干法腈纶中\高缩率短纤维的开发

摘要

通过对干法腈纶纤维成形机理的分析，研究了纺丝过程以后的工艺条件。通过降低水洗牵伸倍数和后处理生产工艺参数调整的方法，提高了水洗牵伸丝的沸水收缩率，减少短纤维沸水收缩率在烘干过程中的损失，以保证生产出不同缩率的干法腈纶短纤维，采用该方法生产的短纤维沸水收缩率最高可达24%左右。该产品的开发填补了干法腈纶中高缩产品的空白，且生产过程中蒸汽量的减少，降低了生产成本。

关键词：干法腈纶丝束；沸水收缩率；线密度

高收缩纤维的用途广泛，它可以与常规产品混纺成纱，在松弛状态下水煮或汽蒸，使高收缩纤维收缩形成纱芯，外面的常规纤维由于受高收缩纤维的约束而卷曲成圈，制得蓬松圆润的膨体纱线。

干法腈纶短纤维生产工艺比较成熟的品种为1.67dtex~6.67dtex，线密度高于6.67dtex的产品较少，尤其是开发生产地毯纱常用原料――中、高缩率高线密度产品在干法腈纶生产领域有着重要的意义。

1高收缩腈纶短纤维成形机理

1.1高收缩腈纶短纤维成形机理分析

腈纶是聚丙烯腈纤维的商品名，有三种单体共聚而成，其中丙烯腈含量在85%以上。聚丙烯腈具有三种不同的聚集状态：非晶相的低序态、非晶相中序态和准晶相高序态。基于丙烯腈结构研究，目前生产高收缩腈纶的途径有两个：一是聚合改性，提高聚丙烯腈共聚单体中第二单体的含量；二是物理改性，调整后处理工艺，即采用对纤维进行多次牵伸和汽蒸、定型工艺调整的方法。

1.2两种方法对比

1.2.1增加第二单体的含量

丙烯腈分子倾向于紧密堆砌，横向高度有序，而不存在有规则的三维空间结晶，使纤维缺少弹性，质地发脆，纤维成形时不能进行高倍拉伸。引入第二单体可以破坏大分子链的规整性，使丙烯腈结构发生一定的无序化，降低大分子键的敛集密度，使丙烯腈大分子柔性和热弹性增加，玻璃化温度降低，可以大幅度提高纤维的热收缩性。

1.2.2后处理工艺调整

（1）在纤维热弹性范围内，对纤维进行多次拉伸，可获得具有较高潜在收缩率的纤维。

（2） 采用较低牵伸倍数，使纤维中的大分子链舒展，并沿纤维轴向取向，然后骤冷（通过在常温下逐渐冷却）使纤维的大分子链的形态和张力暂时被固定下来。在松弛状态下对丝束进行湿热定型处理，此时大分子链因热运动而卷缩，于是引起纤维轴向的显著收缩。

由于第一种方法要从聚合工序进行调整，对生产稳定性和其他常规产品性能影响较大；第二种方法中多次牵伸的工艺要对现有设备进行改造，投资较大。因此根据干法腈纶生产实际和现有生产工艺、设备条件，本文主要采用调整牵伸倍数和汽蒸、定型条件的方法来获得中、高收缩短纤维。

2试验

2.1短纤维来源

采用干法腈纶生产工艺生产的10.00dtex有光短纤维。

2.2生产设备

干法腈纶纺丝机、LHS004水洗牵伸联合机和LHS004丝束烘干机。

2.3试验仪器及试验方法

2.3.1试验仪器

收缩框架，带双游标尺及样品夹，精度±0.01inch（0.254mm）；水浴，能保持在(99±1)℃；烘箱，保持在(70±1)℃；分析天平，最小分度值0.1mg。

2.3.2沸水收缩率的测试方法

原理：腈纶纤维的残余收缩是通过将样品在松弛状态下浸入沸水中，测定其长度变化的百分数来确定。

测试方法：将10束样品放入收缩框架台的样品夹，慢慢将框架置于竖直位置，读出每一丝束测试前的长度，将收缩框架浸入99℃的水浴中，煮沸（30±1）min，取出收缩框架并置于烘箱中，在（70±1）℃下干燥（30±1）min，从烘箱中取出收缩框架，让其在室温下放置至少15min，记录每一丝束收缩后的长度，计算每一纤维束的收缩率，取10束样品收缩率平均值。

根据下面公式计算每一纤维束的收缩率。

式中：

S──每一纤维束的沸水收缩率；

L0──收缩前长度，cm；

L1──收缩后长度，cm。

计算10束样品的收缩率平均值，计算结果按GB/T 8170规定修约至小数点后一位。

3结果与讨论

3.1牵伸工艺的影响

3.1.1牵伸倍数的选择

由于初生纤维的大分子链处于卷曲和不规则的排列状态，随着牵伸倍数的提高，纤维中卷曲的大分子链逐渐被拉直[1]，表现出纤维的沸水收缩率逐渐提高；随着纤维的进一步拉伸，大分子链取向进一步增强，分子间作用显著提高，使收缩变得困难，因此湿丝束的沸水收缩率降低，牵伸倍数与湿丝束沸水收缩率的关系见图1。

由图1可以看出，随着水洗牵伸倍数的增加，湿纤维的沸水收缩率显著提高，当达到一定程度后又逐渐下降。因此，在生产中、高缩率产品适宜采用较低的牵伸倍数2.0~3.0。

3.1.2牵伸条件的设定

在低温下进行牵伸，大分子链段活动性较弱，且牵伸后纤维可以迅速定型，防止出现回缩，可以大大提高湿纤维的沸水收缩率。受生产工艺条件的限制，3.3倍牵伸倍数为生产粗旦产品的最佳工艺，因此以此为例，各种牵伸条件下湿纤维的沸水收缩率对比见表1。

3.1.3卷曲温度的控制

卷曲温度不宜控制过高，在卷曲过程中施加蒸汽会造成纤维的回缩，使湿纤维的沸水收缩率下降。

3.2不同烘干定型条件的影响

3.2.1不同汽蒸条件的影响

腈纶纤维拉伸后，纤维超分子结构已基本形成，但由于有些分子链段处于松弛状态，而另一些链段处于紧张状态，纤维内部不均匀的内应力，在热定型过程中处于紧张状态下的分子链段得以松弛，消除纤维内应力[1]。

干法腈纶热定型工艺：纤维先经过蒸汽靴由0.55MPa蒸汽汽蒸后，进入烘干一、二、三区进行烘干。湿纤维在不同蒸汽流量作用下，会发生不同程度的回缩。表2所示为不同蒸汽流量下纤维的沸水收缩率变化。

3.2.2纤维热定型条件的影响

由于纤维的致密化过程主要在烘干一区完成，因此随着烘干一区温度的提高和烘干时间的延长，沸水收缩率也有较大的变化。表3为烘干时间为10min时烘干一区不同温度对纤维沸水收缩率的变化。表4为烘干一区温度为110℃时不同烘干时间对纤维沸水收缩率的影响。

从表3和表4可以看出，减少纤维烘干时间和降低烘干温度都可以有效保留纤维的剩余收缩率，即可提高纤维的沸水收缩率。

4结论

1）水洗牵伸工序采用较低牵伸倍数，一般在2.0~3.0之间；在低温下牵伸时可以获得较高沸水收缩率的湿纤维，牵伸温度低于90℃。

2） 牵伸后迅速进行凉水喷淋，并减少卷曲蒸汽会减少沸水收缩率在生产过程中的损失。

3） 降低蒸汽靴蒸汽流量、烘干温度或减少烘干时间，都会使沸水收缩率得到较好的保持。但为保证纤维回潮指标不超标，宜使用将蒸汽靴流量控制在500kg/h以下，烘干时间控制在8 min~10min，烘干温度在100℃~120℃。

参考文献：

[1]董纪震，赵耀明.合成纤维工艺学[M](上、下册).北京:中国纺织出版社,1996.

（作者单位：中国石油化工股份有限公司齐鲁分公司腈纶厂生产技术部）

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文