LDPE/PA6海岛复合超细纤维的可纺性及性能研究

董振峰，王 锐*，李 革，马文娟

(1.北京服装学院 材料科学与工程学院，北京100029;2.泉州万华世旺超纤有限责任公司，福建泉州362100)

相比于共混海岛超细纤维，复合海岛超细纤维的岛与海的分布均匀性好，超细纤维直径均匀，线密度一致，染色均匀性好，产品主要用于绒面革，手感更接近真皮，附加值较高［1－4］。目前海岛复合纤维的海组分主要为易水解聚酯［5－9］，在开纤过程中需将其溶除。易水解聚酯难以回收再利用，且开纤过程需要消耗大量的强碱溶液［10－11］。目前，北京服装学院采用低密度聚乙烯(LDPE)为海组分开发出的共混PA6超细纤维(300～500 nm)制备技术实现了工业化生产，成功解决了溶剂和LDPE的回收再利用［12］。

与共混海岛超细纤维相比，海岛复合超细纤维的生产工艺及设备截然不同，因此需要进一步研究其可纺性及超细纤维的性能。作者从纺丝温度、LDPE/PA6质量比和纺丝速度等方面研究LDPE/PA6海岛复合超细纤维的可纺性及纤维性能。

1 实验

1.1 原料

LDPE:牌号1I50A，熔体流动指数为每10 min 50 g，中国石化股份有限公司北京燕山分公司产;PA6:相对黏度2.8，岳阳巴陵石化化工化纤有限公司产，在真空转鼓干燥机中120℃干燥10 h，冷却后取出置于密闭容器中待用。

1.2 纺丝设备

单螺杆双箱体熔融复合纺丝机:大连合成纤维研究所制造，螺杆直径均为30 mm，长径比为30;喷丝组件为日本卡森36孔37岛组件，喷丝板微孔直径 0.25 mm，长径比为2.5。

1.3 纺丝工艺

PA6切片和LDPE切片经各自螺杆挤压机加热熔融后输送至各自纺丝计量泵，再经纺丝计量泵输送至纺丝组件。熔体在纺丝组件内经熔体转换板形成海岛结构从喷丝板微孔挤出成丝条。丝条在侧吹风冷却后上油经导丝盘导丝由卷绕装置卷绕得到卷绕丝。螺杆挤压机一区、二区、三区、四区温度和纺丝箱温度设置如下:PA6分别为250，275，278，278 ℃，LDPE 分别为 170，200，210，210，278 ℃。

通过调整纺丝计量泵转速和卷绕速度得到不同海岛比例和纺丝速度的卷绕丝，实验选取LDPE/PA6的质量比为45/55进行不同纺丝速度的对比分析。不同工艺条件下得到的初生纤维试样见表1。

表1 初生纤维试样Tab.1 Nascent fiber samples

1.4 拉伸工艺

采用苏州特发公司的TF100-08拨叉式平行牵伸机进行拉伸热定型。将初生纤维以300 m/min的速度拉伸2.5倍，第一热辊温度为50℃，第二热辊温度为55℃，热箱温度为90℃。1#～7#初生纤维的拉伸丝分别为Q1#～Q7#。

1.5 剥离工艺

将拉伸丝在120℃(油浴温度125℃)的二甲苯中剥离，浴比(质量)为1∶300，将超细纤维用乙醇洗去溶剂二甲苯，并在鼓风烘箱50℃烘除乙醇。1#～7#复合纤维的超细纤维分别命名为S1#～S7#。

1.6 分析测试

线密度:采用常州纺织仪器厂YG086C型缕纱测长仪测试。

形态结构:用KYKY SBC-12离子溅射仪对纤维试样进行镀金处理，然后置于JSM-7500F型场发射型扫描电子显微镜下观察。

热性能:采用PerkinElmer公司Diamond DSC测试纤维的熔融温度，升温速度为20℃/min

力学性能:采用美国英斯特朗公司的Instron 5969力学性能测试仪按照GB/T14337—93进行测试，拉伸速度为40 mm/min。

2 结果与讨论

2.1 纺丝温度

海岛复合纤维两组分的熔体黏度比是影响其截面海、岛形态的重要因素之一［13］。当两组分的分子量确定后，两组分的黏度比主要受纺丝温度的影响［14－15］。从表2可看出，在 270～285 ℃进行海岛复合纺丝，在所研究的海岛复合比下，均可形成稳定的初生纤维。由于LDPE的凝固点较低，较高的纺丝温度会导致纤维的凝固点位置下降，使得纺丝升头困难。由于熔体黏度随着熔体温度的降低而增大，较低的纺丝温度会使组件压力增大。纺丝温度为278℃时，PA6和LDPE两组分的组件压力分别为15 MPa和11 MPa，可以形成稳定的初生纤维，可纺性好。

图1 初生纤维试样截面的SEM照片Fig.1 SEM photos of nascent fiber samples'cross-section

表2 不同纺丝温度下复合纤维的可纺性Tab.2 Spinnability of composite fiber at different spinning temperature

2.2 纺丝速度

LDPE/PA6非相容体系共混海岛纺丝由于其共混熔体的性质决定其纺丝速度不超过400 m/min，而复合海岛纺丝的纺丝速度可以更高［15］。由于LDPE的熔点为109℃，其纤维相比于聚酯纤维和聚酰胺纤维难以冷却，且凝固点随着纺丝速度的提高而下移，因此需要延长冷却长度。实验结果表明，LDPE/PA6复合纤维可纺性良好的纺丝速度与冷却长度的关系见表3。

表3 纺丝速度与冷却长度的关系Tab.3 Relationship between spinning speed and cooling length

2.3 海岛比例

由复合法制备的超细纤维需要溶除海的组分方能得到超细纤维，需要考虑海组分的回收和再利用，若海组分比例较高，回收的成本增加;但海组分比例过小，会出现岛纤维大片粘连，因此，海岛比的选择关系到可行性和成本的高低［16］。

从图1可看出，初生纤维中岛相排列跟组件设计排列完全相同，并未发生粘连或凝聚，这说明在研究的海岛比例范围内，可纺性均较好。从表4可看出，岛直径随着岛组分比例的增加而增加。

表4 初生纤维岛直径Tab.4 Diameter of nascent fibers

2.4 复合纤维的剥离

将1 000 m/min纺制的初生纤维在平行拉伸机上拉伸2.5倍得到拉伸丝，2 000 m/min纺制的初生纤维拉伸1.5倍，而3 000 m/min纺制的初生纤维无法进行再拉伸，将其溶除海组分得到超细纤维，以差示扫描量热(DSC)测试来表征剥离效果。

从图2可以看出，试样Q2#曲线1中出现了LDPE和 PA6的熔融峰，而试样 S2#曲线2中LDPE的熔融峰已经消失，这说明复合纤维海相的溶除比较完全。

图2 复合超细纤维试样的DSC曲线Fig.2 DSC curves of superfine composite fiber samples

2.5 纤维形态

从图3可以看出，超细纤维的岛相纤维粗细均匀，未发生粘连或凝聚现象.用SEM软件测得超细纤维的岛直径及根据文献［1］的计算方法得到超细纤维的线密度列于表5。

图3 超细纤维试样SEM照片Fig.3 SEM images of superfine fiber samples

表5 超细纤维试样的直径及线密度Tab.5 Diameter and linear density of superfine fiber samples

从表5可以看出，纺丝速度相同时，超细纤维直径随着岛比例的增加而增加。S6#和S7#的纤度相当于Q2#拉伸3倍后超细纤维的线密度，主要是由于二者的纺丝速度差产生。

2.6 力学性能

从表6可看出，Q1#～Q5#的断裂强度随着PA6比例的增加而增加。由于纺丝速度增加，大分子取向度，相比于Q2#，Q6#的断裂强度明显增加。但随着纺丝速度的增加，冷却长度增加，纤维力学性能的不匀率迅速上升。

表6 拉伸丝力学性能Tab.6 Mechanical properties of stretched fibers

3 结论

a.在纺丝温度为278℃，LDPE/PA6质量比为 50/50，45/55，40/60，35/65，30/70，冷却长度为140 mm，纺丝速度为1 000 m/min时，海岛复合纤维具有良好的可纺性，其超细纤维的线密度为 0.077 ～0.110 dtex。

b.LDPE/PA6复合纤维纺丝的过程中，冷却长度应随着纺丝速度的增加而适当延长。

c.拉伸丝的强度随着PA6比例和纺丝速度的增加而增加。但随着纺丝速度和冷却长度的增加，纤维力学性能不匀率上升。

［1］张大省，王锐.超细纤维生产技术及应用［M］.北京:纺织工业出版社，2007:17－20.

［2］张大省，王锐.超细纤维发展及其生产技术［J］.北京服装学院学报，2004，24(2):62－68.

［3］孙亚洲.合成革步入功能化高端市场［N］.中国纺织报，2012－02－21(3).

［4］顾宇霆.超细纤维合成革的市场及技术进展［J］.纺织导报，2011(3):85 －88.

［5］徐红，张宝华，樊爱娟，等.超细海岛型纤维的制备与应用［J］.上海纺织科技，2003，31(4):8 －9.

［6］张大省，王锐.PA6/EHDPET共混纤维的相形态结构.科学技术与工程，2002，6(2):56－59.

［7］张大省，王锐，陈放，等.NECDP/LDPE共混纤维的结构性能［J］.纺织导报，2012(1):95－96.

［8］侯子志，王英，廖杨利，等.海岛型复合超细纤维生产及关键技术研究［J］.天津纺织科技，2011(1):28－30.

［9］杨蕴敏，余晓华.海岛复合超细纤维的纺丝工艺探讨［J］.合成纤维工业，2009，32(2):51－52.

［10］张大省，王锐，朱丹丹.PA6/EHDPET共混纤维的碱水解行为［J］.合成纤维工业，2003，26(4):12 －16.

［11］刘俊姝，张大省，王锐，等.PTA法易水解聚酯的合成及水解性能［J］.合成树脂及塑料，2003，20(3):5 －8.

［12］王锐.PA6/PE共混海岛法超细纤维及人造麂皮的开发和产业化［J］.科技潮，2004(10):27.

［13］Gonzalez-Nunez R，Arellano M，Moscoso F J，et al.Determination of a limiting dispersed phase concentration for coalescence in PA6/HDPE blends under extensional flow［J］.Polymer，2001，42(12):5485 －5489.

［14］梅园，黄亚江，李光宪.不相容聚合物共混物中纤维相形态的形成机理和稳定性的研究进展［J］.高分子通报，2011(6):15－21.

［15］王锐，张大省，朱志国.高组成比组分构成共混纤维分散相的控制［J］.纺织学报，2005，23(2):9 －10.

［16］孙世元，丛森滋，窦海萍.定岛型海岛纤维形态结构控制技术探讨［J］.现代纺织技术，2006，36(5):47 －49.