C型截面中空涤纶长丝的碱减量加工工艺研究*

44

1. 上海新纺联汽车内饰有限公司，上海 201805；2. 东华大学纺织学院，上海 201620；3. 上海题桥纺织染纱有限公司，上海 201114；4. 东华大学产业用纺织品教育部工程研究中心，上海 201620

随着科学技术的发展和人民生活水平的提高，人们对纺织品的舒适性和功能性要求也逐步提高。中空涤纶长丝因具有保暖、质轻、蓬松等特性，越来越受到研究者的关注和消费者的喜爱[1]。

中空涤纶长丝是一种异形聚酯纤维，其特征为横截面沿轴向具有空腔结构。该空腔结构因具有储存静止空气的功能而使纤维的保暖性得到提高[2-3]，同时，纤维比表面积的增加使得纤维材料的蓬松性得以改善。中空涤纶长丝对外部介质具有良好的吸附能力，在用于加工复合材料时，涤纶长丝与复合基体材料之间的结合力可有很大的提高。中空涤纶长丝的异形截面形态包括圆形、三角形、四边形、梅花形等[4]。日本东丽公司采用碱液溶解的方法制备中空涤纶长丝，即利用耐碱程度不同的两种聚合物材料纺为芯鞘结构的长丝，然后采用一定浓度的碱液进行溶解处理，将长丝的芯部去掉从而得到具有空腔结构的长丝[5-6]，开发出一种新型的C型截面中空涤纶长丝[7]，其中空度高达50%，该产品目前已成功应用并产生了良好的经济效益。

正交试验设计是根据正交性从全面试验中选择有代表性的点来进行试验，是一种研究多因素和多水平的试验设计方法，其可显著提高试验效率，在新品种研发和新工艺研究方面具有显著优势[8]。

本文对中空涤纶长丝的考核指标进行细化，通过单因子试验初步摸索加工工艺，然后结合正交试验获得最佳加工工艺方案，制备出具有较好C型截面结构的中空涤纶长丝，从而使涤纶长丝向特种涤纶和异形涤纶发展。该研究对企业功能性新产品的开发及提升产品竞争力有着显著的意义。

1 试验部分

1.1 试验材料

涤纶原丝(日本东丽公司，90T36-CB2AA N738)，氢氧化钠(国药集团化学试剂有限公司，分析纯)。

1.2 试验仪器

SHGD0103A-2型精密络筒机(上海天佑纺织机械有限公司)，Dos & Dye Jetflow型小样化验室调色滴液机(意大利Tecnoorama公司)，XQB45-188SA型全自动洗衣机(TCL集团股份有限公司)，101-OEBS型电热鼓风干燥箱(北京市永光明医疗厂)，JJ623BC型精密电子天平(美国双杰公司)，52-01000型数码显微镜(德国BRESSER公司)，YG086C型缕纱测长机，YG061f型电子单纱强力仪。

1.3 试验原理及流程

碱减量技术是指利用碱溶液对涤纶进行水解处理，即在氢氧化钠水溶液中，涤纶纤维分子链中的酯键水解断裂，形成具有不同聚合度的水解产物，最终水解为乙二醇和对苯二甲酸钠并溶于水中。基于碱减量技术，选择由耐碱程度不同的两种聚合物构成的具有芯鞘型结构的涤纶长丝原丝，然后采用适当浓度的碱溶液将原丝芯部的聚酯水解掉，从而获得C型截面中空涤纶长丝。

试验流程可归纳为：络丝→烘干→称重、记录→碱减量处理→洗涤、甩干→烘干→称重、记录→测试、表征。试验过程中浴比为1 ∶10。

1.4 测试与表征

涤纶长丝减重率：在标准试验环境下[相对湿度为(65±2)%、温度为(20±2)℃]，将碱减量加工后的中空涤纶长丝和涤纶原丝置于烘箱中烘干。根据纺织品回潮率中对称重质量的定义，当前后两次烘干称重质量之差与后一次称重质量的比值小于0.05%时，即认定后一次称重质量为烘干质量，并计算减重率(Rm)[9]：

Rm=(m0-m1)/m1×100%

(1)

式中：m0——涤纶原丝质量，g；

m1——碱减量加工后中空涤纶长丝质量，g。

涤纶长丝表观形貌表征：(1)中空涤纶长丝纵向结构，分别将经不同浓度碱液处理后的中空涤纶长丝和绦纶原丝平铺在载玻片上，并置于显微镜样品观察台上，选择合适的放大倍数(约40～1 600倍)，通过计算机显示屏观察并对中空涤纶长丝纵向结构进行拍摄；(2)中空涤纶长丝横向结构，由日本东丽公司对中空涤纶长丝的C型截面进行观察并采用显微镜对其形貌进行拍照。

涤纶长丝线密度测试：参照GB/T 4743—2009，在标准试验环境下进行测试，摇纱张力为(0.500±0.100) cN/tex，绞纱长度为200 m，共测试20次。

涤纶长丝拉伸性能测试：参照GB/T 14344—2008，在标准试验环境下进行拉伸测试，预加张力为(0.500±0.050)cN/tex，拉伸速度为500 mm/min，夹持隔距为500 mm，共测试20次。

涤纶长丝耐摩性能测试：采用笔者团队自主研发的纱线摩擦模拟分析仪(图1)在标准试验环境下对涤纶长丝的耐摩性能进行测试[10]，预加张力为0.49 N，圆盘转速为120 r/min，测试次数不少于10。

1—电机连接杆； 2—摩擦部分(测试时往复运动)； 3，4，5—滑轮； 6—固定螺母； F—弹簧(用来给纱线施加一定的预加张力)图1 笔者团队自主研制的纱线摩擦模拟分析仪结构示意

为了得到性能优异且涤纶强力损失在可控范围内的C型截面中空涤纶长丝，结合前人研究[5-7]，将C型截面中空涤纶长丝的碱减量加工指标确定为：(1)减重率约为40.00%；(2)涤纶长丝纵向在显微镜下观察没有明显损伤；(3)涤纶长丝横向在显微镜下观察应有明显的C型截面；(4)涤纶长丝的强力损失率不能超过45.00%；(5)涤纶长丝的耐磨次数应大于150。其中减重率是碱减量加工考核最重要的指标。

2 结果与讨论

鉴于本文将减重率作为碱减量加工考核最重要的指标，因此以40.00%减重率为衡量指标，分别进行碱液质量浓度、处理浴温度和保温时间的单因子试验和正交试验。

2.1 单因子试验

2.1.1 碱液质量浓度的选择

根据减重率的理论计算公式[11]，在处理浴温度为130 ℃、保温时间为30 min保持不变的情况下，碱液质量浓度与减重率的关系曲线如图2所示。由图2可以看出：碱液质量浓度与减重率呈正相关，且具有较好的线性关系；当碱液质量浓度达到15.0 g/L以上时，减重率超过40.00%。

图2 碱液质量浓度与减重率的关系曲线

2.1.2 处理浴温度的选择

在碱液质量浓度为16.0 g/L、保温时间为30 min并保持不变的情况下，处理浴温度与减重率的关系曲线如图3所示。由图3可以得出：经碱液处理后的涤纶长丝的减重率与处理浴温度呈正相关；当处理浴温度为100 ℃时，减重率超过40.00%，而当处理浴温度超过100 ℃后，其对涤纶长丝减重率的影响变小。

图3 处理浴温度与减重率的关系曲线

2.1.3 保温时间的选择

在碱液质量浓度为16.0 g/L、处理浴温度为90 ℃并保持不变的情况下，保温时间与减重率的关系曲线如图4所示。由图4可以看出：经碱液处理后的涤纶长丝减重率和保温时间呈正相关；在保温时间为30 min之前，减重率的增速较快，而当保温时间超过30 min后，减重率的增速明显放缓。

图4 保温时间与减重率的关系曲线

2.2 正交试验

通过2.1节的单因子试验获得了符合设计要求的初始工艺参数。为获得最佳的工艺参数，进行正交试验。本论文利用三因素四水平的正交试验方案，如表1所示。

表1 三因素四水平的正交试验方案

2.2.1 正交试验结果和分析

图5所示为正交试验效应曲线，横坐标为3个试验因素及其所对应的4个水平，纵坐标为每个水平下得到的涤纶长丝减重率。从图5可以看出：碱液质量浓度、处理浴温度与保温时间均和涤纶长丝减重率呈正相关，且这种相关程度依次减弱。3个试验因素对应的数值分别为15.5 g/L、 100 ℃和25 min，即最佳工艺方案为碱液质量浓度15.5 g/L、处理浴温度100 ℃和保温时间25 min，且所获得的C型截面中空涤纶长丝的减重率为40.07%。

图5 正交试验效应曲线

2.2.2 最佳工艺方案的验证

根据最佳工艺方案进行试验验证，并对试验结果进行归纳与分析。

(1) 减重率。对最佳工艺方案进行验证试验，涤纶原丝加工前质量为50.392 g，碱减量处理后质量为30.181 g，减重率为40.07%，最佳工艺方案下C型截面中空涤纶长丝的减重率非常接近40.00%的理论值。

(2) 显微镜观察。图6和图7所示分别为显微镜观察到的最佳方案下C型截面中空涤纶长丝的纵向和横向形貌。

图6 C型截面中空涤纶长丝纵向形貌

图7 C型截面中空涤纶长丝横向形貌

从图6和图7可以看出：在显微镜下能很好地观察到C型截面中空涤纶长丝的中空结构，即C型截面中空涤纶长丝的中间部分相对明亮而两侧稍暗，且表面光滑；减重率为40.07%的中空涤纶长丝具有较好的C型截面。

(3) 线密度、拉伸性能和耐磨性能。表2为最佳工艺方案下中空涤纶长丝和涤纶原丝的线密度、拉伸性能与耐磨性能测试结果。

表2 涤纶长丝结构与性能测试结果

由表2可以看出：由最佳工艺方案得到的C型截面中空涤纶长丝，在减重率为40.07%时，其断裂强力损失率为42.10%(小于45.00%)，磨擦次数为190(大于150)，拉伸性能和耐磨性能符合设计要求。

3 结语

为制备出具有较好C型截面结构的中空涤纶长丝并获得最佳加工工艺，分别进行单因子试验和正交试验，对制得的C型截面中空涤纶长丝的结构与性能进行测试表征，得出以下结论：

(1) 碱液质量浓度、处理浴温度与保温时间均和C型截面中空涤纶长丝减重率呈正相关，并且相关程度由强至弱依次为碱液质量浓度、处理浴温度和保温时间。

(2) C型截面中空涤纶长丝的最佳碱减量加工工艺为碱液质量浓度15.5 g/L、处理浴温度100 ℃、保温时间25 min。

(3) 本试验制备的C型截面中空涤纶长丝的拉伸性能和耐摩性能均合格，满足设计要求。