功能性发制品用PVC纤维纺丝工艺探讨

刘术佳，郭楠，王依民，吴学丙

(1.东华大学材料科学与工程博士后流动站，上海 201620; 2.东华大学产业用纺织品教育部工程研究中心，上海 2016202; 3.河南瑞贝卡发制品股份有限公司博士后工作站，河南 461000）

应用技术

功能性发制品用PVC纤维纺丝工艺探讨

刘术佳1，3，郭楠3，王依民1，2，吴学丙3

(1.东华大学材料科学与工程博士后流动站，上海 201620; 2.东华大学产业用纺织品教育部工程研究中心，上海 2016202; 3.河南瑞贝卡发制品股份有限公司博士后工作站，河南 461000）

将Zn-Ni复合抗紫外材料及含磷抗菌剂应用于假发用PVC纤维中，通过熔融纺丝方法得到功能性PVC发用纤维，使其具有抗菌、抗紫外的功能性。研究了纺丝工艺参数对成品丝性能的影响，通过调整纺丝工艺得到适合发用PVC纤维的合适工艺。成品丝经抗菌测试，其抗菌率在95%以上，UPF值为500，远远大于标准值，且UVA及UVB均小于5%，满足防紫外线产品的要求。

功能性抗菌抗紫外发用纤维PVC

世界经济水平的不断发展，人民生活水平逐步提高，使人们越来越重视自身形象的美化，时尚消费已逐渐成为新的热点。随着发制品需求量的增大和国内发制品企业迅速增加，天然人发资源日益紧缺、价格不断上涨、供需矛盾日益突出，特种化学纤维作为人发替代品的作用日益凸显。但化纤假发产品存在着功能单一的问题，产品功能急需升级，即从一般意义上的美妆或遮瑕功能升级到保健、美容养颜功能。而假发制品的升级主要取决于原材料化学纤维的升级。目前市场上发制品所用的主要化学纤维有聚氯乙烯(PVC）基纤维、聚酯基纤维、聚丙烯腈(PAN）基纤维及蛋白质纤维等。从卷发或直发的形态外观、阻燃性等方面考虑，多以改性PAN基或PVC基纤维为原料。

与此同时，人类生存环境中存在各种各样的细菌和霉菌，随着生活水平的提高，人们对于生活中衣、食、住等方面的清洁性和舒适性更加重视了。具有抗菌功能的纤维制品适应了人类现代生活的需要，近年来得到了迅速发展。紫外线是一种电磁波射线，过量的紫外线照射会对人体产生伤害。为减少紫外线对人体的损伤，需要假发制品具有良好的紫外线防护性能［1］，近年来，对抗紫外线材料及织物的研究很多［2－7］，但对于假发用抗紫外线纤维的研究还未见报道。通过涂层后整理的发制品虽然能很好地屏蔽紫外线，但假发热湿舒适性较差，不适合作佩戴之用。这样一来，就要求构成发制品的纤维具有紫外线屏蔽、吸收的功能，以此来减少紫外线的辐射。因此，开发适合人体佩戴服用的具有抗菌、防紫外线功能性的发制品用假发原材料成为企业新的研究方向。

1 试验

1.1 试验原料

PVC树脂，南通树脂厂，平均聚合度为900～1 150;

抗菌剂，磷酸锆载银抗菌剂，厦门鑫达康无机材料有限公司，平均粒径为2～3 μm;

Zn-Ni复合抗紫外材料，实验室自制;增塑剂DOP，利民化工有限责任公司;稳定剂，有机锡热稳定剂T-580，上海智强塑料助剂有限公司;

抗氧剂1010，南京米兰化工有限公司。

1.2 Zn-Ni复合抗紫外材料制备

针对单纯使用ZnO对紫外线的屏蔽效果不理想这一问题，通过掺杂和半导体复合的方法对氧化锌进行改性，以增强对紫外线的屏蔽效果，制备流程如图1所示。具体的实验内容为:

1.2.1 沉淀反应

配置一定浓度的Zn(NO3）2、NiCl2·6H2O和十六烷基三甲基氯化铵的混合溶液80 mL，将此混合溶液转入三口烧瓶中，在室温和强烈搅拌的条件下缓慢滴加浓度为2.3 mol/L的NaOH溶液80 mL。

图1 Zn-Ni复合抗紫外材料的制备流程

1.2.2 水热反应

待NaOH溶液滴加完毕，将所得的浆料采用均质机高速分散40 min，然后转入200 mL的水热反应釜中，并开始加热。当水热反应釜的温度达到所需温度时，反应釜进入保温阶段，水热分解反应开始。

1.3 抗菌性PVC纤维的制备

笔者采用热粘包覆法分时分步初步混合抗菌剂、抗紫外剂、PVC颗粒及其他助剂，以保证熔融挤出时各种助剂都能与聚氯乙烯混合均匀，从而保证纺丝的顺利进行。随后在双螺挤出机中造粒，再进行熔融纺丝，对纤维的上油、后处理包括预热、延伸、回缩及冷却等。

2 结果与讨论

2.2 纺丝工艺的影响

2.2.1 纺丝温度

纺丝温度一般是指熔体温度，即熔体出喷丝孔时的实际温度，熔体温度随纺丝原料的熔点、特性粘数变化而变化。熔体温度控制适当，不仅可纺性好，而且得到的成品丝物理机械性能优异。另一方面，由于聚氯乙烯的加工温度窗口很小，约10℃左右，温度太高很容易分解，不仅使产品质量下降，还会造成环境污染;温度太低，流动性能原来就不好的PVC更加难以纺丝成形。故聚氯乙烯熔纺温度须严格控制在160～170℃间，如表1所示。

表1 PVC熔体温度对可纺性及卷绕丝性能的影响

2.2.2 螺杆挤出压力

螺杆挤出机出口的熔体压力称为螺杆挤出压力，由压力传感器测量显示和控制。螺杆挤出压力用于克服熔体在管道和混合器等设备内的阻力，保证熔体有一定的熔体压力。表2所示为螺杆挤出压力对卷绕丝性能的影响。

表2 螺杆挤出压力对卷绕丝性能的影响

试验证明，压力达到一定值时才能精确地输出，否则会产生供量不足或者波动，使纺出的丝变细或条干不匀。对流动性较差的树脂原料如PVC等，机头压力一般要求较高，但压力不宜太高，因压力愈高，要求螺杆转速愈快，挤出机内熔体的逆流量增大，电能消耗增加，若超过设备的耐压范围，还会出现事故。经过试验，聚氯乙烯的熔纺螺杆挤出压力范围为50～200 kg/cm2，考虑到加工条件、环境等，纺丝压力设定在125 kg/cm2。

2.2.3 纺丝组件

纺丝前须用过滤材料对熔体进行过滤，以除去杂质。笔者在聚氯乙烯高压纺丝中使用多层滤网过滤杂质。另外，过滤层还能产生较高的阻力，使熔体摩擦生热，温度升高，改善熔体的流变性能

因功能性母粒带入的杂质使组件升压速率加快，使用周期也将缩短，且随纺丝组件使用时间的增长，过滤网内的杂质增多，组件压力就会逐步升高。过滤网组合不同、喷丝板孔面积的大小均会影响组件的压力。因此当纺丝工艺条件变更时，须及时更换组件过滤网的组合，才能达到较为理想的组件初始过滤压力。图2为过滤网第3层目数对机头压力的影响。从图2中可以看出，随过滤网目数的增加，纺丝机头压力呈上升趋势，考虑到生产稳定性和纤维性能，笔者选择过滤网目数为80/250/320组合。

图2 过滤网目数(第3层）对机头压力(15 h后）的影响

2.2.4 缓冷加热筒温度

聚氯乙烯熔体因粘度太大，流体性能极差，从喷丝孔压出的丝条不能马上冷却，必须对其加热缓冷。加热方式采用加热套筒式，温度为350～400℃，否则很容易断裂，产生断头、毛丝。加热筒的温度是一个关键参数，笔者研究了加热筒温度对卷绕丝断裂强度的影响，结果如图3所示。

图3 加热筒温度对卷绕丝断裂强度的影响

从图3可看出，随加热筒温度的升高，纤维断裂强度逐步升高，说明加热筒温度的升高，有利于纤维力学性能、物理指标的提高。

2.2.5 后处理工艺对发丝性能的影响

笔者探讨的后处理工艺主要包括:预热温度、拉伸倍数、热回缩温度及回缩率对PVC发丝力学性能的影响。

聚氯乙烯纤维后处理中的预热采用循环热风加热，热风温度控制在200～230℃。在这个范围内，温度的变化对拉伸丝的强度无明显的影响，但随着温度的提高，拉伸倍数可适当提高，成品的沸水收缩率降低。随着拉伸应力的减小，毛丝、断头减少。风温对拉伸工艺及可拉伸倍数的影响，如表3所示，可见在较低温度95～150℃时，毛丝断头现象较多，难以持续稳定生产，超过170℃后情况好转。由于纤维的屈服强度随拉伸温度的提高而降低，在高于玻璃化转变温度下拉伸，拉伸应力可以减小，有利于减少毛丝和断头。温度愈高，拉伸应力愈小。但温度过高时，分子链段的活动能力很强，大分子的力学性能，如取向度由于解取向反而随温度的升高而降低，达不到提高强度的目的。因此笔者根据不同纤度选择在180～230℃之间。

表3 风温对拉伸工艺及可拉伸倍数的影响

拉伸倍数会直接影响成品丝的强度、模量、伸度和纤度等。因为随着拉伸进行，大分子沿拉伸方向规则排列，并且由于应力和取向诱导结晶的形成，纤维抗张强度、模量增加，断裂伸长减少。图4为总拉伸倍数对纤维强度和断裂伸长率的影响。

图4 拉伸倍数对纤维强度和断裂伸长率的影响

另外，拉伸倍数与喷丝头拉伸倍数、原料、纺丝温度和预取向度(双折射）也有关系。因此，当生产新品种或者调换原料时，往往需要在计算的基础上，对拉伸倍数和纺丝工艺进行若干次调整，才能使生产稳定，产品质量合格。

热回缩分两道进行，总回缩率不仅对成品丝的强度和断裂伸长率产生重要影响，而且决定着成品丝的高温收缩率。图5为纤维总回缩率对强度与伸长率的影响关系，从图中可以发现，随回缩率的增加，纤维的断裂强度呈上升趋势，而伸长率却下降。卷绕丝经过拉伸后，内部结构发生很大的变化。在一定的条件下，丝条内部存在的形变内应力，会使拉伸丝失去部分经拉伸而形成的结构。经过热回缩，可以消除内应力，使拉伸丝性能稳定。同时还可促使丝条进一步结晶，强化其物理性能。随着热回缩温度的提高，拉伸丝的沸水收缩率降低。但温度过高，会使大分子松弛，拉伸应力下降，产生解取向，导致丝条强度降低，故最佳温度应在105～115℃之间。

图5 总回缩率对纤维强度和断裂伸长率的影响

2.3 抗菌、抑菌性研究结论

根据中华人民共和国国家标准GB/T 20944.3-2008纺织品抗菌性能的评价，检测抗菌PVC纤维的抗菌性能。实验采用振荡法测定PVC纤维的抗菌性能。

抑菌率计算方法如下:

抑菌率=100×(C－A）/C%

其中，A=试样培养后回收细菌数，C=对照样培养后回收细菌数。

实验制备的抗菌纤维中抗菌活性组分被均匀分散在纤维的内部，随着纤维的磨损，表面抗菌性能减少，内部的抗菌成分由于抗菌剂的“缓释原理”而显现，并向外扩散，补充抗菌性能，如此周而复始，使之具有持久性抗菌功能。由于采用共混法，抗菌PVC纤维具备由内到外的功能特性，纤维成品抗菌率达到91%以上，可满足发用纤维的实用要求，如表4所示。

表4 抑菌率测试结果

2.4 抗紫外测试结果

根据中华人民共和国国家标准GB/T18830-2009进行测定，以紫外线防护因子(UPF）、UVA及UVB透过率综合以表征，经测定，结果如表5所示。

表5 聚氯乙烯纤维防紫外性能数据表

根据GB/T 18830-2009规定:当样品的UPF＞30，且UVA的透过率小于5%时，可称为“防紫外线产品”。从表5中数据可以看出，笔者研发的假发用抗紫外PVC纤维UPF值为500，远远大于标准值，且UVA及UVB均小于5%，满足防紫外线产品的要求，且防紫外线性能优异。

3 结论

将含磷抗菌剂与自制Zn-Ni复合抗紫外材料与聚氯乙烯共混制得功能性母粒，再通过双螺杆纺丝得到具有抗菌、防紫外线功能性的发用聚氯乙烯纤维，并研究了纺丝工艺条件对成品丝性能的影响，得出以下结论:

a）对不同细菌种类抗菌、抑菌率达到91%以上，抗紫外线系数UPF值为500;

b）纺丝工艺:PVC熔纺温度一般控制在160～170℃;纺丝压力设在135 kg/cm2;纺丝组件中过滤网组合为80/250/320目;喷丝后的加热方式为加热套筒式，温度为350～400℃;聚氯乙烯纤维后处理中的预热采用循环热风加热，热风温度控制在180～230℃;总拉伸倍数为3.2;热回缩温度在105～115℃。

［1］商成杰.功能纺织品［M］.北京:中国纺织出版社，2006.

［2］Ahmed M E-T，Shu Y，Tsugio S.Synthesis and silica coating of calcia-doped ceria/plate-liketitanate nanocomposite by seeded polymerization technique［J］.Materials Chemistry and Physics，2007，103:345－350.

［3］Ahmed M E-T，Shu Y，Tsugio S.Synthesis and silica coating of calcia-doped ceria/mica nanocomposite by seeded polymerization technique［J］.Applied Surface Science，2006，252:5063－5070.

［4］徐朴，叶奕梁.防紫外辐射机理及产品研究［J］.棉纺织技术，1999，27:389－394.

［5］Yabe S，Yamashita M，Momose S，et al.Synthesis and UV-shielding properties of metal oxide doped ceria via soft solution chemical processes［J］.International Journal of inorganic materials，2001，3:1003－1008.

［6］李哲，张萍，冉璟，等.屏蔽紫外线纳米ZnO/TiO2复合粉体的制备与性能研究［J］.化工新型材料，2006，34(12）:41－44.

［7］Li J，Fang H Q，Chen X P，et al.Structural and photoluminescence of Mn-doped ZnO single-crystalline nanorods grown via solvothermal method［J］.Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects，2009，349:202－206.

Studied on spinning process of PVC fiber for functional wig

Liu Shujia1.3，Guo Nan3，Wang Yimin1，2，Wu Xuebing3

(1.Material Science and Engering Post Doctoral Stations，Donghua University，Shanghai 201620，China; 2.Engineering Research Center of Technical Textiles，Ministry of Education，Donghua University，Shanghai 201620，China; 3.HeNan Rebecca Post Doctoral Stations，HeNan 461000，China）

The functional fiber for wig possess antibiosis and uvioresistant performance could be produced by adding uvioresistant material of Zn-Ni composite and phosphorous antibacterial agent by means of melt spinning were added in PVC fiber for wig in this paper.The effect of spinning process technological Parameters were studied.Suitable spinning process for PVC fiber were determined by adjustment.The antibacterial rate of functional fiber was above 95%.The anti-ultraviolet data of UPF was 500 which was more than standard value，UVA and UVB were all less than 5%.It satisfied the requirement of uvioresistant product.

functional;antibiosis;uvioresistant;fiber for wig; PVC

TQ342.5

B

1006-334X(2012）01-0033-05

2011－12－20

刘术佳(1983－），女，山西临汾人，博士学位，研究方向为功能性发用纤维的研发，目前从事功能性发用纤维博士后研究工作，已发表SCI检索论文2篇，申请发明专利4项。