高弹性聚酯纤维制造技术和产品性能

高弹性聚酯纤维制造技术和产品性能石油化工技术与经济Technology&EconomicsinPetrochemicals第24卷第4期2008年8月高弹性聚酯纤维制造技术和产品性能张培红王呜义倪江宁(中国石化上海石油化工股份有限公司,200540)摘要:讨论了高弹性聚酯纤维的制造技术,包括传统的DT和DTY方法,不对称加工法,非对称冷却成形法,热流喷射法,新聚酯,双组分复合纺丝法以及综合法(唧PET并列复合中空纤维制造方法).针对不同制造技术及其产品弹性的各异,提出采用新聚酯,复合纺丝技术制得纤维的弹性性能更加突出,可以作为新型材料应用于现代纺织等领域.关键词:聚酯纤维高弹性并列复合文章编号:16741099(2008)04004604中图分类号:TQ340.654文献标识码:A从化学纤维物理机械性能角度出发,所谓弹性纤维,是具有很高的断裂伸长率,低的模量和高的弹性恢复能力J.由于氨纶的生产工艺相对复杂,与熔融纺纤维相比加工成本高且环保要求严格,因此,化纤界多年来致力于研究开发聚酯类弹性纤维以期代替造价昂贵的氨纶,其中美国英威达,德国Bayer和日本Asahikasei等公司已经取得实质性的进展.1高弹性聚酯纤维的制造技术采用不同的生产方法使得合成纤维外观的卷曲状态呈三度空间的弯折,而且这种状态有相当的规律,称之为”三维卷曲”.高弹性聚酯纤维的工业化生产起始于上世纪六十年代,经过四十多年的发展,经历了传统的变形技术,非对称冷却成形,新聚酯,双组分复合法等技术阶段.1.1传统的DT和DTY方法较低纺速下(2000m/min以下)得到初生卷绕丝(UDY),经过拉伸加捻机加工,获得一定保护性捻度的长丝叫拉伸加捻丝(DrawTwist),从手感上已经体现类似聚酰胺(尼龙)的弹性.利用合成纤维热塑性,采用假捻的方法得到弯曲如弹簧状的长丝.一般采用部分取向丝(POY),通过拉伸假捻变形,得到DTY(DrawTexturingYarn),俗称弹力丝.DTY后纺工艺中第一热箱温度相当重要,通常又称为变形温度.丝条在变形温度作用下,受热处于塑化状态,除了有利于丝条被拉伸外,还通过假捻器传递的捻度使纤维变形,赋予丝条弹性和蓬松性.此类方法依据材料的特性,例如PBT或PTr可以强化纤维束的整体弹性效果.1.2不对称(不均匀)加工法不对称(不均匀)法(AsymmetricProcessWay),一般用于长丝变形丝的加工,近几年来也有用于短纤维及长丝束(多股丝)的连续化生产,主要用于地毯加工.不对称法包括刀口法,齿轮卷曲变形法,不对称热处理这三种方法.1.3非对称冷却成形法所谓非对称冷却形式(AsymmetricQuenchingWay),是指纤维细流迎风面与背风面的冷却速率有极明显的差异,使初生纤维截面上产生冷却固化速度差,高分子链沿纤维轴向预取向呈现不均匀分布,从而使初生纤维具有潜在的自卷能力,经拉伸后沿轴向排列的大分子取向能够发生收缩,且能绕轴向发生扭曲,而产生了外形宏观上的螺旋形波纹,具有比较高的压缩形变恢复能力.上世纪80年代,日本东洋纺使用异形喷丝孔,采用非对称冷却成形方法制成了聚酯中空三维卷曲短纤维.英国ESL公司采用异形喷丝孔,关键是每个喷丝孔相对于喷丝板表面形成一个角度,从而使原料在熔融状态时产生湍流.其本质上也是由于非对称性冷却所造成的应力不对称,才使纤维产生了永久性卷曲_4.目前随着消费收稿日期:20080604.作者简介:张培红,女,1972年出生,工程师.从事涤纶短纤维产品开发和生产工作.第4(2008)张培红等.高弹性聚酯纤维制造技术和产品性能者不仅仅满足于服装的保暖作用,而对其保健功能13益重视,市场上远红外中空纤维应运而生.这种经过物理改性的新型功能性纤维,既具有普通中空纤维良好膨松性,透气性,保暖性特点,又有优良保健理疗功能,热效应功能.1.4热流喷射法热流喷射法(HotFluidJetWay),原先应用于长丝的变形加工,高速连续化加工三维卷曲纤维是在BCF(BulkedContinuousFilament)的基础上,采用短程纺工艺,即将初生纤维经集束,拉伸,热流体喷射变形,定型等工艺而得到的.热流体喷射加工是利用不超过250热流体(压力不超过15kPa),对具有热塑性合成纤维进行变形加工的一种方法.当丝条在喷射腔体内被热流体加热,瞬间塑化成形,然后在逆流的冷空气中得到冷却.已成形的丝条同时受到热定型而形成稳定的三维卷曲纤维.1.5新聚酯新聚酯PBT(聚对苯二甲酸丁二醇酯),P1TI1(聚对苯二甲酸丙二醇酯)纤维所体现的综合优异性能,以及便利地利用现有的PET纺丝设备进行加工制造,因此PBT,P1TI1的纺丝生产引起了纤维企业的广泛重视.1.5.1PBT新聚酯PBT是由对苯二甲酸二甲酯(DMT)或PTA与1,4一丁醇酯交换或直接酯化而得的结晶型热塑性聚酯.PBT大分子基本链节上的柔性部分较长,因而使PBT纤维的熔点和玻璃化温度较普通聚酯纤维低,导致纤维大分子链的柔性和弹性有所提高J.PBT与聚酯PET比较,有2种特性:用聚合物PBT制作的纤维由于其结构的特殊性,弹性十分优越,与普通PET相比弹性有很大的提高,接近尼龙;聚合物PBT大分子链产生较大的不规整性,与结晶高,结构紧密,大分子链平行的普通PET相比,PBT因结构松散而使染料分子更易进入聚合物,染色性能大为改善.PBT纤维在各个领域中得到了广泛的应用,特别用于弹性时装面料,弹性复合织物等的生产.目前更适宜于冬装及被褥填充料的使用及制成PBT纤维簇绒地毯,触感酷似羊毛地毯.1.5.2P1T新聚酯P1TI1是由1,3一丙二醇(PDO)与精对苯二甲酸(PTA)直接酯化,缩聚而成.P1TI1纤维是PET和PBT的同系物.m纤维具有优良的弹性,柔软性及染色性.PrITr纤维的断裂仲长远大于PET纤维,初始模量较小,说明P1TI1纤维具有良好的延伸性和柔软性.PrITr大分子螺旋链状结构受力时更易被拉伸,而且随着时间延长,m纤维的内应力增加变化非常微小,表现出较好的应力松弛稳定性,反映出来即是纤维良好的弹性.所以与PET相比,唧纤维的一个重要优势就是回弹性好,尺寸稳定性好,适合地毯等装饰和家用纺织品的生产.P1TI1纤维最有前途的市场是替代尼龙作为化纤地毯的原料.P,IT纤维具有良好的易染性,同时对环境造成的污染程度也相应较小,具有明显的经济效益和环境效益.1.6双组分复合纺丝法复合纤维的开发为纺制三维卷曲纤维开辟了一条新的途径.其制造方法是由两种或两种以上不同组份的聚合物熔体仅在进入特殊设计的喷丝组件后才被有机复合在一起,并被挤出成型.并列型(sidebyside)复合纤维的结构是两种互不相溶的组份以并列结构的形式沿纤维轴向连续排列而成,其组分的配比,化学结构,物理性能等的互相匹配可以是多种多样的,但这类纤维主要是利用两种组分热收缩差异产生”永久立体卷曲”的特性,利用复合纺丝技术可开发PBT/PET,PTPFT等高弹性聚酯纤维.复合纤维具有细而密的立体卷曲,优越的回弹性,手感柔软和优良的染色性能,是理想的仿毛,仿羽绒原料.T一400纤维是由PET和m并列复合纺丝而得,是美国杜邦公司最新研制推出的一种新型弹性纤维.该产品永久立体的卷曲使它在染色和后整理中仍保持良好的卷曲性能.T一400纤维应用在针织物中,可以优化针织物的性能,美化针织物的外观和持久的保形性J.1.7综合法上海石化采用特殊设计的喷丝板,利用P1TI1的特性及其所体现的综合优异性能,和PET采用并列复合的纺丝方法成功开发出了并列复合中空纤维.并列复合中空纤维的结构是两种互不相溶的组分以并列结构的形式沿纤维轴向连续排列,同时纤维的截面沿轴向存在一个空腔.并列复合中空纤维主要是利用两种组分热收缩差异,在拉伸后产生自螺旋三维卷曲的特性,它的手感柔软,经高温定型,特殊的表面处理后卷曲和弹性效果石油化工技术与经济Technology&EconomicsinPetrochemicals第24卷第4期2008年8月更加突出.P1T/PET并列复合中空纤维的生产工艺与其他热塑性聚合物的熔融复合纺丝相类似,经切片干燥,熔融,挤出,拉伸,卷绕等工艺步骤.复合纺丝组件的关键部件是下分配板和喷丝板.通过特殊设计的分配板将两组分熔体分配流入喷丝孔.在复合纺丝过程中,两种切片选择适当的特性黏度差是保证双组分正常纺丝,中空纤维中空度和三维卷曲性能的关键.图1是HT/PET并列复合中空纤维的截面图,该纤维两组分界面清晰,中空度达到30%左右.由于PTrr/PET并列复合初生纤维截面具有不同的微观结构,因此,在相同的拉伸过程中,纤维截面的轴向存在不同的内应力.当拉伸外力消失后,高弹形变伸展的大分子立即发生松弛,产生不同的收缩现象.这种收缩能使纤维绕轴向发生图1PTT/PET并列复合中空纤维截面扭曲,因而产生了外形上的螺旋形波纹.并列中空纤维经牵伸后即能得到自卷曲蓬松性,具有螺旋形永久卷曲性能的纤维,因此不需要采用常规的机械卷曲方法.1.8各种制造技术的比较从工艺流程,技术装备等方面,综合评价了各种高弹性聚酯纤维的制造技术(见表1).表1生产方法对比由表1可知,在制取高弹性聚酯纤维的生产技术中,非对称冷却成形法以生产涤纶短纤维为主,该方法最大的优点是生产设备简单,原料要求低,生产工艺相对简单.但产品的质量只能满足一般填料的要求,是目前为止规模最大的生产方法;热流喷射法最大的优点是工艺路线短,实现了高速连续化,降低了生产成本,同时为直接制成非织造布提供了可能性;双组分复合纺丝法制得的弹性纤维卷曲效果好,而且使用该方法制得的产品变化多,例如中空,加入添加剂等品种.2产品性能的讨论2.1不同制造方法与高弹性的关系2.1.1外力作用产生的弹性传统的PET纤维DT和DTY方法,不对称(不均匀)加工法,热流喷射法是在纤维成形后通过某种方式强加给纤维的卷曲,而非纤维内部结构产生的.这种卷曲效果并不持久,在外力作用后容易失去弹性效果.像热流喷射法生产的弹性纤维卷曲波形大,波峰低,三维卷曲的效果不明显,所以实际使用的厂家较少.作为纯粹的拉伸弹性纤维要求与氨纶相比存在较大的差距.2.1.2大分子结构产生的弹性不同的聚酯大分子结构决定了它们具有不同的弹性.m和PBT新聚酯纤维的弹性取决于其分子结构与排列,两者弹性机理不同j.m的空间结构由其曲折的亚甲基链段和硬直的对苯二甲酸单元组合而成,形成沿纤维轴向的”z”字形构象,这种三亚甲基的空间构型,使其具有较好的螺旋弹簧结构.P1Tr弯曲的链段长度是完全伸直长度的76%,受力时,大分子链段能比较容易拉伸或压缩,外力去除后,能快速恢复原第4期(2oo8)张培红等.高弹性聚酯纤维制造技术和产品性能状.PBT的多个亚甲基使得它的内旋转增多,并在应变过程中产生Or.与p晶型的可逆转变,松弛状态下为Or.晶型,此时单元晶格长度为重复单元最大拉伸构象长度的86%,拉伸状态下呈p晶型(型为稳态,p型为非稳态),并具有向型转变的趋势,因此具有弹性机制;但是当纤维在高拉伸率下,可完全得到p晶型,此时单元晶格长度达到重复单元最大拉伸构象长度的98%,所以PBT在低拉伸率下具有好的弹性,但在高拉伸率下弹性下降.2.1.3双组分收缩率差异产生的高弹性通过改变纺丝工艺,使双组分原料在喷丝孔挤出成形过程中,内部结构就含有潜在不对称结构因素(如组分不同,内应力不同等),在后加工过程中这种不对称因素显现出明显的三维卷曲.并列复合纺丝得到的纤维经过热处理加工,形成类似羊毛的细而密的卷曲形态.这是一种永久性的卷曲,并具有很好的弹性回复率,这是通过一般机械加工方式产生的卷曲所达不到的.特别是FFF/PET并列复合中空纤维拉伸后产生的白螺旋三维卷曲中空纤维经高温定型或高温染色后,卷曲效果更加突出,而且手感十分柔软.3结束语近年来,世界弹性纤维的产量每年平均增长8.3%,增长幅度最大的区域为亚洲和美国,2000年世界弹性纤维产量近ll4kt.但与全球合成纤维近20Mt的产量相比,弹性纤维显得微乎其微,其中蕴含着明显的发展空间.从世界范围来看,随着环保意识的增强,高弹性聚酯纤维仍属于”朝阳产业”,其生产技术还在不断开发和完善,其应用领域也在不断拓展.尤其在中国,高弹性聚酯纤维的生产及应用才刚刚起步.相信,在市场需求增长强劲的推动下,在当代纺织技术不断发展的基础上,高弹性聚酯纤维将迅猛发展.参考文献1张树均主编.改性纤维与特种纤维M.北京:中国石化出版社,1995.3343482芦长椿.环境,资源与化学纤维技术动向J.合成纤维,2007,(12):173陈稀等.合成产品开发与应用M.中国石油化工总公司继续工程教育系列教材,1995.931094汪正贵等.三维卷曲纤维及其应用J.合成技术及应用,2007,22(1):42445苗建芳.工业化生产6.67dtex远红外螺旋形三维卷曲中空纤维的工艺探讨J.合成技术及应用,2001,16(1):39426邢声远,弹性好易染色的PBT纤维J.北京纺织,2000,21(31:58597任永花,李艳清.弹性纤维PTr力学性能研究J.现代纺织技术,2005,(3):138石永杰.弹性纤维T一400形态特性及应用J.科技信息,2007,(1):2512529贺丽俐等.PTr/PBT共混体系及可纺性探究JJ.合成纤维,20o7,(12):2O241O陈吉等.聚醚酯弹性纤维加工及性能J.合成纤维工业,20o2,25(4):2023ManufacturingProcessandProductPerformanceofHighElasticityPolyesterFiberZhangPeihong,WangMingyi,NiJiangning(SINOPECShanghaiPetrochemicalC