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浅谈异形截面涤纶长丝产品的开发与应用
发布时间：2009-7-30 10:49:08
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一、前言
不同种类天然纤维的截面有各自不同的形状，如棉花纤维的截面是不规则的腰圆形，且断面中心有一干涸的空腔；羊毛纤维的截面近似圆形或椭圆形，外层覆有鱼鳞般的鳞片；桑蚕茧丝截面呈不规则的椭圆形，由两根丝素外覆丝胶组成，除去丝胶后的单根丝素截面呈不规则的三角形；而柞蚕茧丝截面扁平呈长椭圆形，丝胶三角形也较扁平，似牛角，其内部有细小毛孔；苎麻纤维截面大多呈腰圆形，有中腔，胞壁有裂纹；亚麻和黄麻的截面呈多角形，也有中腔；这些不同截面的纤维与它们各自独特的性能紧密相关。
    化学纤维的截面形状以圆形为多，为了改善化学纤维的性能，各种仿天然纤维截面的化学纤维也就应运而生，其截面形状已是多种多样，诸如不规则的锯齿形、扁平的马蹄形、犬骨形、豆形等。随着异形纺丝技术的推广和应用，化学纤维截面形状几乎已到随心所欲的地步，如三角形、三叶形、十字形、T形、H形等等。这些异形纤维的截面形态不是实心的圆形，生产中多采用异形孔喷丝板纺丝而成，其目的是改善化学纤维的手感、光泽、吸湿性、蓬松性等特性。其中，异形截面涤纶长丝的生产及其在面料中的应用，一直是受到业界高度重视的热门话题。
二、异形纤维的出现与开发起源
随着人们对纺织产品要求的变化，仿天然纤维截面的化学纤维也就出现了，而且其截面形态更是多种多样，诸如不规则的锯齿形、扁平的马蹄形、犬骨形、豆形等等。其实，最早生产的化学纤维其截面形状主要是以圆形为主。随着异形技术的推广和应用，化学纤维截面形态几乎已到随心所欲的地步，如三角形、三叶形、十字形、T形、H形等等。这些纤维的截面异于圆形的化学纤维就是异形纤维，它是指纤维截面形态不是实心的圆形，生产中可采用非圆形孔眼喷丝板纺丝制造，其目的是改善化学纤维的手感、光泽、吸湿性、蓬松性等等特性。由于截面形状的变化，使纤维间的摩擦力发生了变化，同时对人体皮肤的接触面积也产生差异。对于不同的截面形状，在触摸时会给人以或干爽，或粗犷，或细腻，或滑柔的感觉。
异形纤维最初由美国杜邦公司于上世纪50年代初推出三角形截面，继而，德国又研制出五角形截面。上世纪60年代初，美国又研制出保暖性好的中空纤维。日本从上世纪60年代开始研制异形纤维。随之，英国、意大利和前苏联等国家也相继研制该类产品。由于异形纤维的制造以及纺织加工技术比较简单，且投资少，见效快，因此发展也比较快。我国异形纤维的研制是在上世纪70年代中期。在喷丝板制造方面改进了加工技术，提高了板的可纺性。在纺丝方面，已有了成熟、完整的工艺。在纺织产品方面主要是以仿各种天然纤维为主。
三、异形截面纤维的物理特性
与圆形截面纤维相比，异形纤维具有不同的光泽效应，例如三角形截面，光照射在其上时，可在纤维内部的棱边上产生全反射，然后再从另外的棱边上透射出去，这样在产生全反射的棱边处光泽就弱，而其他棱边处的光泽就强。当入射角改变时，产生全反射的棱边也会改变，从而产生“闪光”效应。另外由于三角形的棱镜作用，使光线射出来时产生色散效应，尤其是中空型的三角形纤维，它的光泽效应更好。
    圆形截面纤维织物常有一种似蜡状物的软滑手感，而异形截面纤维的织物，由于纤维的表面积增大，特别是纤维的摩擦系数随着纤维截面的变化而变化，纤维静、动摩擦系数的差值相应增大，从而改变了织物的蜡状感。纤维间的抱合力增大，织物的起毛起球性能有所改进，蓬松性、透气性也有一定的提高。
    异形纤维由于表面积增大，染色速率可获提高，对光线的反射增大，因此从视觉效应来说，在相同染料吸着量的情况下，得色显得稍浅，所以要得到同样深度的染色物，在染异形截面纤维时必须比圆形截面纤维多用染料10％～20％，异形截面纤维的染色鲜艳度较高。
    在生产实践中，人们发现，普通三角形截面有真丝光泽和风格，等边三角形截面比普通三角形截面光泽好、蓬松性大，星形截面有金刚石般的光泽，不规则圆形截面具丝胶风格，锯齿圆形截面有抗闪光效果，月牙形截面可提高吸水性，“L”形截面吸湿性更好，具砂砾风格；多孔截面质轻柔软，有消光效果；“C” 形和环形截面质轻、消光、柔软，长形截面有麻样风格、藤竹外观；等腰三角形截面能提高压缩弹性，不易脏污，用于生产地毯；四孔方形截面压缩弹性高保温性良好，作地毯用；中空形和断环形截面质轻、具蓬松性、压缩弹性高，保温性良好；不规则三角形截面具皮革外观，作箱包材料；不均匀中空形截面具草的外观，作铺地草垫；“刀形”截面具藤的外观，作藤椅用；扁形截面易粘附紫菜等海藻，在养殖场用；弯曲形截面有草的外观，作人造草坪用；单孔、多孔混合形截面能提高保温性，作保温材料用等等。
四、异形截面涤纶的生产工艺
1.异形截面涤纶POY纤维的生产工艺
国内一些企业开发涤纶POY 167dtex/73f双园十字异形截面纤维，采用普通纤维级半消光聚酯切片，工艺流程为聚酯切片一预结晶一干燥一螺杆挤压机一预过滤器一计量泵一纺丝组件一冷却固化一上油卷绕一平衡一包装。由于异形截面POY丝比表面积大，表面张力也大，故纺丝工艺条件较难控制，若熔体温度太高，纺丝粘度降增大，易飘丝、断头、可纺性差；若熔体温度太低，则熔体粘度太大，喷丝孔剪切粘度较大，造成纤维出孔时的膨化效应大，变形较严重，无法得到满意的截面，可采用比普通截面丝高2～3℃，熔体温度292℃为好。
    由于异形截面丝的表面张力较圆形截面丝的大，熔体喷出细孔后，因表面张力的作用，使得风速的设定对异形丝的异形度影响很大。如风速小，丝条凝固速度慢，不利于异形度的保持；如风速太大，湍动因素增加，这就会引起丝条不可控制的振荡和飘动，导致飘丝断头增多，当侧吹风速在0.4～0.5m/s时，截面形状最好。

    纺丝速度的高低对异形纤维的截面形状有很大的影响，速度越高，纤维的取向结晶不完全，其截面形状不规则，异形度差异大。采用较低的纺丝速度2900m/min，可降低卷绕张力和喷丝头拉伸倍数，改善POY丝的取向结晶度，确保异形丝的异形度差异小，截面形状稳定。
    此外，适当提高集束点位置，能降低纺丝张力，提高可纺性和异形度的均一性，同时注意各工艺条件的互相匹配、对比优化，以提高其后纺织加工性能。
    国内还有企业开发五叶形截面涤纶POY丝，纺丝温度控制在297～300℃，在喷丝板附近设置纺丝隔板延缓冷却，侧吹风速0.30～0.40m/s，纺丝速度2700～3000m/min，以超喂率1.O％～1.5％进行卷绕，在常规的细旦生产装置上开发出优质的五叶异形纤维。
2.异形截面涤纶DTY低弹丝生产工艺
国内一些企业开发异形截面分散染料常压易染涤纶DTY低弹丝，采用三叶、五叶、同板异形三种异形截面的POY丝为原料，在不同型号加弹机上，进行拉伸假捻变形，工艺流程为POY原丝一第一罗拉一第一热箱一冷却板一假捻器一第二罗拉一第二热箱一第三罗拉一上油辊一卷绕辊一DTY丝。在假捻器的选择上，考虑到使用全陶瓷摩擦盘对丝条损伤厉害，毛丝降等多，可使用聚氨酯摩擦盘，采用皮圈式摩擦假捻器，使得假捻和缓，对丝条损伤小，不会形成“雪花”，对原丝的适应范围宽，既能用来加工单丝纤度较细的弹力丝，又能适应单丝纤度33dtex以上的粗特丝条，另外，还适合于加工混纤丝、差别化和功能化纤维。
    变形速度越高，丝条所受的假捻张力越高，对丝条的磨损也就越大，毛丝、断头随之增加。另外，假捻张力大，加捻解捻运转体系不稳定，对有内在质量缺陷的POY丝，容易造成丝束假捻不匀、不充分，采用变形加工速度为400～550m/min时效果较好。
    拉伸倍数增加会导致DTY低弹丝断裂强度增加、断裂伸长率下降，但过高的拉伸倍数会造成毛丝、断头多，而过低的拉伸倍数使得假捻张力低，使得假捻器下方捻度不能全部消除，纤维会粘在一起形成紧点，从而使纤维的蓬松性变差，选用1.60～1.75的拉伸倍数较好。
此外，选择合适的变形温度，如第一热箱温度选用160～180℃，比常规纺丝后加工低一些，第二热箱温度选用140～165℃为佳，这都与分散染料常压易染切片中含有柔性链节有关，由此可开发出性能优良的异形截面分散染料常压易染涤纶DTY低弹丝。使用这类异形截面涤纶DTY低弹丝，在剑杆织机和双面大圆针织机上开发出纯纺和混纺织物，服用性能优良，有高档面料感。
3.异形截面涤锦复合纤维截面形状变异的预防和控制
复合纤维是近年发展起来的一种新型差别化纤维，由于它的单丝纤度小，表面积大，具有常规纤维不具备的诸多优异性能，所以用该纤维开发的织物具有质地柔软、手感滑糯、光泽优雅以及良好的悬垂性、透气防水性。可制得许多高性能、高附加值的产品，应用前景十分广阀。将两种不相容的高聚物在纺丝过程中复合，丝条在冷却、拉伸、织造过程中都保持原有的截面形状，当加工成织物后，再采用物理或化学方法剥离成为超细纤维。因此，纤维生产过程中必须严格控制复合比，才可能确保纤维质量。
目前稳定的生产过程中，判定纤维复合质量较为实际简便的方法，是通过显微镜来观察无油丝的端面形态结构，异形截面是否规整，截面形状的变异程度是否超过正常的范围，并以此来判定涤锦复合比是否正常。以剥离型涤／锦复合纤维为例，复合比正常对，PET／PA6端面形状界面清晰、异形截面规整；复合比不正常时，端面形状界面不清晰、异形截面发生变异、有残缺或实心等。涤锦复合POY丝强伸变异系数随着无油丝截面形状变异而发生较大的改变，这主要是因为截面残疵、形态结构不均匀的丝在拉伸过程中，碰到结构薄弱处极易发生断裂，从而导致丝条的变异系数很大。截面形状变异的POY在实际加弹生产过程中，极易发生提前开纤现象，甚至产生毛丝，其加弹运转断头率极高，DTY满卷率大幅下降，纤维染色条花较明显，产品的一等品率也很低。
故在实际生产过程中，除了要对POY物理、外观指标进行把关外，还必须对复合质量进行监测，及时把截面严重变异的POY与异形截面正常规整的POY有效隔离，才能有利于后加工的顺利进行，真正提高最终产品质量。影响复合纤维异形截面形状变异的因素较多，但其中复合纺丝组件及喷丝板纺丝温度、冷却成形条件等对其影响更为显著。为此，生产过程中对组件的组装、分解、清洗及组件装配等工作都必须有严格的操作程序要求；严格控制已经上机使用很长时间且有变形的喷丝板再上机使用。对纺丝温度、冷却成形条件、加弹运转等工艺均应严格控制，从而异形截面形状的规整度。
五、异形截面涤纶纤维开发的纺织品
1.异形截面涤纶纤维开发凉爽型和保温型面料
国内一些企业开发出导湿快干针织内衣面料，其中包括适宜春夏服用的凉爽型导湿快干织物，以及适宜秋冬季节穿着的保暖型导湿快干内衣面料。上述两种类型面料选用的原料、织物组织结构以及整理工艺各有不同，但它们有一个共同点，即织物的反面(贴身的一面)全部或者部分采用具有高导湿的异形截面涤纶纤维构成，因而具有良好的导湿快干的性能。
    凉爽型导湿快干织物是由吸湿纤维与高导湿纤维间隔排列，借助于导湿纤维沿纤维纵向沟漕，通过毛细管芯吸作用，迅速将体肤表层汗液沿纤维纵向沟漕向织物平面方向传递，并被邻近的吸湿纤维所吸收，不断向周围环境挥发，使服装贴身一面经常保持干爽状态，达到改善服用性能的目的。
    该织物可以在单面及双面针织机上编织，在单面纬编机上由吸湿与导湿纤维两组纱线不同进纱配置及三角排列，使导湿纤维形成的线圈与吸湿纤维形成的线圈合理组合，从而在针织物的布面形成上述两种不同的线圈结构；在双面针织纬编机则可以利用抽针方式并结合穿纱配置，实现上述两种纱线线圈的不同组合，达到有效的导湿快干的效果。
    保暖型导湿快干织物适宜秋冬季节穿着的服装使用，其织物正面由细旦腈纶纤维形成，织物反面由四沟漕异形涤纶纤维形成高导湿层，正反面各自形成平针线圈，中间则由1.67tex(15旦)锦纶形成集圈，编织时适当控制并加大输线张力，将正面吸湿层与反面导湿层在集圈处紧密地捆扎在一起，这样结构有利于汗液的传送与挥发。贴身的异形截面涤纶纤维通过毛细管芯吸效应使汗水沿纤维纵向沟漕传递，并通过沿织物正反面在集圈捆扎纱作用下紧密接触，汗水通过浸润作用迅速由正面线圈吸收并及时挥发排放，达到导湿快干的要求。
2.异形截面涤纶长丝与氨纶混纺生产凉爽牛仔面料
顺德金纺集团与东华大学合作开发的异形截面涤纶长丝纤维Coolnice，每根单纤周围存在四条微管道，使纤维间产生较大的空隙而具有良好的毛细效应，润湿蒸发面积显著增大，水分的扩散和干燥速度大大增强，从而具有良好的吸湿、排湿和导湿功效，同时由于汗水的大量蒸发带走人体部分热量，使得体表温度有所下降，从而使人有凉爽的感觉，故被称为吸湿导汗凉爽纤维。莱卡Lycra是美国杜邦公司研制生产的聚氨酯弹性纤维，它具有很好的弹性、伸展性、稳定性等，可使织物具有伸缩自如、轻盈透气、舒适耐用、易于染整等特性。莱卡纤维具有比其他纤维更好的拉伸和回弹力，尤其是莱卡丝应力一应变较为平坦，说明莱卡产生的变形能在较短时间内几乎完全恢复原状，达到定形后控制织物弹性的目的，使织物幅稳定，提高了织物表面的平整度，丰富了弹性织物的手感。Coolnice—Lycra凉爽牛仔面料兼具涤纶长丝和氨纶两种原料的特点，丰富了牛仔布的品种。
    选用优质的转杯纱作经纱，以Coolnice DTY和Lycra捻丝作纬纱，经纬纱细度为36．4tex×150D(Coolnice DTY)+70D(Lycra)，生产工艺流程为经纱络筒－整经－浆染－穿经－与纬纱合并－织造－坯布－后整理一成品一入库，染色工艺流程为经轴一润湿处理一染色氧化(重复5次)一水洗(3道)。采用剑杆织机织造，由于牛仔布是高经密织物，宜采用早开口、高后梁织造以得到清晰织口，有利于剑头运动和打紧纬纱。后整理工序为烧毛一上浆一整纬(拉斜)一预烘一预缩一烘燥。由于牛仔布未经退浆、煮练、丝光等前处理直接进行上浆、预缩等整理，织物的吸水性很差，因此在预缩前用一般的喷雾给湿无法获得一定的含湿率，可采用二浸二轧方式以获得良好的上浆效果，使预缩整理顺利进行。
    Coolniee—Lyera凉爽牛仔面料有良好的透气性和渗湿控制，令牛仔布凉爽、舒适、透气、不粘身，价格仅为国外同类产品的三分之一，可谓价廉物美，深受消费者的欢迎。
六、异形截面涤纶长丝纤维应用领域广泛
    由于异形截面涤纶长丝纤维具有特殊的光泽、蓬松性、抗起球性、回弹性、吸湿性等特点，所以大量用于各种仿毛、仿丝、仿麻产品中。异形截面涤纶长丝纤维按用途和截面形态的关系，主要有以下四大系列：其中三角形系列的异形截面涤纶长丝纤维主要适应要求有闪光效应的仿丝绸织物、仿毛织物、灯芯绒、平绒等绒类织物、毛线、装饰织物等；中空形系列异形截面涤纶长丝纤维主要适应仿毛织物、保暖制品、工业用制品、装饰织物等；多角或多叶形系列异形截面涤纶长丝纤维主要适应仿毛、仿丝、仿麻织物等；扁平形系列异形截面涤纶长丝纤维主要适应仿毛、仿麻等织物。
    异形截面纤维最初由美国杜邦公司于50年代初推出三角形截面，继而，德国又研制出五角形截面。60年代初，美国研制出保暖性好的异形截面中空纤维。日本从60年代开始研制异形截面纤维随之英国、意大利和前苏联等国也相继研制。由于异形截面纤维的制造及纺织加工技术较简单，且投资少，见效快，因此发展很快。我国异形截面纤维的研制是在70年代中期，在喷丝板制造方面改进了加工技术，提高了可纺性。在纺丝方面，已有了成熟、完整的工艺，在纺织产品方面主要是以仿各种天然纤维为主。随着各种新型织物的出现，异形截面涤纶长丝纤维使用量也越来越多。生产中异形截面涤纶长丝纤维的用量要控制适当，一般混用量不超过30％。这样的织物不仅具有特殊的功能和风格特征，而且还可降低成本。此类织物广泛可作服装衣料，也可用作挂、垫、罩、靠、套等装饰织物。
七、结束语
随着人民生活水平的不断提高，纺织行业对异形纤维的需求更加迫切，目前，国内纺织用的异形纤维大部分都是依赖于进口。对于未来，异形纤维因具有很多优良特性和风格，故其用途日渐广泛，无论是在服装与地毯方面，还是在非织造布方面，都有着非常广泛的用途，甚至还涉及到了工业与卫生等领域。在此，特别要提醒化纤行业的开发人员，加大产品开发力度，调整产品结构，开发多用途、高附加值的产品来。对于今后的化纤产品如果想与天然纤维相媲美，就必须借鉴天然纤维的外观，仿造天然纤维的形态，在化纤领域逐渐开发出形态各异、更加逼真的异形纤维来。这样，化纤行业的产品才能够在日趋竞争激烈的国内外市场上立于不败之地，才能够赢得更多的用户。