外層由滌綸基包裹。這種特殊截面的復(fù)合導(dǎo)電纖維制備成防靜電織物時(shí),即使在無有效接地的情況下使用,其表面電荷仍可通過電暈放電向空氣中電離。具體說來,內(nèi)三葉形復(fù)合導(dǎo)電纖維將表面電荷引入其獨(dú)特的內(nèi)三葉形芯層中,而內(nèi)三葉的尖端處曲率半徑很小,電場(chǎng)易于集中在尖端處,形成不均勻的電場(chǎng),從而持續(xù)產(chǎn)生微弱的尖端放電現(xiàn)象,不斷地將表面電荷耗散,從而達(dá)到靜電防護(hù)的效果。

目前,在國(guó)際市場(chǎng)上內(nèi)三葉形導(dǎo)電纖維已有巴尼特公司在生產(chǎn)和銷售,主要用于工業(yè)防護(hù)、復(fù)印機(jī)刷及智能紡織品等領(lǐng)域,而國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上仍以皮芯形及點(diǎn)狀的復(fù)合導(dǎo)電纖維為主[5-7],內(nèi)三葉形導(dǎo)電纖維仍處于研究階段。

作者設(shè)計(jì)了一種特殊結(jié)構(gòu)的內(nèi)三葉形導(dǎo)電纖維,以聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)切片為外層,以錦綸導(dǎo)電母粒為芯層,采用內(nèi)三葉形噴絲板制備內(nèi)三葉形滌綸基復(fù)合導(dǎo)電長(zhǎng)絲,重點(diǎn)研究了內(nèi)三葉形結(jié)構(gòu)噴絲板的設(shè)計(jì)、芯層導(dǎo)電材料的選擇、芯層和外層質(zhì)量比,并對(duì)導(dǎo)電纖維的截面形態(tài)、物理性能及導(dǎo)電性能等進(jìn)行表征。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原料

PET切片:特性黏數(shù)0.650 dL/g,浙江天圣控股集團(tuán)有限公司產(chǎn);錦綸導(dǎo)電母粒:炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33%,熔點(diǎn)為227 ℃,相對(duì)黏度為2.01,自制;滌綸導(dǎo)電母粒:炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為31%,熔點(diǎn)為233 ℃,特性黏數(shù)為0.806 dL/g,自制。

1.2 主要設(shè)備與儀器

雙組分導(dǎo)電纖維生產(chǎn)線成套裝置:北京中麗制機(jī)工程技術(shù)有限公司制;RL-Z1B熔體流動(dòng)速率儀:上海思爾達(dá)科學(xué)儀器有限公司制;YG086型縷紗測(cè)長(zhǎng)儀:常州第二紡織儀器廠制;XL-1型紗線強(qiáng)伸度儀:溫州市大榮紡織儀器有限公司制;EST-121型數(shù)字超高阻微電流測(cè)量?jī)x:北京勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)研究所制。

1.3 內(nèi)三葉形滌綸基復(fù)合導(dǎo)電長(zhǎng)絲的制備

將PET切片在連續(xù)干燥裝置中經(jīng)預(yù)結(jié)晶、干燥20 h,預(yù)結(jié)晶溫度160 ℃,干燥溫度160 ℃,直至切片水分含量小于等于50 μg/g;將錦綸導(dǎo)電母粒在連續(xù)干燥裝置中干燥24 h,干燥溫度100 ℃,直至水分含量小于等于200 μg/g;將干燥后的PET切片和錦綸導(dǎo)電母粒分別投入雙組分導(dǎo)電纖維生產(chǎn)線成套裝置的2條單螺桿擠出機(jī)中熔融擠出, PET切片用單螺桿擠出機(jī)各區(qū)溫度分別為275,285,290,290,290 ℃,錦綸導(dǎo)電母粒用單螺桿擠出機(jī)各區(qū)溫度分別為225,235,250,250,250 ℃,紡絲箱體聯(lián)苯溫度為285 ℃,采用6孔內(nèi)三葉形雙組分復(fù)合紡絲組件,噴絲板的孔徑為0.25 mm,通過復(fù)合紡絲得到的初生絲經(jīng)上油、拉伸制得內(nèi)三葉形滌綸基復(fù)合導(dǎo)電長(zhǎng)絲。錦綸導(dǎo)電母粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～25%,紡絲速度為2 800 m/min,一輥溫度為90 ℃,二輥溫度為125 ℃,拉伸倍數(shù)為3.2,纖維規(guī)格為39 dtex/6 f。

1.4 分析與測(cè)試

熔體流動(dòng)指數(shù)(MFI):按照GB/T 3682.1—2018 規(guī)定,采用熔體流動(dòng)速率儀對(duì)導(dǎo)電母粒進(jìn)行測(cè)試,滌綸導(dǎo)電母粒和錦綸導(dǎo)電母粒的測(cè)試溫度分別為275 ℃和280 ℃,保溫時(shí)間均為6 min,負(fù)荷均為2 160 g。

力學(xué)性能:參考GB/T 14343—2008《化學(xué)纖維 長(zhǎng)絲線密度試驗(yàn)方法》,采用YG086型縷紗測(cè)長(zhǎng)儀測(cè)定纖維的線密度;參考GB/T 14344—2008《化學(xué)纖維 長(zhǎng)絲拉伸性能試驗(yàn)方法》,采用XL-1型紗線強(qiáng)伸度儀測(cè)試?yán)w維的力學(xué)性能,夾持距離為250 mm,拉伸速度為500 mm/min,每個(gè)試樣測(cè)試5次取平均值。

導(dǎo)電性能:參考GBT 12703.4—2010《紡織品 靜電性能的評(píng)定 第4部分:電阻率》,將2.5 g導(dǎo)電纖維絲束平攤成餅狀,采用EST-121型數(shù)字超高阻微電流測(cè)量?jī)x測(cè)試?yán)w維的表面電阻。

2 結(jié)果與討論

2.1 紡絲組件的優(yōu)化設(shè)計(jì)

復(fù)合導(dǎo)電纖維采用的截面為內(nèi)三葉形,實(shí)驗(yàn)初期將分配板中的復(fù)合微孔設(shè)計(jì)成如圖1a所示結(jié)構(gòu),葉片長(zhǎng)度為1.0 mm,頂角為27°,采用該分配板組裝的組件進(jìn)行紡絲得到的纖維截面形狀如圖1b所示。從圖1可以看出,雖然在分配板上熔體復(fù)合時(shí)會(huì)按照設(shè)計(jì)的分配微孔來形成截面,但復(fù)合熔體在經(jīng)噴絲板的導(dǎo)孔向微孔流動(dòng)并擠出成形的過程中,內(nèi)三葉形截面中外圓弧的弧形方向出現(xiàn)了反轉(zhuǎn),實(shí)際纖維截面變成了圖1b所示形狀。

圖1 實(shí)驗(yàn)初期設(shè)計(jì)的分配板微孔結(jié)構(gòu)及對(duì)應(yīng)的纖維截面形狀Fig.1 Microporous structure of distribution plate designed in early experiment stage and corresponding fiber cross-section shape

為解決上述問題,對(duì)組件中分配板的分配微孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整,將分配板的圓弧往內(nèi)收,并將三個(gè)葉片往外延伸,得到圖2a所示的分配板微孔結(jié)構(gòu),調(diào)整后的葉片長(zhǎng)度為1.4 mm,頂角為12°,使用該分配板組裝的組件進(jìn)行紡絲得到的纖維截面形狀如圖2 b所示。

圖2 調(diào)整后的分配板微孔結(jié)構(gòu)及對(duì)應(yīng)的纖維截面形狀Fig.2 Microporous structure of adjusted distribution plate and corresponding fiber cross-section shape

從圖2b纖維截面形狀可以看出,內(nèi)三葉形截面中外圓弧弧度反轉(zhuǎn)的情況相比圖1b有所減輕,基本成一條直線,整個(gè)截面呈等邊三角形,與產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求的截面形狀還有一定差距。另外,在紡絲實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),纖維截面形狀不均勻,有些單絲的內(nèi)三葉較大,有些單絲的內(nèi)三葉較小,有些單絲上還會(huì)出現(xiàn)截面只剩不規(guī)則的偏心甚至截面消失的情況。分析纖維截面不均勻的原因主要有以下三點(diǎn):(1)隨著分配板上分配微孔形態(tài)的改變,即葉片伸長(zhǎng),內(nèi)部弧度收小,中間的導(dǎo)電組分熔體從組件上部的砂腔進(jìn)入到分配板的微孔并沿分配微孔擴(kuò)散的過程中受到外層PET熔體的壓力更大,尤其是在伸展出去的葉片方向,這會(huì)導(dǎo)致多根單絲間的分配不勻;(2)在組件中,分配板和分配板下的噴絲板間留下的熔池是兩種熔體復(fù)合成截面的場(chǎng)所,兩種熔體都依靠此處的熔池建立壓力,互相擠壓并形成截面,由于分配板上有一個(gè)小圓臺(tái),因此內(nèi)層的導(dǎo)電組分熔體所依靠的熔池比起外層的PET熔體要更小一些,相同的進(jìn)料條件下熔池越大,建立的壓力越小,熔體更容易產(chǎn)生不均勻的截面分配;(3)分配板的分配微孔正對(duì)著噴絲板的噴絲孔,兩種熔體由壓力擠入噴絲孔中,但導(dǎo)電組分熔體的三個(gè)葉片伸展出去所覆蓋的圓面積已經(jīng)超過了噴絲孔的孔面積(如圖3所示),因此導(dǎo)電組分熔體在進(jìn)入噴絲孔時(shí)會(huì)產(chǎn)生壓縮,在導(dǎo)孔處即會(huì)產(chǎn)生死點(diǎn),從而在截面上出現(xiàn)熔體分配不均勻的情況。

圖3 分配板與噴絲板結(jié)合處熔體分配Fig.3 Melt distribution at the junction of distribution plate and spinneret plate1—導(dǎo)電組分熔體;2,3—PET熔體;4—噴絲板

為了解決截面上熔體分配不均勻的問題,對(duì)組件中分配板的分配微孔結(jié)構(gòu)及熔池的大小即熔池的高度進(jìn)行了調(diào)整,如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后的分配板微孔結(jié)構(gòu)及對(duì)應(yīng)的纖維截面形狀Fig.4 Microporous structure of optimized distribution plate and corresponding fiber cross-section shape

首先將分配板的分配微孔結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化,再次縮小了圓弧的弧度,優(yōu)化后的葉片長(zhǎng)度1.4 mm,頂角為0°(見圖4a);其次,將圓臺(tái)的高度降低,即縮小了熔池。使用圖4a所示分配板組裝的組件進(jìn)行紡絲得到的纖維截面形狀如圖4b所示,纖維截面的內(nèi)三葉形清晰,說明優(yōu)化后的分配板微孔結(jié)構(gòu)可以滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求的內(nèi)三葉形截面。因此,優(yōu)化設(shè)計(jì)的噴絲板選擇微孔葉片長(zhǎng)度為1.4 mm、頂角為0°。

2.2 內(nèi)外層原料及配比的選擇

2.2.1 外層PET切片的選擇

內(nèi)三葉形滌綸基復(fù)合導(dǎo)電長(zhǎng)絲的制備采用紡絲-拉伸一步法工藝路線,紡絲速度在2 800 m/min左右,需采用較高的拉伸倍數(shù),否則會(huì)導(dǎo)致纖維取向不充分,剩余伸長(zhǎng)大,表現(xiàn)為纖維斷裂強(qiáng)度低,斷裂伸長(zhǎng)率高,影響其應(yīng)用。因此,外層PET切片的特性黏數(shù)不宜太低,但切片特性黏數(shù)過高,會(huì)導(dǎo)致熔體流動(dòng)性差,無法和導(dǎo)電母粒的熔體流動(dòng)性相匹配,增加紡絲難度,可紡性差[8-9]。使用4種不同特性黏數(shù)的PET切片作為外層進(jìn)行紡絲實(shí)驗(yàn),內(nèi)層為錦綸導(dǎo)電母粒(炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)33%、MFI每10 min 15 g、相對(duì)黏度2.01),外內(nèi)層組分質(zhì)量比為7:1(內(nèi)層組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.5%)。從表1可知,當(dāng)外層PET特性黏數(shù)為0.65 dL/g時(shí),可紡性好,纖維截面均勻,內(nèi)三葉形弧度合適,纖維強(qiáng)伸度指標(biāo)均可滿足要求。因此,實(shí)驗(yàn)選擇特性黏數(shù)為0.65 dL/g的PET切片作為外層原料制備內(nèi)三葉形滌綸基復(fù)合導(dǎo)電長(zhǎng)絲。

表1 外層PET切片的特性黏數(shù)對(duì)可紡性的影響Tab.1 Effect of intrinsic viscosity of sheath PET chips on spinnability

2.2.2 內(nèi)層導(dǎo)電組分的選擇

內(nèi)層導(dǎo)電組分的流動(dòng)性決定了最終產(chǎn)品的內(nèi)三葉形截面是否能夠順利形成及截面的均勻程度。一般說來,使用流動(dòng)性較差(MFI較低)的導(dǎo)電母粒時(shí),內(nèi)三葉形的截面弧度比較合適,可以形成向內(nèi)的弧度,但可紡性較差,各單絲截面容易出現(xiàn)不均勻的情況;使用流動(dòng)性較好(MFI較高)的導(dǎo)電母粒時(shí),可紡性較好,各單絲截面比較均勻,但內(nèi)三葉形的截面弧度均會(huì)出現(xiàn)向外反轉(zhuǎn)的情況。因此,采用特性黏數(shù)為0.65 dL/g 的PET切片作為外層,自制不同MFI的錦綸導(dǎo)電母粒和滌綸導(dǎo)電母粒分別作為內(nèi)層,外內(nèi)層組分質(zhì)量比為7:1(內(nèi)層組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.5%),進(jìn)行了紡絲實(shí)驗(yàn),結(jié)果見表2。

表2 不同內(nèi)層導(dǎo)電母粒對(duì)可紡性的影響Tab.2 Effect of different core conductive masterbatch on spinnability

從表2可以看出:使用滌綸導(dǎo)電母粒作為內(nèi)層組分,其MFI分別為每10 min 3 g和20 g時(shí),可紡性均差,纖維強(qiáng)伸度、導(dǎo)電性能均不符合要求;相比而言,使用錦綸導(dǎo)電母粒作為內(nèi)層組分,其MFI為每10 min 5 g時(shí)可紡性差,MFI為每10 min 15 g時(shí)可紡性較好,纖維截面形狀、性能均可滿足要求,MFI為每10 min 40 g時(shí)可紡性較好,但纖維截面弧度反轉(zhuǎn)。因此,實(shí)驗(yàn)選擇MFI為每10 min 15 g的錦綸導(dǎo)電母粒作為內(nèi)層原料制備內(nèi)三葉形滌綸基復(fù)合導(dǎo)電長(zhǎng)絲。

2.2.3 原料配比的選擇

制備內(nèi)三葉形滌綸基復(fù)合導(dǎo)電長(zhǎng)絲時(shí),隨著內(nèi)層導(dǎo)電母粒添加比例的增加,可紡性降低,組件周期縮短,飄絲、斷頭現(xiàn)象增多;同時(shí),纖維內(nèi)部?jī)?nèi)三葉形截面的面積增加,表現(xiàn)為纖維的力學(xué)性能(強(qiáng)伸度)明顯下降,導(dǎo)電性略微增加。采用特性黏數(shù)為0.65 dL/g的PET切片作為外層組分、自制MFI為每10 min 15 g的錦綸導(dǎo)電母粒為內(nèi)層組分,考察了不同原料配比對(duì)可紡性、纖維性能和截面形狀的影響。從圖5和表3可以看出:內(nèi)層組分錦綸導(dǎo)電母粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、12%時(shí),可紡性都較好,導(dǎo)電纖維的截面內(nèi)三葉形狀均很清晰,達(dá)到了產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求的截面形狀;錦綸導(dǎo)電母粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%時(shí),導(dǎo)電纖維的斷裂強(qiáng)度為3.0 cN/dtex,斷裂伸長(zhǎng)率為63.0%,力學(xué)性能比錦綸導(dǎo)電母粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)的好;錦綸導(dǎo)電母粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí),可紡性一般,導(dǎo)電纖維的截面稍微變粗,斷裂強(qiáng)度大幅下降至2.3 cN/dtex;錦綸導(dǎo)電母粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí),可紡性變差,導(dǎo)電纖維斷裂強(qiáng)度下降至2.1 cN/dtex,內(nèi)三葉形葉片尖端離纖維表層十分接近,在紡絲拉伸過程中極易在此處出現(xiàn)斷裂;此外,不同含量錦綸導(dǎo)電母粒制備的導(dǎo)電纖維的表面電阻都達(dá)到了109Ω,具有良好的導(dǎo)電性能。實(shí)驗(yàn)表明,選擇內(nèi)層組分錦綸導(dǎo)電母粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)12%制備導(dǎo)電纖維,可紡性好,纖維截面的內(nèi)三葉形狀很清晰,且具有良好的力學(xué)性能和導(dǎo)電性能。

表3 原料配比對(duì)可紡性及纖維性能的影響Tab.3 Effect of raw material ratio on spinnability and fiber properties

圖5 不同含量錦綸導(dǎo)電母粒制備的導(dǎo)電纖維的截面形貌Fig.5 Cross-section morphology of conductive fibers with different content of nylon conductive masterbatch

3 結(jié)論

a.通過對(duì)噴絲板的分配板微孔結(jié)構(gòu)優(yōu)化,選擇微孔葉片長(zhǎng)度為1.4 mm、頂角為0°,可紡制產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求的內(nèi)三葉形纖維截面形狀。

b.采用特性黏數(shù)為0.65 dL/g的PET切片作為外層原料、自制MFI為每10 min 15 g的錦綸導(dǎo)電母粒作為內(nèi)層原料、內(nèi)層組分錦綸導(dǎo)電母粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)12%,制備內(nèi)三葉形滌綸基復(fù)合導(dǎo)電長(zhǎng)絲,可紡性好,纖維截面的內(nèi)三葉形狀清晰,達(dá)到了產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求的截面形狀,且具有良好的力學(xué)性能和導(dǎo)電性能,斷裂強(qiáng)度為3.0 cN/dtex,斷裂伸長(zhǎng)率為63.0%,表面電阻達(dá)109Ω。