222 dtex/150f超高分子量聚乙烯纤维后牵伸工艺研究

何 健，张长成，阮 洋，胡 婷

(中国石化仪征化纤有限责任公司，江苏仪征 211900)

超高分子量聚乙烯纤维是一种特种纤维，具有高模量、高强度、自润滑等特点，广泛应用于防弹、防切割、缆绳、服装、面料、渔线等领域[1]。目前，超高分子量聚乙烯纤维有湿法纺丝和干法纺丝两种生产方式，其中湿法纺丝在全国产能丰富，而干法纺丝在全国目前仅中国石化仪征化纤公司一家[2]。干法纺丝主要工艺过程包括物料溶胀溶解、螺杆挤出、熔体输送、计量喷丝、高效除溶剂、预牵伸、后牵伸等[3]。

滕文良[4]通过对16种超高分子量聚乙烯纤维制作的钓线进行了断裂强度和耐磨性能的研究，结果表明钓线的断裂强度及耐磨性与其直径、线密度的大小密切相关。徐晨光[5]用超高分子量聚乙烯纤维编织成防割手套，再对防割手套的耐摩擦性、抗撕裂性和抗穿刺性进行综合的测试及性能分析，结果表明该手套可满足耐磨性等级为3级、抗撕裂性等级为3级和抗穿刺性等级为2级，性能优良。而针对作为钓线、防割手套原材料的222 dtex/150f超高分子量聚乙烯纤维(简称222 dtex/150f纤维)的均匀性、可加工性能、力学性能的研究均较少，本文以222 dtex/150f纤维的干法纺丝后牵伸工艺为切入点，围绕牵伸方法的选择、热浴温度设定、牵伸倍率分配进行探讨，以改进纤维性能。

1 试 验

1.1 原料

超高分子量聚乙烯粉体，黏均分子量320万，上海联乐化工科技公司；抗氧化剂，b225，南京嘉雅精细化工有限公司；222 dtex/150f纤维原丝，中国石化仪征化纤公司，原丝性能见表1。

表1 原丝性能表

1.2 仪器设备

长丝条干均匀度测试仪，YG139C-J型，苏州长风纺织机电科技有限公司；差示扫描量热仪，DSC1型，瑞士梅特勒托利多公司；电子显微镜，STEREOSCAN 440型，英国剑桥莱卡有限公司；缕纱测长仪，YG086D型，常州第二纺织机械有限公司；电子拉力试验机，DXLL-1000型，上海德杰仪器设备有限公司。

1.3 试验过程

1.3.1 原丝制备

聚乙烯粉体→溶胀浆料→螺杆挤出→熔体输送→计量喷丝→高效除溶剂→预牵伸→平衡定型→222 dtex/150f纤维原丝

1.3.2 后牵伸纤维制备

一道牵伸法：原丝布丝→牵伸机1→热浴1→牵伸机2→卷绕→纤维

二道牵伸法：原丝布丝→牵伸机1→热浴1→牵伸机2→热浴2→牵伸机3→卷绕→纤维

三道牵伸法：原丝布丝→牵伸机1→热浴1→牵伸机2→热浴2→牵伸机3→热浴3→牵伸机4→卷绕→纤维

1.3.3 原始工艺条件

蒸汽热浴温度：146～148 ℃；卷绕速度：8.5 m/min。

1.4 分析测试方法

1.4.1 分子量测试

采用乌氏黏度计法，GB/T 1632—1993。测试条件：恒温水浴，水浴温度为(25±0.05)℃。

1.4.2 线密度测试

采用化学纤维 长丝线密度试验方法，GB/T 14343—2008。测试条件：恒温恒湿，温度为(20±2)℃，湿度为(65±5)%。

1.4.3 力学性能测试

采用高强化纤长丝牵伸性能试验方法，GB/T 19975—2005。测试条件：牵伸气压≥0.6 MPa，牵伸速度为250 mm/mim，标准长为500 mm，每个样品测5次取平均值。

1.4.4 熔融温度测试

采用差示扫描量热法，GB/T 22232—2008。测试条件：升温范围25～200 ℃，升温速率10 ℃/min；降温范围200～60 ℃，降温速率10 ℃/min。

1.4.5 条干测试

采用化学纤维 长丝条干不匀率试验方法(电容法)，GB/T 14346—2015。测试条件：测试温度(20±3)℃，湿度(65±5)%，速度200 m/min，时间2.5 min。

1.4.6 截面测试

采用化学纤维异形度试验方法，FZ/T 50002—2013。测试条件：室温，放大倍率2 000倍。

2 结果与讨论

2.1 牵伸方式对纤维均匀性的影响

后牵伸的牵伸方式有一道牵伸法、二道牵伸法、三道牵伸法三种，将222 dtex/150f纤维原丝1#分别用上述三种牵伸方式牵伸得2#、3#、4#纤维，工艺参数见表2，其中DR1为一道牵伸倍率，DR2为二道牵伸倍率，DR3为三道牵伸倍率。

表2 试产工艺参数

2.1.1 纤维条干不匀率的分析

条干均匀度是指沿纤维轴向较短片段内粗细或重量的均匀程度，是纤维沿长度方向均匀性研究的重要表征工具，可用条干不匀率进行评价。取2#、3#、4#纤维进行条干不匀率测试，结果见图1。

图1 纤维条干不匀率图

从图1可以看出2#、3#、4#纤维条干不匀率逐渐减小，4#纤维条干不匀率最小。以上结果表明，牵伸方式对纤维的条干不匀率影响较显著，导致2#、3#、4#条干不匀率差异的原因是在不同受热过程及牵伸次数条件下，分子链中晶区、非晶区沿轴向移动速度不同[6]。在一道牵伸法中，原丝需要在一次受热过程中一次完成牵伸过程，该过程中，非晶区分子链基本可以进行牵伸运动，而晶区分子链由于受热不充分只有少量可以进行运动，在牵伸过程中晶区、非晶区沿轴向移动速度差较大，造成条干不匀率较大；在二道牵伸法中，原丝可在两次受热过程中分两次完成牵伸过程，晶区受热增强使其运动能力加强，晶区、非晶区沿轴向移动速度差减小，条干不匀率减小；在三道牵伸法中，原丝可在三次受热过程中分三次完成牵伸过程，晶区受热进一步增强，晶区、非晶区沿轴向移动速度差进一步减小，条干不匀率最小[6]。

2.1.2 纤维截面的分析

截面即纤维微观形貌，是纤维沿径向均匀性研究的重要表征工具，鉴于此，通过电镜观察原丝1#及3个样品的截面(图2)，发现与原丝1#相比，2#截面规整度变差，3#截面规整度较2#有所改善，4#截面规整度较3#进一步改善。以上结果表明，牵伸方式对纤维的截面有一定影响，主要原因与纤维条干不匀率分析类似，三道牵伸法由于受热充分，分子链中晶区、非晶区协同运动能力强，分子链在径向发生形变的速率接近[6]，截面饱满，规整度高。

图2 纤维截面对比图

综上，相比一、二道牵伸法，三道牵伸法所得纤维条干不匀率较低，且截面规整度较高，说明无论沿径向还是轴向，三道牵伸法都能改善纤维的内在均匀性，是222 dtex/150f纤维较合适的后牵伸方式。

2.2 热浴温度对纤维可加工性能的影响

为确定热浴温度的研究范围，取222 dtex/150f纤维原丝做差热分析，差热数据见图3，熔融峰出现在136 ℃左右，因此将此温度作为研究起点；因为在正常加工过程中热浴温度设定一般不超过150 ℃，所以选择150 ℃作为研究终点。

用三道牵伸法进行试产，取万米接头数作为评价指标，每隔2 ℃设计一组运行试验，各组运行效果如表3所示。由试验1#可以看出，当热浴温度低于138 ℃时，原丝受热不充分，无法完成牵伸；当热浴温度高于148 ℃时，原丝发生熔断无法进行牵伸；牵伸过程可以发生在138～148 ℃之间，在此区间内，万米接头数随温度的升高呈现先减少后增多的趋势，表明热浴温度对可加工性能影响显著，同时由表3可知，142～144 ℃是222 dtex/150f纤维后牵伸最佳的热浴温度区间，此时万米接头数只有0.08，与图3中142 ℃左右完成熔融过程的测试值相符。

图3 222 dtex/150f纤维原丝差热分析图

表3 不同热浴温度运行效果对比表

2.3 牵伸倍率分配对纤维力学性能的影响

用三道牵伸法进行试产，设定热浴温度为 142～144 ℃，在总牵伸倍率相近的前提下，考察不同倍率分配下纤维的力学性能，取断裂强度、初始模量作为评价指标，各组样品力学性能如表4所示。

表4 不同倍率分配下产品物理性能对比表

从表4可以看出，DR1从3.28提高至3.43的过程中，纤维断裂强度与初始模量均呈现先上升后下降的趋势，当DR1为3.38时，纤维的力学性能最好，这表明牵伸过程中倍率分配对力学指标有一定影响，且存在最佳的牵伸倍率分配。这是因为在后牵伸过程中，分子链松驰的原丝进入DR1牵伸时，非晶部分逐渐被拉长，部分与片晶相连、缠结较少的缚结分子也逐步被拉直张紧，在牵伸温度与牵伸应力的双重作用下，原本与部分张紧缚结分子相连的折叠链片晶开始发生解折叠，并与相邻的张紧缚结分子共同形成新的伸直链晶[7]，在DR1逐步提高至3.38的过程中，DR1段缚结分子牵引折叠链片晶解折叠程度逐步加大，在DR2段的牵伸辅助下，解折叠程度继续加强，有新的伸直链晶形成，伸直链比例增加，表现为纤维的力学性能逐步增强。而当DR1继续提高时，DR1段解折叠程度持续加强，部分缚结分子由于张紧过度，存在脱离折叠链片晶的可能，即使有DR2段的牵伸辅助，脱离部位也不能形成新的伸直链，造成纤维力学性能下降[7]。因此，为保证222 dtex/150f纤维具有更好的力学性能，三道牵伸法的合理倍率分配应为DR1、DR2的牵伸倍率分别为3.38、1.37，DR3固定在1.05。

3 结 论

为改进222 dtex/150f纤维均匀性、可加工性能和力学性能，后牵伸生产工艺可以进行以下优化：

a) 相比一、二道牵伸法，采用三道牵伸法制备的纤维条干不匀率低且截面更加规整，纤维整体均匀性较好。

b) 用三道牵伸法进行试加工，当热浴温度在142～144 ℃范围内时万米接头数只有0.08，可加工性能较好，当热浴温度在低于138 ℃或高于148 ℃时无法进行牵伸。

c) 三道牵伸法的倍率分配中DR1、DR2设定为3.38、1.37(DR3固定为1.05)时，纤维的力学性能较好。