聚丙烯流变性能及中空纤维纺丝工艺研究

严 岩，闻秀银

(1. 中国石化仪征化纤有限责任公司研究院，江苏仪征 211900； 2. 江苏省高性能纤维重点实验室，江苏仪征 211900)

填充纤维主要指充填被絮、垫絮、枕芯、服装、玩具中的一种高蓬松、柔性、弹性的纤维材料，主要功能和特性是保暖、蓬松、弹性、质轻和卫生[1-2]。填充纤维主要有涤纶、羽绒棉、丙纶三种，其中涤纶用量最大。目前涤纶填充纤维产品纤度通常为3～20 dtex，具有三维卷曲和蓬松性；3 dtex以下细旦涤纶填充料手感柔软，但很难制备出中空产品，缺乏蓬松和回弹性。

本文利用聚丙烯纺丝原料，研究原料性能及细旦中空聚丙烯制备工艺，制备1.33 dtex细旦中空丙纶填充纤维，兼具蓬松性、柔软性和保暖性，同时还有轻型、卫生、无有害物质滞留利扩散、耐洗涤、不虫蛀霉变等特性[3-4]，以代替细旦涤纶填充料用于服用、家纺用填充纤维。

1 试 验

1.1 原料

本实验所用原料及物性指标如表1所示。

表1 试验原料

1.2 仪器设备

本实验所用仪器设备如表2所示。

表2 试验仪器设备

1.3 实验过程

1.3.1 纺丝

使用熔指15 g/10 min和25 g/10 min的聚丙烯进行中空聚丙烯纤维纺丝研究。进料螺杆和熔体管道温度270 ℃，纺丝箱体温度为270 ℃。纺丝组件为24 f中空喷丝板，喷丝孔长0.8 mm，2C和3C两种；均装砂60～80目100 g，预热290 ℃，纺丝速度为1 100 m/min。

1.3.2 牵伸

牵伸水浴槽(DB槽)温度：65 ℃；二牵蒸汽热箱温度：85 ℃；三牵六辊温度：70～90 ℃；紧张热定型温度：90 ℃；SE松弛链板温度：60 ℃/70 ℃/70 ℃。牵伸倍率3.6倍。

1.4 分析测试

流变性能测试：将聚丙烯进行熔体流变性能测试，毛细管流变仪表观剪切速率为250～10 000 s-1，温度245～275 ℃，毛细管口模直径1 mm，长径比L/D=16，入口角90°。

纤维力学性能测试：根据GB/T 14344—2022《化学纤维 长丝拉伸性能试验方法》测试力学性能，根据GB-T 14337—2008《化学纤维短纤维拉伸性能试验方法》测试短纤维力学性能。

中空度测试：采用剪纸称重法，在厚薄均匀的白纸打印纤维截面照片，用剪刀剪裁纤维截面，称重计为G，再剪裁出中空部分，称重记为G1，中空度即为W=(G1/G)×100%。

2 结果与讨论

2.1 聚丙烯流变性能

式中K为流体稠度系数，n为非牛顿指数。当n=1时，方程即为牛顿流体黏度方程，K即为流体黏度。因非牛顿流体的n≠1，故仿照牛顿流体的黏度表达，可改写为如下：

图1 聚丙烯熔体表观黏度随剪切速率的变化关系

2.1.1 熔体非牛顿指数n

图2 聚丙烯熔体的关系

表3 聚丙烯熔体的非牛顿指数n

2.1.2 熔体结构黏度指数Δη

熔体的结构黏度指数Δη是评价可纺性的一个重要指标，其定义式如下：

图3 聚丙烯熔体的lgηa-γ1/2关系

表4 聚丙烯熔体的结构黏度指数Δη

2.1.3 熔体黏流活化能ΔEa

熔体黏流活化能ΔEa是描述熔体黏度-温度依赖性的物理量，对纺丝温度调节具有重要的参考作用。高分子熔体的宏观流动本质上是由其链段的相继蠕动跃迁来实现的，因此其熔体黏度ηa与温度的关系和小分子流体具有相似性，都遵循Arrhenius定律，可表达为如下公式：

η=AeΔEη/RT

其中A为常数，R为气体常数，8.314 J/(mol·K)，T为熔体温度,K。因此以lnηa对1/RT作图，由线性拟合获得的斜率值可计算出Ea。图4为PP熔体在不同剪切速率下的lnηa-1/RT关系，可以看出线性关系良好，经拟合计算获得的Ea值列于表5。

图4 聚丙烯熔体的lnηa-1/RT关系

表5 聚丙烯熔体的黏流活化能ΔEa值

从表5可以看出，两种熔体的黏流活化能均随着剪切速率的增大而减小，即在高剪切速率下，熔体黏度受温度的影响较小，这主要是因为熔体在高剪切速率作用下，内部高分子所形成的网状结构的解缠结趋势大于其重组，进而减小了链段迁移的阻力。ΔEa值较小，表观黏度受温度的影响小，高剪切速率下，ΔEa值更小，表观黏度受温度影响更小。

2.2 纺丝成形影响因素研究

2.2.1 聚丙烯熔指对纺丝成形影响

使用3C孔型中空喷丝板，研究熔指大小对纤维成形的影响。原丝指标如表6所示。

表6 不同熔指原丝指标

图5 不同熔指原丝截面显微镜照片(放大倍数200倍)

通过剪纸称重法计算出1#聚丙烯纤维中空度17.5%，2#聚丙烯纤维中空度14.8%。熔指小的聚丙烯，熔体黏度大，纤维强度大，中空度高。熔体黏度小，熔体出喷丝孔后膨化现象大大降低，熔体形变阻力下降，表面张力也随之下降，使熔体细流产生表面萎缩，从而使空腔部分变小，所纺纤维中空度降低；熔体黏度大，熔体形变阻力和表面张力大，有利于中空的形成[5]。

2.2.2 风速对纺丝成形的影响

使用熔指15 g/10 min聚丙烯，2C和3C孔型中空喷丝板，研究冷却风速对纤维成形的影响。原丝指标如表7所示。

表7 原丝力学指标

冷却风速对丙纶纤维力学性能影响较大，提高冷却风速，纤维强度和伸长率均变大，牵伸性能变好。快速冷却条件下，原丝易形成不稳定的β型晶体结构，伸长率高，有利于后牵伸处理；冷却速率慢，易形成稳定的α型晶体结构，不利于牵伸[6-7]。

图6 不同风速制备原丝截面显微镜照片(放大倍数200倍)

冷却风速1.5 m/s，纤维中空度17.5%，冷却风速0.5 m/s，纤维中空度15.2%。提高冷却风速，中空度略大。风速对熔体细流与周围空气的换热效果影响较大，风速提高，熔体细流的固化速率加快，使得在纺程上形成的空腔部分来不及萎缩而快速固化，形成中空纤维内空腔，所纺纤维中空度高[8]。

2.2.3 喷丝孔结构对纺丝成形影响

原丝力学指标如表8所示，纤维截面照片如图7所示。

图7 不同喷丝板原丝截面显微镜照片(放大倍数200倍)

表8 不同孔型原丝指标

不同孔型纺制纤维的强度和伸长率变化较小，说明中空喷丝孔结构对力学指标影响较小。3C喷丝板纺制纤维中空度17.5%，2C喷丝板纺制纤维中空度13.4%。3C喷丝板纺制纤维空腔呈三角形状，支撑性好，中空度略大。2C喷丝板纺制纤维呈橄榄球状，熔体出喷丝板后易变形，导致中空度下降，纤维中空结构变差。

2.3 纤维填充性能评价

使用15 g/10 min聚丙烯原料、1.5 m/s侧吹风、3C喷丝孔纺制1.33 dtex细旦中空聚丙烯短纤维，使用该丙纶短纤维开松充枕，使用350 g中空聚丙烯短纤维与550 g 1.33 dtex填充型涤纶短纤维充枕高度相当，聚丙烯短纤维填充量少，有一定的三维卷曲效果，蓬松性能较好。聚丙烯短纤维具有填充用量小，体积大，重量轻的优点。

表9 聚丙烯纤维与涤纶充枕高度比较

3 结 论

a) 聚丙烯非牛顿特性较高，表观黏度受剪切速率的影响大。非牛顿指数及结构化程度随温度变化不大，可纺性及纺丝稳定程度较好。黏流活化能较小，表观黏度受温度的影响小。

b) 使用较高黏度的聚丙烯，熔体形变阻力和表面张力大，有利于中空结构的形成；提高冷却风速，冷却速率快，原丝易形成不稳定的晶体结构，纤维伸长率高，有利于牵伸，且中空度较大；使用3C孔型喷丝板有利于纤维中空结构形成，提高纤维中空度。

c) 与1.33 dtex涤纶填充短纤维相比，中空聚丙烯纤维蓬松性能较好，填充使用量小。