基于针梳缠绕问题的染深色涤纶纤维性能研究

王 卫，余 彩，李 龙

(1.西安工程大学 科技处，陕西 西安 710048； 2.西安工程大学 纺织科学与工程学院，陕西 西安 710048)

缠绕是纺纱过程中经常遇到的现象，纤维缠绕罗拉、皮辊严重影响纺纱质量、产量与成本。文献报道了棉纤维纺纱过程中的缠绕问题，其根本原因包括车间温湿度、罗拉毛刺与污染、棉纤维含糖高[1]，纤维静电大、棉纤维表面的蜡质层软化变熔[2]，纤维与罗拉、胶辊之间的摩擦因数大[3]，原棉含糖与含杂高、棉纤维含水率低、棉纤维须条回潮率过高或过低[4]。涤纶纤维在纺织工业中用量大，在毛纺面料加工中需要大量的深色涤纶纤维。由于原液着色的涤纶短纤维颜色种类有限，毛纺企业主要对本白色涤纶纤维条进行染色加工形成有色涤纶纤维条。针梳是毛精纺纺纱过程中必不可少且使用道数最多的工序，对纺纱质量和效率起着重要作用。在生产过程中发现，本色涤纶条在针梳过程中很少发生缠绕罗拉、皮辊现象，而染深色涤纶条易发黏，频发缠绕罗拉、皮辊现象。通常企业采用在罗拉/皮辊上擦滑石粉、稀酸溶液清洗皮辊、或降低车速的办法来缓解缠绕，但这些措施影响纺纱的质量、产量，稀酸溶液清洗会硬化胶辊的橡胶，减弱钳口的握持力，降低皮辊的使用寿命。针对染深色涤纶条针梳中频发的缠绕现象，首先分析染色使涤纶纤维哪些性能发生了明显变化(除外观颜色之外)。由于染料分子很难进入涤纶纤维内部，涤纶纤维染色需要采用高温高压方法。在高温高压染色时，涤纶纤维中低聚物从内部扩散到纤维表面，并在表面析出[5]。长时间的高温高压染色，低聚物不断迁移到纤维表面与染液中。并且，染色完成降温时，大量低聚物发生凝聚，其中还会夹杂染料形成凝聚物，这些凝聚物黏到纤维上并难以去除，影响织物的光泽[6]。低聚物是处于涤纶纤维内部的一种与涤纶纤维相同化学结构的低分子物，是涤纶纤维制造过程中的副产物。一般涤纶中低聚物含量为1%～3%[7], 当温度超过120 ℃时，低聚物能溶解在染浴中，并从溶液中结晶析出[8]。为降低染色涤纶低聚物产生的不良影响，文献报道了采用载体染色[9]、高温排液[10]、碱性染色[11]以及使用新型染色助剂[12]与低聚物去除剂[13]等方法控制从涤纶纤维中析出的低聚物，但低聚物去除效果不理想[13]。为缓解或解决染深色涤纶纤维的缠绕问题，很多企业在工艺、车间温湿度等方面做了大量探索工作，但是缠绕现象没有根本性解决。为此，本文比较本白色涤纶与染深色涤纶纤维的质量比电阻、摩擦因数、低聚物特性的差异性，为寻求染深色涤纶纤维缠绕罗拉、皮辊的原因提供参考。

1 实验部分

1.1 实验原料

本白色涤纶纤维，纤维细度0.22 tex，长度76 mm。

藏青色涤纶纤维通过原样涤纶纤维染色获得，其染色工艺为：使用分散染料对球状涤纶条染色，添加低聚物去除剂(助剂)，浴比1∶15，pH值4.5，升温速率1 ℃/min，染色温度133 ℃，保温染色60 min，废液采取高温排液的方式进行处理。染色后的涤纶条经过复洗工序，去除浮色。实验所用原料由江苏丹毛纺织股份有限公司提供。

1.2 性能测试

1.2.1 纤维质量比电阻

利用YG321型纤维比电阻仪(南通宏大实验仪器有限公司)测定纤维电阻[14]，15 g试样压入测试盒进行测试，每个样品称取3份。纤维质量比电阻ρm计算见式(1)：

(1)

式中：ρm为纤维质量比电阻，(Ω·g)/cm2；R为纤维电阻值，Ω；m为纤维质量，取15 g；L为两极板之间距离，20 mm。

1.2.2 纤维摩擦性能

利用Y151 型纤维摩擦系数仪(常州第二纺织机械有限公司)测试纤维与橡胶辊之间的摩擦力。每份试样各测30 根纤维，计算其平均值。纤维摩擦因数μ计算见式(2)：

μ=0.737×[lgf0-lg(f0-w)]

(2)

式中：μ为摩擦因数；f0为预加张力，180 mg；w为扭力天平读数，mg，表示摩擦力大小。

1.2.3 涤纶纤维中低聚物含量

分别测试与计算涤纶纤维的总低聚物含量[15]与纤维表面低聚物含量[16]。

1.2.4 低聚物热稳定性

采用热重/差示扫描(TG-DSC)热分析仪(德国NETZSCH公司)测试低聚物热稳定性。测试采用氮气气氛，流量60 mL/min，升温速率10 ℃/min，温度范围40～500 ℃。

在烘箱中干燥低聚物，观察烘箱在升温过程中低聚物外观状态的变化情况，分析低聚物的耐热性。

1.2.5 红外化学结构

采用KBr压片法制片，用FTIR-7600傅里叶红外光谱仪(澳大利亚Lambda公司)测试低聚物的化学结构，测定波数4 000～400 cm-1，分辨率4 cm-1，扫描8次。

2 实验结果与分析

2.1 染色对纤维质量比电阻的影响

染色前后涤纶纤维的电阻、质量比电阻测试结果见表1。由表1可知，染藏青色涤纶纤维的质量比电阻大于原样涤纶纤维的质量比电阻，导致染藏青色涤纶纤维容易产生静电。因为染藏青色涤纶纤维染色温度133 ℃、染色时间60 min，涤纶纤维中的低聚物迁移到涤纶表面，虽然染色后对纤维条进行了复洗，但由于低聚物水溶性差，通过复洗工序也难以全部去除。文献[13]报道染色涤纶纤维表面具有低聚物颗粒，而未染色涤纶纤维表面光滑。Cimecioglu等[17]报道从涤纶纤维中提取的低聚物回潮率小于涤纶纤维的回潮率。染藏青色涤纶纤维质量比电阻大，可能与纤维表面析出的低聚物多、低聚物回潮率小有关。

表1 纤维质量比电阻Tab.1 Fiber mass specific resistance

2.2 染色对纤维摩擦因数的影响

染色前后涤纶纤维的摩擦性能测试结果见表2。由表2可知，染色涤纶与橡胶辊之间的摩擦力与摩擦因数大于未染色涤纶的摩擦力与摩擦因数，这可能与染色涤纶纤维的表面析出的低聚物较多有关。染深色纤维表面低聚物多，纤维表面不光滑，增加纤维的摩擦作用。

表2 纤维摩擦力与摩擦因数结果Tab.2 Results of fiber friction and friction coefficient

2.3 纤维红外结构分析

染色前后涤纶纤维红外光谱分析结果见图1。

图1 染色前后涤纶纤维红外光谱图Fig.1 Infrared spectrum of polyester fiber before and after dyeing

2.4 纤维热分析

染色前后涤纶纤维热分析结果见图2。可见，在40～360 ℃之间，试样质量损失率非常小；在360～470 ℃，由于产生热分解，样品质量显著减少。在470～500 ℃，由于分解炭化，未染色涤纶质量保留率29%，染藏青色涤纶质量保留率27.5%。因此，原样涤纶纤维比染藏青色涤纶纤维分解炭化略难。

图2 染色前后涤纶纤维热重分析曲线Fig.2 Thermogravimetric analysis curve of polyester fiber before and after dyeing.(a) Original polyester fiber;(b) Dyed navy polyester fibers

2.5 纤维中低聚物分析

染色前后涤纶纤维的低聚物测试结果见表3。可见，原样涤纶纤维表面低聚物含量与总低聚物含量分别小于染藏青色涤纶纤维表面低聚物含量与总低聚物含量。

表3 涤纶纤维低聚物含量测试结果Tab.3 Results of oligomer content of polyester fiber %

在三氯甲烷索式萃取纤维总低聚物(80 ℃，4 h)时[15]，萃取初期，染色涤纶纤维没有发生褪色现象，但萃取1 h后出现了轻微褪色，萃取2 h后染藏青色涤纶纤维试样颜色变浅，萃取3 h后染色涤纶纤维试样颜色接近白色。在三氯甲烷溶解搅拌提取纤维表面低聚物过程中(20 ℃，20 min)[16]，染色涤纶纤维在三氯甲烷溶剂中没有出现褪色现象。提取的总低聚物中含有低聚物和染料分子，纤维染色越深，总低聚物含量越高。

图3 提取低聚物红外光谱图Fig.3 Infrared spectrum of extracted oligomer

从原样涤纶纤维和染藏青色涤纶纤维中分别提取的总低聚物放入烘箱中进行干热处理，在烘箱温度达到不同温度时，观察总低聚物外观状态。表4为总低聚物外观状态变化的观察结果。当烘箱温度升至100 ℃，提取的总低聚物状态都没有发生变化；当烘箱温度升至130 ℃，原涤纶纤维中提取的总低聚物状态没有变化；但是染藏青色涤纶纤维中提取的总低聚物在110 ℃发黏，在130 ℃时变成熔融状态。文献[11]报道，三聚体结构高度对称，极易聚集结晶，形成的晶体具有高的熔点(310 ℃)以及良好的热稳定性与化学稳定性。由于从染藏青色涤纶纤维提取的总低聚物中含有染料分子(提取物显示深色)，这可能是造成染藏青色涤纶纤维提取的总低聚物热稳定性差的原因。

表4 不同烘干温度低聚物状态变化Tab.4 Oligomer state change under different dry temperatures

图4为涤纶纤维总低聚物的热重曲线。可以看出，原样涤纶纤维提取的总低聚物在温度239 ℃，质量损失为1.8%；染藏青色涤纶纤维提取的总低聚物在温度223 ℃，质量损失为4.9%。原样涤纶纤维提取的总低聚物在温度239～434 ℃，质量出现了显著下降，在404 ℃质量损失速率达到最大值，表明低聚物完成热分解；染藏青色涤纶纤维提取的总低聚物在温度223 ～390 ℃出现质量急剧下降，在343 ℃质量损失速率达到最大值，其失重温度比原样涤纶纤维提取的低聚物失重温度低61 ℃。因此原样涤纶纤维提取的总低聚物热分解温度高于染藏青色涤纶纤维提取的总低聚物热分解温度。

图4 提取低聚物的热重分析曲线Fig.4 Thermogravimetric analysis curve of extracted oligomer.(a) Oligomer from the original polyester fibers；(b) Oligomer from the dyed navy polyester fibers

3 结束语

生产中，一旦涤纶条子中有极微量的纤维缠绕在皮辊或罗拉表面，就会引起更多纤维在罗拉或皮辊表面不断地快速缠绕。降低针梳机速度，纤维缠绕现象减少，但是纺纱产量降低。染藏青色涤纶纤维的质量比电阻大于原样涤纶纤维的质量比电阻，纤维容易产生静电；染藏青色涤纶纤维摩擦因数较大，也将产生静电积聚，会造成缠绕现象。染藏青色涤纶纤维缠绕罗拉或皮辊的原因可能较多，其主要原因是纤维表面低聚物析出较多。皮辊、罗拉表面温度影响染藏青色涤纶纤维缠绕程度与机制，需要进一步研究。

创新涤纶纤维制造技术，消除涤纶纤维加工中的低聚物；创新普通涤纶纤维染色技术，在保证染色纤维颜色、色牢度基础上，消除染色过程中涤纶纤维表面低聚物析出，是解决染深色涤纶纤维缠绕问题的重要手段。