異形纖維的開發(fā)與紡絲生產(chǎn)技術(shù).doc

異形纖維的開發(fā)與紡絲生產(chǎn)技術(shù)作者： 顧超英 一、概述 隨著人們對紡織產(chǎn)品要求的變化，仿天然纖維截面的化學(xué)纖維也就出現(xiàn)了，而且其截面形態(tài)更是多種多樣，諸如不規(guī)則的鋸齒形、扁平的馬蹄形、犬骨形、豆形等等。其實(shí)，最早生產(chǎn)的化學(xué)纖維其截面形狀主要是以圓形為主。隨著異形技術(shù)的推廣和應(yīng)用，化學(xué)纖維截面形態(tài)幾乎已到隨心所欲的地步，如三角形、三葉形、十字形、T形、H形等等。這些纖維的截面異于圓形的化學(xué)纖維就是異形纖維，它是指纖維截面形態(tài)不是實(shí)心的圓形，生產(chǎn)中可采用非圓形孔眼噴絲板紡絲制造，其目的是改善化學(xué)纖維的手感、光澤、吸濕性、蓬松性等等特性。由于截面形狀的變化，使纖維間的摩擦力發(fā)生了變化，同時(shí)對人體皮膚的接觸面積也產(chǎn)生差異。對于不同的截面形狀，在觸摸時(shí)會(huì)給人以或干爽，或粗獷，或細(xì)膩，或滑柔的感覺。 異形纖維最初由美國杜邦公司于50年代初推出三角形截面，繼而，德國又研制出五角形截面。60年代初，美國又研制出保暖性好的中空纖維。日本從60年代開始研制異形纖維。隨之，英國、意大利和前蘇聯(lián)等國家也相繼研制該類產(chǎn)品。由于異形纖維的制造以及紡織加工技術(shù)比較簡單，且投資少，見效快，因此發(fā)展也比較快。我國異形纖維的研制是在70年代中期。在噴絲板制造方面改進(jìn)了加工技術(shù)，提高了板的可紡性。在紡絲方面，已有了成熟、完整的工藝。在紡織產(chǎn)品方面主要是以仿各種天然纖維為主。 二、異形纖維的特點(diǎn)與性能 1、異形纖維的特點(diǎn) 相同線密度的同類纖維，異形纖維截面直徑大于圓形纖維（見表1）。 相同線密度的同類纖維，異形纖維的剛度也大于圓形纖維（見表1）。 表1異形纖維直徑與剛度 截面形態(tài)線密度/dtex剛度/Kpa纖維直徑/m圓形3.3 1.711.76 3.9217.0 12.5圓中空3.3 1.721.56 6.2718.3 13.5三葉形3.3 1.733.32 11.7620.9 16.1三角形3.3 1.721.56 7.1519.04 14.4 異形纖維有較大的表面系數(shù)，而表面系數(shù)=纖維截面周邊長/纖維旦數(shù)（1旦=1.1dtex）。表面系數(shù)大，纖維間空隙率大，因而紗線織物的蓬松度高。 纖維異形化后，其表面積及實(shí)際占有空間將大大增加。這就給它的性能帶來了一系列的變化。衡量異形化程度的指標(biāo)，可用異形度及中空度表示。 異形度=（1異形截面內(nèi)接圓半徑/異形截面外接圓半徑）100 中空度=（纖維空腔面積/纖維截面積）100 外形為正方形的纖維其異形度為16，等邊三角形為20.8。如需要纖維間呈毛細(xì)管效應(yīng)，以具有吸濕導(dǎo)濕性，則異形度必須大于60，中空度越大，保溫效果越好，但強(qiáng)度相對降低。異形度越大，噴絲板加工難度也越大，紡絲及后加工也較困難，最終產(chǎn)品成本也將加大。 2、異形纖維的性能 異形截面纖維具有特殊的光澤、膨松性、耐污性，并具有抗起球性，能改善纖維的回彈性和覆蓋性能。 2.1 抗折皺及抗抽絲性 異形纖維的彈性模量比圓形截面要高，因此抗變形能力較強(qiáng)，抗折皺效果好。就像同等長度、重量的工字鋼要比圓鋼抗彎性好。 2.2 抗靜電及吸濕性 纖維異形化后，其表面積和空隙增加，織物的回潮率增加，且截面越復(fù)雜，回潮率越高。如六葉形尼龍長絲回潮率可達(dá)5.2%，而圓形截面織物只有4.8%。由于異形纖維吸濕性增加，因而抗靜電效果有所改善。 2.3 抗起球性 由于一些合成纖維原料易起毛起球，其織物在使用過程中，一些纖維形成卷纏的小球附著在織物表面，降低了織物的使用價(jià)值。而異形纖維因抱合力大，小毛絲不易滑露出來，因此起球現(xiàn)象大大減少?？蛊鹎蛐阅芘c截面的異形度有關(guān)，異形度越大，抗起球性越好。如同樣的扁平合成纖維，在相同的線密度情況下，扁平度越大的抗起球性能也越好。 2.4 染色性能 由于異形纖維的表面積增大，染色速率可獲提高。但是，它也使對光線的反射增大，因此從視覺效應(yīng)來說，在相同染料吸著量的情況下，得色顯得稍淺。所以要從外觀上得到同樣深度的染色物，在染異形纖維時(shí)必須比圓形截面纖維多用染料10%-20%。然而得色的鮮艷度以異形纖維的較高。 2.5 光澤效應(yīng) 纖維光澤與纖維截面形態(tài)有較大的關(guān)系，當(dāng)一束平行光照射于不同截面形態(tài)的纖維表面時(shí)，會(huì)發(fā)生不同的光澤效應(yīng)。例如，三角形截面，光照射在其上時(shí)，可在纖維內(nèi)部的棱邊上透射出去，這樣在產(chǎn)生全反射的棱邊處光澤就弱，而其他棱邊外的光澤就強(qiáng)。當(dāng)入射角改變時(shí)，產(chǎn)生全反射的棱邊也會(huì)改變，從而產(chǎn)生閃光效應(yīng)。另外，由于三角形的棱鏡作用，使光線射出來時(shí)產(chǎn)生色散效應(yīng)，給人以特殊感覺。因此異形纖維改變了圓形纖維的極光。特別是中空型的異形纖維，由于它的反射層相應(yīng)減薄，同時(shí)又存在內(nèi)反射。表層反射和內(nèi)反射的綜合，可加強(qiáng)反射光的強(qiáng)度，所以中空型的三角形纖維，它的光澤效應(yīng)更好。再如，在普通腈綸纖維、異形腈綸纖維和真絲織物的對比光澤度實(shí)驗(yàn)中，蠶絲的對比光澤度最大，異形腈綸纖維比圓形纖維的對比光澤度大，接近蠶絲的光澤。 2.6 抗污性 由于異形纖維對光的反射作用較強(qiáng)，透光率低，使污?？瓷先ポ^小，所以有感覺上的抗污性能。再加上表面積又比較大，制成織物后，反映在人們的視覺上，織物的覆蓋性能比較好，不容易被沾污。如下為四種滌綸纖維試樣，在截面為圓形和三角形時(shí)的覆蓋性能和被沾污性能（見表2）。 表2 不同截面滌綸纖維的覆蓋性能和被沾污性能 截面形態(tài)三角形圓形三角形圓形覆蓋性能透射率%反射率%6.0770.97.3759.64.5073.07.5357.2污染試驗(yàn)反射率%69.661.469.962.4三：異形纖維截面形狀與品種 1、異形纖維截面形狀 由于使用異形噴絲孔板的不同，生產(chǎn)的異形纖維截面也不一樣，一般異形纖維截面形狀有三角形、扁平形、十字形、三葉形、多葉形、Y形、H形、矩形、菱形、五角形、六角形、中空及多中空形等等異形纖維。 2、國際市場上部分異形纖維的品種 其實(shí)，早在1953年美國杜邦公司首先提出用膨化粘著法紡制異形纖維的技術(shù)。隨后又提出了制造三角形截面纖維的技術(shù)；提出了四角截面絲的專利申請。經(jīng)過將近50周年的發(fā)展，異形纖維已成為國際市場上差別化纖維的重要銷售品種之一，更是諸多生產(chǎn)廠家對市場前景看好的產(chǎn)品之一，因此，國際市場上異形纖維的品種有很多，而表3為國際市場上部分聚酯類異形纖維的品種。 表3 國際市場上聚酯類異形纖維的品種 商標(biāo)制造廠商截面形態(tài)性能或應(yīng)用Dacron美國杜邦62型三葉無光、半無光69型、80型長絲83型異形短絲仿絲特艷、用于服裝Terylene英國帝國化學(xué)200型三葉形變形紗用Tcevira德國Farbwerke Hoechst AG825型三葉有光絨毯用TesilSilon.n.P（原捷克、斯洛伐克）20型五葉形26型十葉型27型多葉型改善覆蓋性保暖性Silgian日本東洋三葉形仿麻Spacy日本帝人T38中空異形短絲改善彈性、柔軟性等東洋紡日本東洋紡異形有光藕孔型毛混紡合成皮革四：異形纖維的制法 1、異形噴絲孔法 紡絲液從噴絲板擠出的一剎那，是纖維截面成型的關(guān)鍵。因此，將噴絲孔按所要求的截面進(jìn)行加工，紡絲液從異形孔中噴出后，逐漸凝固成異形。將噴絲孔加工成與所要求的纖維截面形狀相似的紡絲方法。這也是最普通的使用的方法。 2、膨化粘著法 紡絲液被擠壓離開噴絲孔的瞬間，由于壓力突然降低，會(huì)發(fā)生膨化，而此時(shí)的紡絲液尚未凝固，因而相鄰部分就會(huì)粘接，纖維截面隨之改變。中空、多孔纖維常用此法加工。目前，這種方法也得到了國際異形纖維生產(chǎn)廠家的廣泛的應(yīng)用。 3、復(fù)合纖維分離法 將兩種或兩種以上的成纖高聚物制成可分離型復(fù)合纖維以后，在后加工過程中通過機(jī)械剝離各組分或者用溶劑溶掉某組分而獲得異形纖維的方法。 4、軋制法 類似冶金工業(yè)中的軋鋼。紡絲熔體經(jīng)噴絲孔擠出后，趁尚未完全固化時(shí)，用特殊熱輥擠壓成型。 5、孔形（徑）變化法 用兩塊重疊的噴絲板，每塊噴絲板上噴絲孔形狀各異，但中心線基本吻合。在紡絲過程中，2塊板相對移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)，因而紡出的纖維的截面和外形也相應(yīng)變化。 五：異形纖維的紡絲工藝 1、異形纖維的紡絲 用溶體法生產(chǎn)異形纖維時(shí)，紡絲流體從噴絲孔擠出后，在空氣浴中冷卻、細(xì)化、成形。 1.1 紡絲液性質(zhì)對纖維異形度的影響 異形截面與圓形截面相比，由于前者的比表面大，體系的能量較高，而表面張力具有使細(xì)流表面曲率平均化的傾向，表面張力越大成形后的纖維異形度越小。熔體的粘度對成形過程中的絲條截面形狀也有很大的影響，粘度越大對細(xì)流以及絲條偏離噴絲孔形狀的阻力越大，因此成形過程中使細(xì)流及絲條粘度增加的各種因素都可以使纖維的異形度增加。 如表4所示，由于高分子量聚酯的熔體粘度高，盡管在較高的紡絲溫度下進(jìn)行紡絲，所得纖維的異形度仍很高。 表4 不同特性粘度聚酯對纖維異形度的影響 紡絲溫度切片特性粘度無油絲特性粘度熔體粘度，Pa.s纖維異形度，%2900.680.61173.8302980.910.78741.3471.2 紡絲工藝條件對纖維異形度和性能的影響 1.2.1紡絲溫度的影響 紡絲溫度對纖維異形度的影響，如表5所示。從表中可以看出，纖維異形度隨紡絲溫度的升高而降低。這時(shí)由于雖然熔體松弛時(shí)間隨溫度的升高而下降，使熔體出噴絲孔后的膨化現(xiàn)象減小，另外熔體的表面張力亦隨溫度的升高而減??；但是紡絲溫度對熔體的粘度也有很大的影響，隨溫度的升高，熔體粘度迅速下降，這樣減小了擠出細(xì)流偏離噴絲孔形狀的阻力。通過實(shí)踐表明，溫度對后者的影響要大于前者，使纖維異形度隨溫度的升高而下降。 表5 紡絲溫度對纖維異形度的影響 紡絲溫度280290300310320六葉形異形度，%332920100雙十形異形度，%7877756848另外，紡絲溫度的變化對卷繞絲的性能也有很大的影響，見表6所示。隨著熔體溫度的升高，熔體細(xì)流的凝固長度增加，軸向速度梯度減小，使卷繞絲的預(yù)取向度降低，表現(xiàn)為纖維的干熱收縮值減小，自然拉伸比增大。 1.2.2 熔體壓力的影響 熔體壓力對纖維異形度的影響，如表6所示。從表中可以看出，在相同的紡絲溫度下，隨熔體壓力的提高，纖維異形度降低。高壓低溫下紡絲可以得到與低壓高溫下紡絲相近的異形度。 表6 熔體壓力對纖維異形度的影響 熔體壓力，Mpa紡絲溫度，纖維異形度，%3.92923021.62922027.4278301.2.3 噴絲頭預(yù)拉伸倍數(shù)的影響 當(dāng)噴絲板的熔體噴出速度一定，改變紡絲速度時(shí)，噴絲頭預(yù)拉伸倍數(shù)雖然變化不大，但對纖維的剩余拉伸比影響較大，如表7所示。紡絲速度從1000m/min增加到2000m/min，噴絲頭預(yù)拉伸倍數(shù)由139倍增到278倍，剩余拉伸比由3.75倍降至2.5倍，而對纖維異形度影響不大。 表7 熔體噴出速度和紡絲速度對纖維異形度和后拉伸倍數(shù)的影響 溶體噴出速度，m/min7.27.27.27.22.25.817.5紡絲速度m/min1000200035004000800800800噴頭拉伸倍數(shù)13927848655636413846噴絲板流量，c m3/（S.孔）0.04170.04170.04170.04170.01270.03170.094后拉伸倍數(shù)3.752.501.601.504.04.04.0單絲纖度，dtex31.115.69.28.610.228.18.3異形度，%28303030202635當(dāng)紡絲速度一定，改變?nèi)垠w噴出速度時(shí)，雖然噴絲頭預(yù)拉伸倍數(shù)變化很大，但對纖維的剩余拉伸比影響較小，如表7所示。熔體噴出速度由2.2m/min升至17.5m/min，噴絲頭預(yù)拉伸倍數(shù)由364倍降至46倍，纖維剩余拉伸比基本不變，而纖維異形度變化很大，由20%增至35%。 纖維的剩余拉伸比主要取決于纖維成形中形變區(qū)的軸向速度梯度。隨著紡速的增加，速度梯度增加，大分子的預(yù)取向度明顯增加，以致剩余拉伸比下降，這種形變對纖維的異形度影響不大。纖維異形度對成形中溫度的變化較為敏感，當(dāng)熔體噴出速度較快時(shí)，細(xì)流能加速進(jìn)入到纖維成形的低溫區(qū)，使絲條粘度迅速增加，松弛時(shí)間延長，這樣有利于纖維異形度的增加。而噴出速度的增加主要使成形中處于流動(dòng)區(qū)的細(xì)流速度梯度減小，因此對纖維的剩余拉伸倍數(shù)影響不大。 1.2.4 冷卻條件的影響 卷繞絲的異形度隨著熔體細(xì)流冷卻條件的加劇，如冷卻風(fēng)速的增加，風(fēng)溫的降低以及吹風(fēng)點(diǎn)距噴絲板距離的縮短而增大。 冷卻位置的影響 由表8可以看到，隨著吹風(fēng)點(diǎn)距噴絲板距離的縮短，纖維異形度增大。在吹風(fēng)裝置距噴絲板120mm以后，吹風(fēng)點(diǎn)位置的變化對纖維異形度的影響趨于緩和，而且異形度的不勻率有所增大。距噴絲板80mm時(shí)，異形度為60%左右，可紡性較好。 表8 環(huán)形吹風(fēng)位置對纖維異形度的影響 距噴絲板距離，mm7090100110120130160異形度，%66.761.050.648.645.745.043.7采用低風(fēng)壓環(huán)形吹風(fēng)裝置進(jìn)行吹風(fēng)點(diǎn)高度試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，吹風(fēng)高度與噴絲板距離過分縮短時(shí)，如在70mm以內(nèi)，在風(fēng)速0.25-0.49m/s，風(fēng)溫2840的范圍內(nèi)，不管怎樣變化冷卻條件，卷繞絲異形度都將減小。這是因?yàn)榇藭r(shí)在噴絲板與環(huán)形吹風(fēng)頂部之間形成了一個(gè)穩(wěn)定的高溫空氣介質(zhì)區(qū)域，使熔體的流動(dòng)處于因表面張力所導(dǎo)致的截面形狀變化階段的時(shí)間延長，導(dǎo)致在此區(qū)域內(nèi)，隨著環(huán)形吹風(fēng)裝置距噴絲板距離的縮短，纖維異形度下降。另外，冷卻位置對卷繞絲的干熱收縮率、自然拉伸比也有很大的影響，見表9所示。 在一定范圍內(nèi)，隨著環(huán)形吹風(fēng)裝置距噴絲板距離的縮短，熔體細(xì)流的凝固加快，凝固長度縮短，形變區(qū)的軸向速度梯度增大，纖維預(yù)取向度增加，宏觀表現(xiàn)為干熱收縮值增加（對卷繞絲的預(yù)取向度，還可以通過X-光衍射法、雙折射法以及聲速法等方法進(jìn)行測定，但是考慮到異形纖維不僅存在芯皮層差異，還存在纖維橫截面上不同部位預(yù)取向度的差異，因此采用熱機(jī)械曲線的測定能綜合地反映出卷繞絲預(yù)取向情況），自然拉伸比下降。當(dāng)然距離過分短時(shí)也會(huì)由于在噴絲板和環(huán)形吹風(fēng)之間出現(xiàn)穩(wěn)定的高溫區(qū)域，反而使纖維預(yù)取向度降低。 表9熔體溫度和冷卻位置對卷繞絲性能的影響 紡絲箱體溫度，環(huán)形吹風(fēng)高度，mm干熱收縮值，min自然拉伸比28120030.42.6128112537.82.872815027.83.2027520047.52.3927612551.52.122765030.33.0227120051.6-2715039.92.80注釋：卷繞絲在100停留15min的收縮值。冷卻風(fēng)速的影響 由表10可以看出，隨著冷卻風(fēng)速的增加，纖維異形度增大。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)冷卻氣流控制在0.3m/s，風(fēng)溫28時(shí)，纖維異形度可達(dá)5560%，可紡性較好。 表10 環(huán)形吹風(fēng)風(fēng)速對纖維異形度的影響吹風(fēng)風(fēng)速，m/s0.1