皮芯状抗紫外聚酯纤维的工艺研究

皮芯状抗紫外聚酯纤维的工艺研究

王列君，赵文球，付子波，王乾琛，陈建军，莫克奇

（荣盛石化股份有限公司，浙江 杭州  311247）

摘 要：本文探讨在聚合工艺的酯化-缩聚阶段添加复合抗紫外剂等助剂来制备抗紫外聚酯熔体，使用具有螺旋形熔道的纺丝组件，纺制表面皮层有较多功能组分的皮芯状功能性聚酯纤维。结果表明：本项目制造的抗紫外聚酯可纺性能优良，制得的纤维功能组分聚集在表层，其后加工性能优良，纤维形成的织物紫外线屏蔽效果良好。

关键词：聚对苯二甲酸乙二醇酯 功能性聚酯 抗紫外 皮芯状

紫外线能使许多物质激发荧光，很容易让照相底片感光。当紫外线照射人体时，能促使人体合成维生素D，从而防止患佝偻病，紫外线还具有杀菌作用，但过强的紫外线或者长时间的照射又会伤害人体健康，造成各类皮肤癌、色斑癌等疾病的发病几率上升。在现代生活中，户外运动越来越成为人们普遍的休闲方式，环境的现实因素和人们健康意识的提高，对防紫外线的织物产品需求也日渐增长。

获得抗紫外线功能最简单的办法是整理涂覆法，即通过在纺织品表面涂一层紫外线防护膜获得，这样的做法工艺简单、成本低，但是该方法的缺点也很明显，会使织物手感变硬、耐洗性变差、穿着时有闷热感。在聚酯熔融纺丝过程中添加一定量的紫外线隔离因子及相应改善聚酯长丝物理性能的材料，通过其在长丝内部的分布，对紫外线的辐射进行反射和屏蔽，使其不能透过织物到达人体，达到抗紫外线的效果，其抗紫外线效果好，屏蔽率高，使用效果持久，达到了防暑和保健的功效。它既能与棉、毛、丝、麻及化纤类短纤混纺也能纯纺，可广泛适用于机织、针织等多种制造工艺。

通过在聚酯产品中引入含有白炭黑纳米粉体、有机化碳酸钙晶须、有机化纳米蒙脱土以及对羟基苯甲酸、光稳定剂及紫外光吸收剂的复合抗紫外剂，来合成具备较好抗紫外线性能的共聚酯，将共聚酯的熔体通过熔体直纺技术，使用具有螺旋形熔道的纺丝组件，最终制得表层具有更多功能性组分的皮芯状抗紫外线聚酯纤维。

1  实验

1.1  原料

精对苯二甲酸（PTA）：纤维级，宁波中金石化有限公司生产；乙二醇（EG）：纤维级，浙江石油化工股份有限公司生产；三氧化二锑：锡矿山闪星锑业有限责任公司生产；二氧化钛：河北惠尔信新材料有限公司生产。

1.2  生产设备及测试仪器

纺丝设备：BARMAG公司；卷绕设备：BARMAG公司；加弹设备：BARMAG公司；条干均匀度测试仪：瑞士USTER公司；强伸度测试仪：德国Textechno公司；热应力仪：美国lawson公司；核磁共振分析仪：德国BRUKER公司。

1.3  抗紫外聚酯的制备

将白炭黑纳米粉体、有机化碳酸钙晶须、有机化纳米蒙脱土、紫外吸收剂等在70℃条件下密闭搅拌球磨机研磨反应3小时，制得一种复合抗紫外剂；在聚合酯化反应后期添加前述抗紫外剂，在283℃、绝对压力100Pa以下进行缩聚反应，至熔体粘度符合工艺要求后出料，制得一种抗紫外功能共聚酯。

1.4  皮芯状抗紫外聚酯纤维的制备

以共混纺丝技术物理添加抗紫外剂的方式制造抗紫外线聚酯长丝，由于抗紫外剂的添加引入，使聚酯纤维强度趋弱，毛丝、断丝增多，可纺性出现一定程度的下降。为了有效的降低生产成本，通过专利技术对常规的纺丝组件进行了改良，在喷丝孔的前部安装了带有螺旋形熔道的锥体，纺制出表面皮层有较多功能组分的皮芯状抗紫外聚酯纤维。

1.5  工艺流程

抗紫外聚酯纤维制造流程：

抗紫外共聚酯熔体—纺丝箱体—改良组件—拉伸冷却—上油—预网络—第一热辊—第二热辊—主网络—卷绕成形—FDY

2  工艺条件的探讨

2.1  箱体温度

箱体温度的高低直接影响到流向组件的熔体的流动性及熔体挤出组件时长丝的成型。箱体温度过低时，会使熔体的流动性和均匀性变差，造成断头和毛丝情况的增加，同时纤维断裂强度变大、断裂伸长率变小，对下游客户使用造成不良影响；但当熔体温度过高时，聚酯长链容易断裂发生热降解，使熔体粘度降低，造成毛丝和断头增加，可纺性变差，严重时无法连续生产。表1为不同箱体温度对纺丝生产状况的影响，由表可知：温度过高或温度过低均会使纺丝断头次数增加和满卷率降低，因此选择284-288℃的箱体温度对于纺丝生产最为有利。

表1不同箱体温度对生产状况的影响

2.2  纺丝组件

喷丝板的设计开发对于成功制造皮芯状抗紫外聚酯纤维起到关键性的作用。聚酯熔体中添加的功能性组分属于无机物，不参与聚合反应，这部分纳米颗粒容易团聚，形成一种尺寸较大的、内部存在弱连接界面的团聚体，虽然经过有机化修饰后可以较明显的改善上述缺点，但其分散均匀性仍存在一定不足，对于纺丝生产有不利影响，容易导致断头。

为了进一步降低添加组分对聚酯熔体的可纺性影响，对喷丝板进行了改良，即在喷丝孔前部安装带有螺旋形熔道的锥体；含功能组分的聚酯熔体在高温高压作用下，通过圆锥体表面的螺旋形熔道，高速流动旋转进入喷丝孔，从喷丝孔喷出形成纤维。由于熔体高速旋转产生巨大的离心作用以及在趋肤效应的共同作用下，迫使熔体中的功能组分向圆锥体边缘表面聚集，并沿着边缘表面从异形喷丝孔中喷出，形成表面皮层有较多功能组分的皮芯状抗紫外聚酯纤维。

2.3  冷却条件

丝条离开喷丝板后会经过一段无风区后进入冷却区域，此过程中无风区长度、冷却风风速及温度都会对丝束凝固成型产生重要影响。冷却风常用的有侧吹风和环吹风两种方式：其中侧吹风容易使丝束因冷却不均匀而导致物理指标的不稳定；环吹风可以极大地提高单丝表面温度下降速度的均匀性，保证了丝束的各项物理指标的稳定。基于上述原因，选择环吹风的方式对丝束进行冷却的效果较好。

冷却风温度必须较低且与喷丝板表面温度、熔体温度关联，冷却风温度控制对于长丝的成型与拉伸的影响很关键。冷却风的温度偏高时，丝束冷却过程减缓，结晶速率增加，会产生大量结晶，容易导致拉伸困难而断头；当冷却风温度过低时，丝束因冷却速度过快而使纤维模量变大，引起拉伸困难。从表2可知：冷却风温度过高或过低均会使纺丝断头次数增加和满卷率降低，因此冷却风温度设在19-22℃比较有利于纺丝生产。

表2  不同冷却风温度对生产状况的影响

2.4  上油方式及上油量

在聚酯纤维的生产制造中，油轮上油和油嘴上油是比较常用的两种上油方式。其中油轮上油方式由于整个油轮被油剂浸润，与丝束的接触面积大，转动速度与丝束移动速度也存在差异，摩擦力较大，容易产生毛丝；油嘴上油方式，油嘴与丝束的接触面积很小，油剂出来后直接到丝束上，摩擦力较小，因此选择油嘴上油的方式更有利于生产状况的稳定。上油量过少，会导致丝束因静电和摩擦产生毛丝及飘丝，最终成品的集束性差；上油量过高，不仅使生产成本增加，还会导致油污丝增多，影响下游织造客户的使用。经试验后综合考虑采用0.9%左右的上油量进行生产。

2.5  纺丝速度

纺丝速度也称卷绕速度，对最终产品质量有着重要的影响。提高卷绕机的运行速度可以提高产量，提升生产效率，但随着纺丝速度的提高，丝束的卷绕张力也逐步提高，会使卷绕成形不良，导丝器等丝束接触部件的磨损加快，容易产生毛丝，对下游客户的加工造成不利影响。在综合考虑产品种类、设备性能及下游客户的需求等因素后，采用4900m/min的纺丝速度较为适宜。

表3  不同纺速对生产状况的影响

2.6  FDY产品

经过前述工艺多次试验后，制得的皮芯状抗紫外FDY物理性能指标如表4所示。

表4  皮芯状抗紫外FDY性能指标

2.7  结论

(1) 带有螺旋形熔道的纺丝组件可以有效地将功能组分往纤维表层聚集，在功能组分添加量较低时即可达到预期效果，从而减少添加物对聚酯纤维的不利影响。

（2）最终制得的皮芯状抗紫外聚酯纤维，既保有常规聚酯纤维的性能，又具有良好的抗紫外性能，其应用前景广泛。

参考文献：

[1] 瞿和生.抗紫外聚酯纤维的制备和性能[J].科技进展，2012，26(5):1～3，6.

[2] 陈康，易志文，周桂强等.抗紫外老化高强聚酯纤维的制备与性能研究[J].合成纤维工业，2017，40（5）：1～6.

[3] 钱伯章.未来十年全球涤纶发展趋势[J].合成纤维，2010,41（9）：52-53.