高强低伸低干热有光缝纫线用涤纶短纤维影响因素研究

2020-08-05 09:59殷曙光
合成技术及应用 2020年2期
关键词:断裂强度收缩率倍率

殷曙光

(中国石化仪征化纤有限责任公司短纤部,江苏仪征 211900)

根据上海某知名高端缝纫线用户的生产工艺,以及其前期大量染色的实验结果,中石化仪征化纤有限责任公司需要为其定制化生产新产品替代其部分进口产品,要求断裂强度6.50 cN/dtex以上,断裂伸长率控制中心值为20%,干热收缩率2.8%以下。

目前生产的1.33 dtex有光缝纫线用涤纶短纤维,对比用户新需求,断裂强度偏低、断裂伸长偏大、干热收缩率偏大,且后纺的各项工艺参数在第二代产品中已经使用至极限,生产新产品需重新整体优化前后纺工艺参数。本文以提高断裂强度、降低断裂伸长率、降低干热收缩率为目的,开展提升有光缝纫线用涤纶短纤维产品性能的研究。

1 试 验

1.1 原料

五釜流程聚酯装置生产的熔体:特性黏度0.645~0.675 dL/g。

1.2 设备

涤纶短纤维连续纺生产线,15 000吨/年,日本东洋纺;纤维强伸度测试仪,XQ-1型,常州市第一纺织有限公司;纤维热收缩仪,XH-1型,上海新纤仪器公司;乌氏黏度测定仪,SYP-265B型,上海平轩科学仪器有限公司。

1.3 生产工艺流程

聚酯熔体经过交接点、增压泵输送增压、熔体过滤器、静态混合器冷却混合后,由计量泵精确计量后输入纺丝箱体,由纺丝组件喷丝孔中流出,通过环吹冷却固化、卷绕上油落桶,集束生头,后处理牵伸、切断、打包。

1.4 分析测试

断裂强度、断裂伸长率:试验用标准大气,温度(20±2)℃,相对湿度(65±5)%,预张力0.075 cN/dtex,夹持距离20 mm,拉伸速度20 mm/min。用纤维强伸度测试仪测试断裂强度、断裂伸长率,检测50根纤维取均值。

干热收缩率:试验用标准大气,温度(20±2)℃,相对湿度(65±5)%,热处理温度180 ℃,时间30 min,热处理后平衡30 min,用纤维热收缩仪测试干热收缩率,检测30根取均值。

特性黏度:使用溶剂25 ℃苯酚-四氯化碳(1∶1质量比),配制PET溶液,浓度为5 g/L,用乌氏黏度计进行特性黏度检测。

1.5 纤维性能与加工工艺的相关性

根据日本东洋纺的经验公式(1)和公式(2)进行分析,要提高成品纤维强度、降低纤维伸长率,后纺主要是提高两段牵伸倍率、以及提高牵伸辊筒定型温度,但在开发第二代缝纫线产品时,因牵伸倍率及定型温度均已经接近后纺极限,且本次用户需要断裂伸长率在20%左右,要求极高,单独后纺优化工艺,已经不能达到要求,所以需要从前纺着手开发方向,故前纺原丝的EYS1.5成为调整和优化的首要目标。

日本东洋纺经验公式:

DT(干强)=6.4+2(DR-3.43)+0.01(TD-190)-0.024(EYS1.5-195)

(1)

DE(干伸度)=25.0-18.7(DR-3.43)-0.03(TD-190)+0.21(EYS1.5-195)

(2)

EYS1.5=K-0.25(TQC-20)-500(IVf-0.60)-0.15(VSP-1300)+1.4(TP-287)-0.7(LNZ-60)+14(VQC-1.1)

(3)

式中:DR为总拉伸倍率;TD为DF3出口处丝束温度;EYS1.5为拉伸应力为屈服应力1.5倍时的伸长率[2];TQC为环吹风温度;IVf为无油丝黏度;Vsp为纺丝速度;Tp为纺丝温度;LNZ为冷却空气吹出距离;Vqc为环吹风速度。

因EYS1.5是原丝拉伸性能的数据表现,由公式(3)可知,排除次要因素,在环吹风速和风温以及纺丝温度不变的情况下,其受到负荷和纺丝速度、丝束冷却空气吹出距离、以及熔体的特性黏度的影响。故工艺优化方向有3个方面:一是负荷和纺丝速度,二是丝束冷却空气吹出距离LNZ,三是熔体的特性黏度。

2 结果与讨论

2.1 负荷和纺丝速度

聚酯黏度、纺丝温度、环吹风温风速、LNZ、牵伸倍率、定型温度等不变的情况下,对负荷和纺丝速度进行调整对比,试验中的原丝EYS1.5、成品断裂强度、断裂伸长率见表1。

表1 不同负荷和纺速下的EYS1.5以及成品纤维强伸度指标

纺丝过程中得到的取向度,对拉伸工序的正常操作和纤维的取向度有很大的影响,对结晶动力学和晶体形态也有一定的影响。有资料[3]指出,负荷不变的情况下,随着纺速的提高,纤维的结晶度和预取向度增大,具备一定的初始模量和较高的断裂强力,经得起一定应力的拉伸。在影响初生纤维预取向的因素中,卷绕速度(即纺丝速度)起着决定性的作用[4]。

根据相对速度公式

V=V0/D0

(4)

式中:V指纺丝相对速度;V0指纺丝速度,m/min;D0指名义负荷,t/d。

由公式4可知,纺丝相对速度与原丝纤度成反比,在产生原丝预取向的过程中,纺丝相对速度起着关键的作用。对成品短纤维而言,断裂强度在于结晶度、取向度,提高原丝的预取向度,在后纺牵伸条件等同的情形下,能够适量提高成品纤维的断裂强度,降低其断裂伸长率。但纺丝速度不能无限度提高,需要考虑卷绕机台的稳定性和承受力;负荷也不能降得太低,因为从生产成本考虑,负荷需要尽量最大化。结合表1强伸度质量指标以及后纺每日原丝吞吐量即后处理能力,选择名义负荷55.9 t/d,此时纺丝速度1 270 m/min,卷绕能长周期稳定运行。EYS1.5略低,不影响牵伸正常生产,且强度较高。

2.2 冷却空气吹出距离LNZ

定好名义负荷55.9 t/d、纺丝速度1 270 m/min,对冷却空气吹出距离LNZ进行调整对比,试验中的原丝EYS1.5、成品断裂强度、断裂伸长率见表2。

表2 不同冷却空气吹出距离下的EYS1.5以及成品纤维强伸度指标

有良好拉伸性能的原丝,必须使固化时丝条的内应力特别低,从而使分子预取向度降低。增加徐冷环,使熔体细流出喷丝板后不是被骤冷,而是缓慢的冷却,也就是使冷却速率降低,延长熔态区,使固化点下移,从而减小了喷头拉伸的张力,使初生纤维的预取向度减小[5]。降低冷却空气吹出距离的调整结果与提高纺丝相对速度一致。虽然一般熔纺初生纤维的预取向度都较低,但它对后拉伸的影响却不应忽视。随着初生纤维预取向度的增大,大分子链沿纤维轴向排列规整性提高,使大分子链和链段的运动以及大分子间滑移变得困难,致使拉伸操作中易于出现毛丝断头,而给拉伸带来困难[1]。EYS1.5在160%以下后,后纺运转极差,不能正常生产。为了提高拉伸倍率,并且拉伸顺利,使成品纤维有较大强度、较小断裂延伸,应适当控制纺丝条件,必须保证原丝的可拉伸性,不要使初生纤维预取向度太高。通过现场生产状况和断裂强度、断裂伸长的质量指标,最终选择冷却空气吹出距离为60 mm。

2.3 熔体的特性黏度

名义负荷55.9 t/d、纺丝速度1 270 m/min,冷却空气吹出距离60 mm,其它工艺不变,在生产能保障正常的前提下,采用最大的牵伸倍率,进行不同熔体的特性黏度和牵伸倍率对比试验,成品断裂强度、断裂伸长率见表3。

表3 不同的黏度和牵伸倍率下的成品纤维质量指标

一般说,随着初生纤维相对分子量的增大,高黏熔体在相对较高的拉伸条件下,保证取向和结晶的前提下,因分子间作用力增大,成品纤维强度提高。当所使用的纺丝熔体黏度过低时,熔体强度过低,成纤性能较差,甚至造成纺丝液流一离开喷丝板便成滴状下落[6]。在0.645 dL/g的特性黏度下,因黏度低造成纺丝浆块增多,影响原丝可拉伸性,造成后纺牵伸倍率低、运转率低。但初生纤维的相对分子量并不是越大越好,事实上,随着相对分子量的增加,分子间的作用力增强,使分子间的相对滑移困难,即难以实现塑性形变。所以,相对分子量如超过一定限度,反而会使纤维的可拉伸性降低[4]。特性黏度为0.645 dL/g时,因原丝浆块过多影响运转,造成第二牵伸机、第三牵伸机缠辊很多,牵伸倍率只能选择3.689 5,无法提高倍率造成强度很低。结合成品纤维质量指标和后纺运转率,最终选择0.653 dL/g的特性黏度。

2.4 干热收缩率

因干热收缩率是纤维经180 ℃干热空气处理前后长度的差数与处理前纤维长度的百分比。涤纶有光缝纫线采用的是高温紧张热定型生产工艺,影响干热收缩率的主要因素是定型的温度、时间,以及回缩倍率。但定型是修补和改善纤维在成形过程中已经形成的结构,而不是重建。温度过高,会引起纤维内未稳定取向大分子的解取向,严重的造成纤维软化、黏连,致使纤维结构的破坏,影响纤维的机械性能[4]。故定型温度直接使用生产线能稳定提供的较高温度190 ℃左右,理论上,在此温度下不会因温度过高而影响纤维强度。又因用户要求干热收缩率需控制在2.8%以下,定型时温度达到高分子的最快结晶温度(PET通常为186 ℃)后,对热收缩影响最大的因素是定型回缩比,其次是定型时间,故对定型时间和回缩倍率进行对比试验,干热收缩率见表4。

表4 不同牵伸速度和回缩倍率下的干热收缩率

张力情况指第三牵伸机和五辊定型机之间丝束张力能否快速建立,生产能快速稳定的情况。张力不能快速建立和稳定,会影响叠丝机张力和卷曲状况,甚至会造成缠辊,需要快速建立和稳定。根据表4可知,方案2、方案5和方案6都能保证干热收缩率和张力情况,其中方案2张力建立最快,方案5后处理能力最强,方案6最能有效保障干热收缩率,但能力过剩。结合生产现场的需要,最终选择方案5。

2.5 成品质量结果

采用名义负荷55.9 t/d、纺丝速度1 270 m/min,冷却空气吹出距离60 mm,熔体特性黏度0.653 dL/g,牵伸倍率3.8,定型温度190 ℃,牵伸速度275 m/min,回缩倍率0.91。成品质量指标见表5。

表5 用户标准与第三代产品的主要成品指标对比

第三代有光缝纫线用涤纶短纤维产品,生产稳定,成品强度高、伸长低、干热收缩率低,能够满足用户需求,用户染色及生产均正常。

3 结 论

a) 一定范围内提高纺丝相对速度,降低冷却空气吹出距离,可以提高成品纤维断裂强度、降低断裂伸长。

b) 适当降低熔体的特性黏度,可以提高原丝拉伸性能,进一步提高倍率后,不但能满足成品质量,还可以优化生产运行。

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