熔体直纺原位聚合原液着色黑色PET细旦长丝的开发_武术方.pdf

研究与开发合成纤维工业，（）：收稿日期：；修改稿收到日期：。作者简介：武术方（），女，高级工程师，主要研究方向为聚酯工程技术开发。：。基金项目：国家重点研发计划项目（）。通信联系人。：。熔体直纺原位聚合原液着色黑色 细旦长丝的开发武术方，邱志成，李志勇，刘玉来，李 睿，吴鹏飞，金 剑，刘建立（中国纺织科学研究院有限公司 生物源纤维制造技术国家重点实验室，北京；中纺院（天津）科技发展有限公司，天津）摘 要：以连续聚合生产的原位聚合原液着色黑色聚对苯二甲酸乙二醇酯（）为原料，通过熔体直纺生产原位聚合原液着色黑色 细旦长丝，研究了熔体直纺工艺、拉伸与加弹后加工工艺对原位聚合原液着色黑色 细旦长丝性能的影响。结果表明：连续聚合生产的原位聚合原液着色黑色 中着色剂炭黑呈亚微米级高度均匀分散，且与 基体具有良好的界面相容性；原位聚合原液着色黑色 熔体为假塑性非牛顿流体，其对剪切速率的依赖性高于 熔体；连续聚合生产的原位聚合原液着色黑色 熔体具有良好的细旦长丝直接纺丝性能，直纺生产规格为 的细旦预取向丝的断裂强度为 、断裂伸长率为 ，其经加弹后加工制备的单丝线密度为 的超细旦假捻变形丝的断裂强度为 、断裂伸长率为 、色度 值为 。关键词：聚对苯二甲酸乙二酯纤维 原位聚合 原液着色 熔体直纺 细旦长丝中图分类号：文献标识码：文章编号：（）原液着色纤维又称为纺前着色纤维，是我国重点发展的三大绿色纤维品种之一。原液着色纤维加工成纺织品可免去染色工序，具有突出的节能、减排、降碳环保效益。据统计，与传统纺后染色聚对苯二甲酸乙二醇酯（）纤维相比，采用原液着色 纤维作为纺织原料，可节约水耗、能耗，二氧化碳排放减少。目前，原液着色 纤维主要采用色母粒法生产。由于受色母粒流动性和颜料分散性制约，采用色母粒着色制备深色、细旦等高品质原液着色纤维较困难。与色母粒法相比，原位聚合法在解决原液着色 纤维中颜料粒子的分散及其与基体的界面相容性等核心问题上具有突出优势。中国纺织科学研究院有限公司采用原位聚合法制备了炭黑（）质量分数为 的原液着色黑色，纺制了单丝线密度为 的超细旦长丝，断裂强度可达 。原液着色 纤维纺丝工艺主要有切片纺和熔体直纺两种。切片纺工艺具有生产转换灵活、市场反应快速等优点，但存在生产流程长、能耗高等问题；熔体直纺工艺具有生产流程短、能耗低、产品质量稳定、生产效率高等优点。目前，熔体直纺工艺主要采用色母粒熔体管道在线添加技术路线。滁州安兴环保彩纤有限公司在熔体直纺短纤维生产线上开发出断裂强度达到 的缝纫线用原液着色黑色 短纤维。荣盛石化股份有限公司在熔体直纺长丝生产线上开发出了 质量分数为 、规格为 的原液着色黑色 全拉伸丝，其断裂强度可达 。为了实现原位聚合原液着色 纤维的高效、低耗生产，中国纺织科学研究院有限公司在 连续聚合熔体直纺柔性试验线上开发了熔体直纺原位聚合原液着色 长丝技术，实现了原位聚合原液着色黑色（）细旦长丝的稳定生产。作者基于连续聚合生产 的基本物性，探究了熔体直纺工艺、拉伸与加弹后加工工艺对 细旦长丝性能的影响，旨在为大容量原位聚合原液着色 长丝熔体直纺技术的开发提供指导。实验 原料 熔体：特性黏数 、二甘醇质量分数 、色度 值 、熔点 ，中国纺织科学研究院有限公司 连续聚合熔体直纺柔性试验线生产；切片：特性黏数 、二甘醇质量分数 、色度 值、熔点 ，中国纺织科学研究院有限公司 连续聚合熔体直纺柔性试验线生产；切片纺和高压毛细管流变测试用 切片：特性黏数 、二甘醇质量分数 、色度 值、熔点 ，中国纺织科学研究院有限公司 连续聚合熔体直纺柔性试验线生产；压滤值（）测试用 切片：特性黏数 、二甘醇质量分数 、色度 值、熔点，中国石化仪征化纤有限责任公司生产。主要设备和仪器熔体直纺用高速卷绕机、环吹风冷却设备、自动落筒假捻变形机：北京中丽制机工程技术有限公司制；带环吹风冷却纺丝试验机和七辊平牵机：中国纺织科学研究院有限公司自制；自动黏度测定仪：上海思尔达科学仪器有限公司制；场发射扫描电子显微镜：日立高新技术公司制；型缕纱测长机、全自动单纱强力机、型全自动长丝卷缩率测试仪：常州八方力士纺织仪器有限公司制；型高压毛细管流变仪：德国高特福公司制；过滤性能测试仪：淄博市临淄方辰母料厂制；纱线样品绕纱机：常州市第一纺织设备有限公司制；测色仪：美国 公司制。和 切片小试纺丝将切片纺用 切片和 切片在真空度小于 的转篮烘箱内 预结晶 ，然后 干燥 ，干燥后切片含水量控制在 以下。将干燥后的 切片、切片在自制纺丝试验机上进行纺丝，制得预取向丝（）。喷丝板为 孔，喷丝孔孔径为 、长径比为:，纺丝温度为 ，纺丝速度为 。将制备的 在自制七辊平牵机上进行拉伸，拉伸温度为 ，定型温度为，拉伸倍数为 。细旦长丝熔体直纺与后加工（）从终聚釜出来的 熔体直接输送至纺丝箱体，经纺丝计量泵精确计量后送至纺丝组件，然后从纺丝组件喷丝板毛细孔中喷出，最后依次经环吹风冷却、集束上油、高速卷绕制得，规格分别为 和 。喷丝板孔数为、喷丝孔孔径为 、喷丝孔长径比为:，纺丝温度为，纺丝速度为 。（）将熔体直纺 在自制七辊平牵机上进行拉伸后加工，制得 细旦拉伸丝（），拉伸温度为 ，定型温度为 ，拉伸倍数为 。（）将熔体直纺 经自动落筒假捻变形机进行加弹，制得细旦 假捻变形丝（）。规格分别为 和 ，加工速度 、速比（）、变形温度 、定型温度 。分析与测试微观结构：采用扫描电子显微镜（）对 切片脆断面和纤维表面形态进行观察。观察前对切片脆断面进行镀金处理。流变性能：将切片纺用 切片和 切片置于真空度小于 的真空干燥箱内，于 真空干燥至切片含水率小于 ；采用高压毛细管流变仪对干燥切片进行测试，毛细管长径比为:，测试温度为 ，剪切速率（?）为 。：将目数为、的 层金属滤网叠加紧压形成的滤网组件安装在过滤性能测试仪分流板上，滤网组件的有效过滤面积为 、主过滤网为 目。依次将切片含水率均小于 的 干切片、总含量为 的 干切片和 干切片经过滤性能测试仪熔融再经滤网组件以恒定流量挤出，通过安装在滤网组件前的压力传感器测定 干切片熔融挤出前后 干切片熔融挤出的压力，其中 干切片第一次熔融挤出压力标记为、第二次熔融挤出压力标记为，最后通过式（）计算得到 的。（）无油丝特性黏数：按照 纤维级聚酯切片（）试验方法测定。纤维力学性能：按照 化学纤维 长丝拉伸性能试验方法测定。卷曲收缩率和卷曲稳定度：按照 合成纤维 变形丝卷缩性能试验方 合 成 纤 维 工 业 年第 卷法测定。沸水收缩率：按照 化学纤维 长丝热收缩率试验方法（处理后）测试。色度 值：将 经 纱线样品绕纱机卷绕制成宽度为 的色卡，其中色卡制作转速为 、卷绕宽度为。通过 测色仪测定由 卷绕制成色卡的色度 值，即 的色度 值。结果与讨论 微观结构为了表征着色剂 在 中的分散程度，对 切片的脆断面进行了 观察。从图 可以看到，在 脆断面以直径小于 的粒子簇团的形式均匀分散，表明在 中 实现了亚微米级高度均匀分散。此外，从图 还可以看到，在 粒子与 基体两相界面处无明显相分离行为，表明在 中 与 基体具有良好的界面相容性。图 切片脆断面的 照片 为了进一步表征 在 中的分散程度，采用过滤性能测试仪测试了 熔体挤压通过过滤精度为 目金属滤网的。为每克着色剂通过单位面积滤网所产生的压力升，可有效表征着色剂在聚合物中的分散程度。从图 的 测试的压力曲线可以看到，压力曲线上共有 个平台，其中第二个平台为 熔融挤出压力曲线段，第一个平台和第三个平台均为 熔融挤出压力曲线段且压力值均为 ，表明 熔融挤出前后 熔融挤出差压为。这说明了在过滤精度为 目金属滤网的测试条件下，熔体中的 粒子均可通过过滤网，从而使得其 测试值为。这也表明 在 中分散程度高、分散粒径小。图 的 测试的压力曲线 流变性能从图 可以看到，和 熔体的表观黏度（）均随?的增大而逐渐减小，表现出剪切变稀特性，表明 熔体与 熔体一样，均属于非牛顿流体。根据牛顿流体的分类，熔体属于假塑体。导致假塑性非牛顿流体剪切变稀的主要原因是大分子链间的物理交联和熔体的弹性。图 下 和 熔体的流动曲线 ；从图 还可以看到，与 熔体相比，熔体的 随?增大而下降的趋势更明显，表明 熔体的 对?的依赖性高于 熔体。这种现象归因于 中 与 分子链间的强相互作用力对 分子链运动的束缚作用。在 连续聚合生产过程中，充分浸润 粒子表面的低黏度 齐聚物原位聚合生成 大分子，从而使 粒子表面获得与 分子链间的强相互作用力。第 期 武术方等 熔体直纺原位聚合原液着色黑色 细旦长丝的开发 切片纺丝性能评价从表 可知：在 的高速纺丝条件下，切片和 切片均可稳定纺制单丝线密度为 的细旦；与 切片相比，在相同纺丝速度下 切片纺制 具有更高的断裂伸长率；在 的高速纺丝条件下，切片和 切片所纺制 的断裂强度分别为 和 ，断裂伸长率分别为 和 。这是由于在 熔体纺丝过程中，因与 分子链间具有强相互作用力可起到抑制 分子链沿纺程方向取向的作用，从而导致 较 所纺制 因取向度偏低使其断裂伸长率更高。表 纺丝速度下 和 细旦 的力学性能 试样线密度 复丝单丝纺丝速度（）断裂强度（）断裂伸长率，将 纺丝速度下制备的 和 分别进行 倍拉伸，制得单丝线密度为 的，的力学性能见表。表 和 超细旦 的力学性能 试样单丝线密度 纺丝速度（）断裂强度（）断裂伸长率，注：拉伸倍数为 。从表 可知，的断裂强度为 ，较 降低 ，断裂伸长率为，较 提高 。这表明在相同纺丝与拉伸条件下所制备 超细旦长丝较 超细旦长丝具有更高的断裂伸长率。综上可知，切片具有良好的纺丝性能，可纺制超细旦长丝，所得单丝线密度为 ，断裂强度可达 ，且较相同纺丝条件下所纺制同规格 超细旦长丝具有更高的断裂伸长率。细旦长丝熔体直纺工艺 熔体输送停留时间 细旦长丝熔体直纺生产过程主要包括连续聚合、熔体输送与纺丝三个环节，其中熔体输送环节是将连续聚合生产 熔体通过熔体管道直接输送至纺丝装置各纺丝位。因 属于热敏性材料，在熔体输送过程中将不可避免发生热降解副反应，通常纺丝 熔体黏度降需控制在 以内，因此，在 熔体输送过程中需通过熔体输送停留时间等工艺参数的调控，减少熔体黏度降，避免熔体可纺性劣化。从表 可知：在熔体管道温度为 、熔体增压泵泵后压力为 的条件下，当熔体输送停留时间为 ，熔体黏度降为 ；当熔体输送停留时间延长至 ，熔体黏度降增大至 。这表明熔体停留时间是影响 熔体输送黏度降的重要因素，为避免直纺 熔体可纺性劣化，在熔体管道温度为 的温度条件下其熔体输送停留时间应控制在 以内。表 熔体输送停留时间对 熔体黏度降的影响 熔体管道温度 熔体增压泵泵后压力 熔体输送停留时间无油丝特性黏数（）熔体黏度降（）注：终聚熔体特性黏数为 。细旦 熔体直纺工艺及产品性能基于 连续聚合熔体直纺柔性试验线生产 切片纺丝性能评价结果，熔体直纺 细旦长丝优选纺丝速度为 、纺丝温度为 。从表 可知：熔体直纺规格为 的 细旦 的断裂强度为 ，断裂伸长率为 ；熔体 合 成 纤 维 工 业 年第 卷直纺规格为 的 细旦 的断 裂 强 度 为 ，断 裂 伸 长 率 为。这表明连续聚合生产 熔体具有良好的细旦长丝直接纺丝性能，且所纺制细旦 具有断裂强度高、断裂伸长率大的特点。表 熔体直纺 细旦 纺丝工艺与力学性能 规格纺丝速度（）纺丝温度 断裂强度（）断裂伸长率，为了评价熔体直纺 细旦 的可拉伸性能，对熔体直纺生产规格为 和 的细旦 进行 倍拉伸。从表 可知：规格为 的 细旦 经过 倍拉伸后，制备的单丝线密度为 的细旦 的断裂强度为 ，断裂伸长率为 ；规格为 的 细旦 经过 倍拉伸后，制备的单丝线密度为 的超细旦 的断裂强度为 ，断裂伸长率为 。这表明 细旦 均具有良好的可拉伸性能，经过 倍的高倍拉伸，所制备细旦 的断裂强度可达 以上，且断裂伸长率可保持在 以上。表 熔体直纺 细旦 拉伸后制得 的力学性能 丝规格拉伸倍数线密度 复丝单丝断裂强度（）断裂伸长率，注：拉伸温度为 ，定型温度为 。熔体直纺 细旦 加工工艺及产品性能基