高密度聚乙烯/聚酰胺6复合纤维的制备及性能

李顺希，许志强，詹莹韬，黄 芽

(凯泰特种纤维科技有限公司，浙江 绍兴 312071)

功能性纤维的开发与利用是我国未来纺织品发展的重要趋势之一。凉感纤维作为一类重要的功能性、差别化纤维，在内衣、夹克、衬衣、袜子、休闲服、床上用品、毛巾等领域应用广泛[1]，并越来越受到消费者的喜爱。

获得凉感纤维的方法有多种[2-3]，但其中许多方法都难以达到理想的凉爽舒适感。因此，研究者们开始探索新的方法或机理来制备凉感纤维。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维作为世界三大高性能纤维之一，由于其具有高度取向的伸直链结构，故呈现出其他纤维所不具备的高强高模性能，在国防军事、航空航天、车辆制造、防护用品、体育用品、绳缆、渔网等领域被广泛应用[4-8]。有文献指出，具有高结晶性、高取向性的聚合物在取向方向有高的导热性[9]，UHMWPE纤维就具有这样的大分子链结构，因此该纤维具有优异的导热性能，可将热量迅速疏导出去，产生接触凉感。近年来，部分厂家借助UHMWPE纤维的这一特性将其制成凉感床垫、凉席、运动服、袖套等产品，这些产品一经问世便受到客户的普遍好评。随着该产品的推广与使用，与其原料特性相关的缺陷也逐渐显露，制约了该产品在民用市场的大面积推广。

UHMWPE纤维在民用领域应用的主要缺陷有纤维原料价格偏高、面料手感硬挺不舒适、难以染色、与其他材料的粘合性能较差等[10-12]。而高密度聚乙烯(HDPE)具有与UHMWPE一样的线性结构，采用HDPE为原料制备的纤维亦可提供接触凉感。作者设计以HDPE为皮，以聚酰胺6(PA 6)为芯，通过皮芯复合纺丝制备HDPE/PA 6复合纤维；皮层HDPE可保持聚乙烯特有的高导热系数，产生接触凉感，使得织物手感滑爽，且具有抑菌防霉功能；芯层PA 6可提高纤维及织物的柔软性，贴肤性更好，并可改善纤维的染色性能等其他性能，从而使HDPE纤维更适合应用于服装和家纺产品。该设计思路与方法在国内外文献中尚未见报道，制备的HDPE/PA 6复合纤维保持了UHMWPE纤维的凉感特性。

1 实验

1.1 主要原料与设备

HDPE切片：中国石化扬子石油化工有限公司产；PA 6切片：湖南金帛化纤有限公司产。

一部位纺丝设备：北京中丽制机工程技术有限公司制；专用纺丝组件：自制；YG086缕纱测长机：常州第二纺机厂制；YG(B)021HL化纤长丝电子强力机：温州大荣纺织仪器有限公司制；RL-Z1B1熔体流速仪：上海思尔达科学仪器有限公司制；X- 4数显显微熔点测定仪：巩义市予华仪器有限责任公司制；Y172型纤维切片器：温州市大荣纺织仪器有限公司制；Datacolor 600型测色配色仪：美国Datacolor公司制。

1.2 HDPE/PA 6复合纤维及其色丝的制备

首先，将HDPE切片、PA 6切片及色母粒进行干燥，然后在一部位纺丝设备上进行纺丝。将HDPE切片、PA 6切片及色母粒按一定质量比由螺杆挤出机熔融挤出，再进入复合纺丝组件纺丝、一步法拉伸定型得到HDPE/PA 6复合纤维及其色丝。主要工艺条件见表1、工艺流程见图1。

表1 HDPE/PA 6复合纤维及其色丝的主要工艺参数Tab.1 Main process parameters of HDPE/PA 6 composite fiber and its color yarn

图1 HDPE/PA 6复合纤维及其色丝制备工艺流程
Fig.1 Flow chart of HDPE/PA 6 composite fiber and color yarn production

1.3 分析与测试

熔点：采用X- 4数显显微熔点测定仪测定HDPE切片、PA 6切片的熔点。

熔体流动指数(MFI)：采用RL-Z1B1熔体流速仪测试。测试条件：(1)HDPE切片，温度235，255，260，265 ℃，保温时间1 min，负荷2 160 g，测量行程25.4 mm；(2)PA 6切片，温度235，255，260，265 ℃，保温时间5 min，负荷2 160 g，测量行程25.4 mm。测试3次，计算平均值。

纤维截面形貌：采用Y172型纤维切片器对纤维进行制样，并在生物光学显微镜下观察，获得纤维横截面照片。

纤维力学性能：按照GB/T 14343—2008和GB/T 14344—2008分别测定纤维的线密度与断裂强度等。

面料的接触凉感系数：将HDPE/PA 6复合纤维制成面料，按照GB/T 35263—2017检测面料的接触凉感系数。

纤维表观染色深度(K/S)：使用Datacolor 600型测色配色仪测定，采用D65光源和10°观察角，在不同的部位测量4次，取平均值。

2 结果与讨论

2.1 原料干燥条件

由于HDPE切片的吸水率低，未经干燥处理也可进行纺丝，但为了达到更好的纺丝效果，将HDPE切片投入大料仓内，以常温干空气对其保干，经检测，HDPE切片含水率为20 μg/g，可以更好地满足使用要求。

由于PA 6大分子链中酰胺键的存在，易与水分子通过氢键而结合，PA 6的回潮率较大，因此需对PA 6切片进行干燥。干燥温度较低会降低干燥效果；但高温下，PA 6切片将发生氧化，切片变黄，这样的切片用于复合纺丝，一方面增加了飘丝、断头，另一方面会改变熔体在组件内的压力分布，改变两种原料间的熔体黏度匹配关系，最终影响纤维的截面形状及综合性能。选择以除湿压缩干空气为干燥介质，设定干燥温度85～90 ℃，干燥时间12 h以上，PA 6切片含水率小于80 μg/g，达到复合纺丝的要求。

2.2 组分配比

在制备HDPE/PA 6复合纤维时，HDPE及PA 6熔体分别流经各自独立的熔体管道，在纺丝组件处复合在一起，最终通过喷丝板喷出成形。在复合纺丝中，两组分的复合配比影响到两组分能否实现良好的复合，能否形成良好的纤维截面，从而直接影响纤维质量的均一性与稳定性。

由表2可知：在其他工艺条件相同的情况下，HDPE与PA 6切片的质量比为40:60时，可纺性良好；当HDPE组分的含量较低时，皮层的均匀性与稳定性差，纤维的可纺性差；而HDPE组分质量分数达到60%时，则芯层的PA 6含量少，纤维的强度下降，可纺性也较差；另外，复合配比不适宜，纤维丝束中出现细丝的概率增大，这种细丝表现为纤维的截面没有皮层。由图2可知，HDPE与PA 6切片的质量比为40:60时，HDPE/PA 6复合纤维的初生纤维横截面很清晰，HDPE组分包覆于纤维外部形成皮层，PA 6组分位于纤维的芯部。因此，在后面的实验中均选择HDPE与PA 6切片的质量比为40:60。

表2 不同组分配比时HDPE/PA 6复合纤维的可纺性Tab.2 Spinnability of HDPE/PA 6 composite fiber at different mass ratios

图2 HDPE/PA 6复合纤维的横截面照片Fig.2 Cross section photos of HDPE/PA 6 composite fiberHDPE与PA 6切片的质量比为40:60。

2.3 纺丝与拉伸工艺

在复合纺丝中，纺丝温度的设定将显著影响两种组分的流变性能，进而影响其在纤维中的分布。设定纺丝温度不仅要考虑温度高低对单一组分的影响，同时要考虑设定的温度是否能使两组分的流变性能相互匹配。

在HDPE/PA 6复合纤维的制备过程中，经检测，HDPE切片的熔点为120～135 ℃，PA 6切片的熔点为209～220 ℃，两种原料的MFI测试结果见表3。

表3 不同温度下HDPE及PA 6切片的MFITab.3 MFI of HDPE and PA 6 chip at different temperatures

由表3可知，HDPE及PA 6切片的MFI存在一定的差异，在255 ℃时二者的MFI较接近，因此实验选择纺丝箱体温度为255 ℃。若纺丝箱体温度设定不适宜时，两种熔体在喷丝孔中流动状态不一，容易出现粘板、掉料等现象，从而无法正常纺丝。

实验发现，在其他工艺条件相同的情况下，HDPE组分的螺杆挤出温度的可调节范围较大，在160～200 ℃可调；而PA 6组分的螺杆挤出温度对HDPE/PA 6复合纤维可纺性的影响很敏感。从表4可知：当PA 6组分的螺杆挤出温度为260 ℃时，可纺性较好；当PA 6组分的螺杆挤出温度为255 ℃时，该温度对PA 6而言偏低，PA 6熔体黏度增加，流动性下降，熔体熔融的充分程度与均匀性下降，在与HDPE复合时发生阻塞、掉料现象；当PA 6组分的螺杆挤出温度为265 ℃，该温度对HDPE而言偏高，复合时HDPE中的非晶区发生热氧化作用的可能性增加，使两者熔体黏度不匹配，也会发生喷丝板掉料现象，可纺性下降。另外，由于HDPE与PA 6切片性能的差异，在探索出的较好工艺条件下，在纺丝过程中，喷丝孔周围仍容易出现黑色物质，进而导致部分熔体在黑色物质上的粘附，引起飘丝、掉料，组件周期仅8～12 h。为解决这一问题，在HDPE组分中添加质量分数1%～2%的专用改性母粒，起到抗滴落的作用，改善聚合物的加工性能，使组件周期延长至7～15 d，从而获得更好的纺丝效果。

表4 PA 6组分螺杆挤出温度对可纺性的影响Tab.4 Effect of PA 6 extrusion temperature on spinnability

注：HDPE组分的螺杆挤出温度为170 ℃，纺丝箱体温度为255 ℃。

在获得更好的纺丝效果的基础上，探讨了拉伸倍数对HDPE/PA 6复合纤维力学性能的影响。由表5可知，HDPE/PA 6复合纤维的断裂强度随拉伸倍数的增大而增大，断裂伸长率随之减小。由于下游用户要求产品的断裂伸长率在40%～50%，因此，最终确定拉伸倍数为2.6～2.8，同时，将预网络压力设定在0.10～0.12 MPa，主网络压力设定在0.20～0.25 MPa，纺丝速度设定在2 500～3 200 m/min，获得质量优良的HDPE/PA 6复合纤维产品，从而满足后道加工对复合纤维力学性能的要求。

表5 拉伸倍数对HDPE/PA 6复合纤维力学性能的影响Tab.5 Effect of draw ratio on mechanical properties of HDPE/PA 6 composite fiber

2.4 HDPE/PA 6复合纤维面料的凉感性能

将制备的HDPE/PA 6复合纤维与市售UHMWPE纤维分别织成面料，并按GB/T 35263—2017测试2种面料的接触凉感系数。按照GB/T 35263—2017规定：面料接触凉感系数大于等于0.15 J/(cm2·s)，可评价为面料具有良好的接触瞬间凉感性能。从表6可以看出，UHMWPE纤维面料的接触凉感系数为0.26 J/(cm2·s)，HDPE/PA 6复合纤维面料的接触凉感系数达0.23 J/(cm2·s)，表明HDPE/PA 6复合纤维面料具有较好的接触瞬间凉感性能。

表6 HDPE/PA 6复合纤维及UHMWPE纤维面料的接触凉感系数Tab.6 Cool feeling coefficient of fabrics of HDPE/PA 6 composite fiber and UHMWPE fiber

2.5 HDPE/PA 6复合色丝的染色性能

根据下游客户的实际需求，在本色HDPE/PA 6复合纤维制备工艺的基础上，在皮层添加质量分数为1.0%～3.0%的聚乙烯色母粒，适当调整纺丝工艺参数，制备了蓝色、灰色、棕色等HDPE/PA 6复合色丝产品。其中，在360～450 nm下测得浅棕色、棕色复合色丝的K/S值如表7所示，浅棕色复合色丝的K/S值为1.826，棕色复合色丝的K/S值为5.437，这表明HDPE/PA 6复合色丝具有较好的染色性能，满足后加工的应用要求。

表7 HDPE/PA 6复合色丝的K/S值Tab.7 K/S value of HDPE/PA 6 composite color yarn

3 结论

a.在制备HDPE/PA 6复合纤维时，HDPE与PA 6切片的质量比为40:60时，可纺性良好，HDPE/PA 6复合纤维的初生纤维横截面很清晰。

b.PA 6组分的螺杆挤出温度可显著影响HDPE/PA 6复合纤维的可纺性。当PA 6组分的螺杆挤出温度为260 ℃时，可纺性较好；在HDPE组分中添加质量分数1%～2%的专用改性母粒，可获得更好的纺丝效果。

c.在较佳纺丝条件下，拉伸倍数为2.6～2.8时，制备的HDPE/PA 6复合纤维断裂强度达3.57～3.82 cN/dtex，且复合纤维面料的接触凉感系数达0.23 J/(cm2·s)，复合纤维面料具有较好的接触瞬间凉感性能。

d.制备的棕色HDPE/PA 6复合色丝的K/S值达5.437，复合色丝具有较好的染色性能，满足后加工的应用要求。