目前,PA6聚合物中因含有太多的单体需要后续萃取,PA66聚合物容易产生凝胶等问题,都难以实现规模化的熔体直纺技术,而生物基聚酰胺56因聚合物中单体很少,不易或没有凝胶的产生,可以采用熔体直接纺丝成型技术制备各种纤维。同时,可通过喷丝板微孔的孔型设计生产圆形、三角形、十字形、扁平形、菱形等各种截面形状的纤维。也可使用复合纺丝机通过喷丝板设计生产包括双组分并列型、皮芯型、海岛型、橘瓣型等复合纤维。
聚酰胺56的熔融纺丝应注意以下几点:
PA56聚合物熔点254℃,熔体流动性更好,熔体表观黏度相对较低,纺丝温度在270~300℃。喷丝板组件过滤需要依照实际生产经验,选用合适目数的过滤网或过滤砂保证喷丝板组件有合适起始压力。
依据开发和生产的品种规格及应用,实际生产可能需要细化干燥切片的含水率,依据设备配置和产品工艺设计的特殊性对应用干燥切片的含水率进行优化调整。
因PA56的玻璃化温度与PA6和PA66相仿或更低,纺丝生产过程中可以实现冷牵伸。
PA56结晶速率和结晶度更低,成品纤维需要关注结构的均匀性和稳定性,包括热收缩均匀性、稳定性和纤维产品力学性能及染色性能的均匀性等。
1.POY
聚酰胺预取向丝(POY)是高取向、低结晶结构的长丝中间产品,是在纺丝速度4000~5000m/min条件下获得的卷绕丝。当纺丝速度较低时(如小于3500m/min),预取向丝会因吸湿量高而膨润变形,使卷绕筒子塌边,造成筒子成型变差,主要是因为聚酰胺纤维吸水性强。在纺速高于4000m/min时,预取向丝的取向度和结晶度提高,使其因吸湿而产生的各向异性膨胀显著减小,保证了卷绕筒子的良好成型。为了实现卷绕工艺的最大稳定性,尤其是防止复丝中单丝线密度差异,生产聚酰胺预取向丝的纺速以4000~5000m/min为宜。
生物基PA56在纺丝速度为4000~5000m/min条件下获得高取向、低结晶结构的POY卷绕丝,高的卷绕速度减小了因聚酰胺纤维分子间的结合力大、容易结晶、吸水性强等原因造成的吸湿而产生的各向异性膨胀显著,保证了卷绕筒子的良好成型,避免了卷绕筒子塌边等。
2.FDY
全牵伸丝(FDY)是指在高速纺丝卷绕过程中引入有效的牵伸,且最终卷绕速度达到近5000m/min或以上,所获得的具有完全取向结构的牵伸丝。FDY的生产工艺是纺丝—牵伸—卷绕一步法长丝连续生产工艺,丝束在第一冷(热)辊与第二热辊之间进行牵伸。
第一(冷)热辊的温度称为牵伸温度,根据丝束的牵伸机理,牵伸温度应选择在玻璃化转变温度之上。若选择的温度偏高,丝束会在热辊上抖动增大,会使条干不均匀率升高。但是,若温度过低,又会使丝束的牵伸力升高,造成毛丝、断头增多。对于聚酰胺6冷牵伸即可,聚酰胺66需要热牵伸,生物基聚酰胺56可以采用冷牵伸或热牵伸。
第二热辊(上辊GR2)的温度称为热定型温度,第二热辊主要对丝束起到定型作用。在定型过程中,丝束牵伸时产生的超分子结构进一步得到提高和完善。适当的热定型温度能消除牵伸时丝束内部产生的内应力,使大分子发生一定程度的松弛,调整纤维的聚集态结构,同时使纤维的结晶度提高,晶体结构更加完善,最终纤维的尺寸稳定性和力学性能得到提高[77]。热定型后的纤维沸水收缩明显降低,有利于染色均匀性的提高,同时纤维不会发生收缩而影响尺寸稳定性。
3. DTY
牵伸假捻丝又称DTY,是将POY原丝在牵伸假捻机上牵伸、假捻制得的牵伸假捻丝(或称牵伸变形丝),分为高弹丝与低弹丝,用于聚酰胺纤维的牵伸假捻机一般不设二热箱和低弹丝的概念。
(1)牵伸温度。一般丝束的牵伸温度要高于聚酰胺初生纤维的玻璃化温度,并低于其软化点,温度过高,大分子解取向的速度很快,不能得到稳定的取向结构。聚酰胺6纤维的玻璃化转变温度为35~50℃,一般在室温下即可进行牵伸。所谓室温牵伸即冷牵伸,不需要对纤维进行加热。
(2)牵伸倍数。随着牵伸倍数的提高,纤维的取向度和结晶度都会进一步提高,纤维的断裂强度增大,断裂伸长率与沸水收缩率降低。一般采用POY—DTY工艺,牵伸倍数为1.2~1.5倍。
(3)牵伸速度。随着牵伸倍数的增大,聚酰胺纤维的牵伸张力增大,一般牵伸速度为500~1000m/min。
生物基聚酰胺56的DTY也采用POY—DTY工艺,是将POY原丝在弹力丝机上牵伸、假捻所制得的牵伸假捻丝。
4.BCF
聚酰胺膨体长丝(BCF)生产时采用SDTY法,即纺丝、牵伸和喷气变形加工一步法连续生产。聚酰胺BCF具有三维卷曲、手感柔软、覆盖性能好、耐磨等特点,是生产簇绒地毯的理想材料。
BCF地毯长丝生产工艺流程:
纺丝→牵伸→热喷气变形→空气冷却→卷绕(www.xing528.com)
(1)变形的过程步骤:将牵伸后的初生丝送入喷气变形箱中,使该初生丝在喷气变形箱中的热空气湍流的作用下发生变形,形成卷曲的变形丝。
(2)冷却定型的过程步骤:使卷曲的变形丝落在回转的筛鼓上,卷曲的变形丝在回转的筛鼓带动下进行回转和卷缩,在回转和卷缩的过程被强制冷却定型。
(3)构建网络度的过程步骤:使冷却定型后的变形丝经过压缩空气网络喷嘴以获取的网络点个数(网络度)为30个/m。
生物基聚酰胺56连续膨体长丝(BCF)的生产采用纺丝、牵伸和膨化变形加工一步法进行连续生产。生产时可参考PA66的工艺作进一步调整,提高BCF的卷曲性能和尺寸稳定性。
5.短纤维
聚酰胺短纤维是以聚酰胺聚合物为原料,经过前纺和后纺等一系列加工工序制成的长度较短的纤维,一般长度为10~150mm。聚酰胺短纤可与棉、麻、毛、黏胶、天丝等进行混纺以提高纱线的稳定性。
短纤维前纺工艺:
干燥→纺丝→合股-卷取→落桶
短纤维后纺工艺:
原丝→集束→牵伸→卷曲→热定型→切断和打包→成品
(1)前纺初生纤维的存放及集束。前纺成型的初生纤维其预取向度不稳定,需恒温、恒湿条件下存放平衡,消除原丝内应力。存放平衡后的丝条进行集束,所谓集束是把若干个盛丝桶的丝条合并,集中成工艺规定线密度的大股丝束,一并进行后处理加工。集束时要求张力均匀,丝束平整,不打结及没有毛丝,否则,在后纺牵伸加工时,会造成纤维的纤度不匀,同时,也会产生其他的产品瑕疵。
(2)牵伸。牵伸是将集束后的大股丝束通过多辊牵伸机进行牵伸,使纤维中的大分子沿纤维轴向均匀排列,同时可能发生结晶、结晶度和晶格结构的改变,从而使纤维的分子结构进一步趋于完善,改善和稳定纤维的力学性能。所以,丝束的牵伸是后加工过程中最重要的工序。一般的情况,在其他工艺相同的条件下,牵伸倍数小,则制得的纤维强度低,伸长率大;牵伸倍数大,则制得的纤维强度较高,而伸长较小。牵伸方式一般为二级或多级牵伸,采用二级牵伸工艺时,在总牵伸倍数不变的情况下,随着一级牵伸倍数的增加,二级牵伸倍数缩小,纤维的断裂强度有所提高,延伸度与沸水收缩率也随之下降。总牵伸倍数为2.0~5.0倍时,第一级牵伸倍数控制在总牵伸倍数的85%左右。牵伸温度为50~90℃,牵伸速度为100~400m/min。
(3)卷曲。纤维表面光滑,之间抱合力较小,不易与其他天然纤维抱合在一起,后纺加工困难,需要进行卷曲加工,使其具有与天然纤维一样的卷曲性。一般采用机械卷曲,机械卷曲采用的填塞箱式卷曲机由上而下主要由卷曲轮、卷曲刀、卷曲箱和加压机构等组成,丝束经导辊被上下卷曲轮夹住送入卷曲箱中;上卷曲轮采用压缩空气加压,并通过重锤来调节丝束在卷曲箱中所受的压力,使丝束在卷曲箱中受挤压而卷曲。
(4)热定型。热定型的目的是消除纤维在牵伸过程中产生的内应力,使大分子一定程度的松弛,提高纤维的结晶度,改善纤维的弹性,降低纤维的热收缩率,使其尺寸稳定。干燥温度为80~130℃,松弛热定型温度为70~140℃,紧张热定型温度为180~230℃。
(5)切断和打包。棉型短纤维切断长度(名义长度)为38mm,毛型短纤维切断长度(名义长度)为51mm、65mm、76mm等,一般根据客户需要选择短纤维切断长度。打包是短纤维生产的最后一道工序,将短纤维打包成一定规格和重量的包,需要标明批号、等级、重量、时间和生产厂等。
6.复合纤维
聚酰胺纺丝分为单组分纺丝和双组分复合纺丝,复合纺丝是由两种或两种以上组分纺制而成的纤维,每一种纤维中的两种组分有明显的界面,有并列型、皮芯型、海岛型、橘瓣型等复合纤维(图6-5)。
图6-5 复合纤维断面形态
(1)并列型复合纤维。为了使织物具有优良的蓬松性、较高的弹性收缩性能,可以将两种具有不同收缩性能的聚合物,纺制成并列型或偏芯皮芯型复合纤维,这种纤维具有类似羊毛一样的永久三维卷曲性能。
(2)皮芯型复合纤维。主要应用于热黏合用纤维,热黏合时不需要使用化学黏合剂,这种复合纤维采用两种不同熔点的聚合物纺制成皮芯型纤维,皮层选用熔点低的聚合物,采用热风或热轧黏合时,皮层熔融形成无数黏结点,而芯层不熔,这样形成的黏结点使纤网得以牢固,同时芯层聚合物保持原有的力学性能。
(3)海岛型复合纤维。两种聚合物通过熔融复合纺丝机和特殊的纺丝组件纺制而成,其中一种组分像岛一样均匀分布在另一种聚合物中(海组分)。一般海组分为水溶性聚合物,最终的织物成品通过水解,溶去海组分,得到一个个岛组分,形成线密度为0.05~0.1dtex的超细纤维,主要用于仿麂皮绒材料。或者溶去岛组分的短纤维等,得到中空纤维,主要应用于吸附材料。
(4)橘瓣型复合纤维。将两种在化学结构上完全不同、不相容的聚合物,通过复合纺丝方法,使两种聚合物在截面中交替配置,形成复合纤维。一般采用化学或机械的方法进行剥离,形成数根独立的超细纤维,主要应用于仿麂皮绒材料。
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