內三葉形滌綸基復合導電長絲的結構設計

焦紅娟,李 睿,武術方,李紅彬,鄭曉頔

(中國紡織科學研究院有限公司 生物源纖維制造技術國家重點實驗室,北京 100025)

近年來,導電纖維的研究和應用已逐漸達到成熟階段。導電纖維不僅可以用于消除電磁波的靜電吸收,還因其優良的導電性和柔韌性在智能紡織品領域有很大的應用前景,是制備柔性傳感器的重要材料之一。滌綸基復合導電纖維開發較容易且耐久性優良,是目前常用的導電纖維品種。常規的滌綸導電纖維截面為皮芯結構或點狀等結構,導電層暴露在纖維的外層,導電機理為在纖維表面傳導電荷并通過接地處理將電荷耗散[1-4]。但實際生活及工作環境中有些場合無法進行靜電接地處理。為解決這一問題,本項目組計劃開發一種特殊截面形狀的復合導電纖維,即內層為導電組分的內三葉形,外層由滌綸基包裹。這種特殊截面的復合導電纖維制備成防靜電織物時,即使在無有效接地的情況下使用,其表面電荷仍可通過電暈放電向空氣中電離。具體說來,內三葉形復合導電纖維將表面電荷引入其獨特的內三葉形芯層中,而內三葉的尖端處曲率半徑很小,電場易于集中在尖端處,形成不均勻的電場,從而持續產生微弱的尖端放電現象,不斷地將表面電荷耗散,從而達到靜電防護的效果。

目前,在國際市場上內三葉形導電纖維已有巴尼特公司在生產和銷售,主要用于工業防護、復印機刷及智能紡織品等領域,而國內市場上仍以皮芯形及點狀的復合導電纖維為主[5-7],內三葉形導電纖維仍處于研究階段。

作者設計了一種特殊結構的內三葉形導電纖維,以聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)切片為外層,以錦綸導電母粒為芯層,采用內三葉形噴絲板制備內三葉形滌綸基復合導電長絲,重點研究了內三葉形結構噴絲板的設計、芯層導電材料的選擇、芯層和外層質量比,并對導電纖維的截面形態、物理性能及導電性能等進行表征。

1 實驗

1.1 主要原料

PET切片:特性黏數0.650 dL/g,浙江天圣控股集團有限公司產;錦綸導電母粒:炭黑質量分數為33%,熔點為227 ℃,相對黏度為2.01,自制;滌綸導電母粒:炭黑質量分數為31%,熔點為233 ℃,特性黏數為0.806 dL/g,自制。

1.2 主要設備與儀器

雙組分導電纖維生產線成套裝置:北京中麗制機工程技術有限公司制;RL-Z1B熔體流動速率儀:上海思爾達科學儀器有限公司制;YG086型縷紗測長儀:常州第二紡織儀器廠制;XL-1型紗線強伸度儀:溫州市大榮紡織儀器有限公司制;EST-121型數字超高阻微電流測量儀:北京勞動保護科學研究所制。

1.3 內三葉形滌綸基復合導電長絲的制備

將PET切片在連續干燥裝置中經預結晶、干燥20 h,預結晶溫度160 ℃,干燥溫度160 ℃,直至切片水分含量小于等于50 μg/g;將錦綸導電母粒在連續干燥裝置中干燥24 h,干燥溫度100 ℃,直至水分含量小于等于200 μg/g;將干燥后的PET切片和錦綸導電母粒分別投入雙組分導電纖維生產線成套裝置的2條單螺桿擠出機中熔融擠出, PET切片用單螺桿擠出機各區溫度分別為275,285,290,290,290 ℃,錦綸導電母粒用單螺桿擠出機各區溫度分別為225,235,250,250,250 ℃,紡絲箱體聯苯溫度為285 ℃,采用6孔內三葉形雙組分復合紡絲組件,噴絲板的孔徑為0.25 mm,通過復合紡絲得到的初生絲經上油、拉伸制得內三葉形滌綸基復合導電長絲。錦綸導電母粒質量分數為10%～25%,紡絲速度為2 800 m/min,一輥溫度為90 ℃,二輥溫度為125 ℃,拉伸倍數為3.2,纖維規格為39 dtex/6 f。

1.4 分析與測試

熔體流動指數(MFI):按照GB/T 3682.1—2018 規定,采用熔體流動速率儀對導電母粒進行測試,滌綸導電母粒和錦綸導電母粒的測試溫度分別為275 ℃和280 ℃,保溫時間均為6 min,負荷均為2 160 g。

力學性能:參考GB/T 14343—2008《化學纖維 長絲線密度試驗方法》,采用YG086型縷紗測長儀測定纖維的線密度;參考GB/T 14344—2008《化學纖維 長絲拉伸性能試驗方法》,采用XL-1型紗線強伸度儀測試纖維的力學性能,夾持距離為250 mm,拉伸速度為500 mm/min,每個試樣測試5次取平均值。

導電性能:參考GBT 12703.4—2010《紡織品 靜電性能的評定 第4部分:電阻率》,將2.5 g導電纖維絲束平攤成餅狀,采用EST-121型數字超高阻微電流測量儀測試纖維的表面電阻。

2 結果與討論

2.1 紡絲組件的優化設計

復合導電纖維采用的截面為內三葉形,實驗初期將分配板中的復合微孔設計成如圖1a所示結構,葉片長度為1.0 mm,頂角為27°,采用該分配板組裝的組件進行紡絲得到的纖維截面形狀如圖1b所示。從圖1可以看出,雖然在分配板上熔體復合時會按照設計的分配微孔來形成截面,但復合熔體在經噴絲板的導孔向微孔流動并擠出成形的過程中,內三葉形截面中外圓弧的弧形方向出現了反轉,實際纖維截面變成了圖1b所示形狀。

圖1 實驗初期設計的分配板微孔結構及對應的纖維截面形狀Fig.1 Microporous structure of distribution plate designed in early experiment stage and corresponding fiber cross-section shape

為解決上述問題,對組件中分配板的分配微孔結構進行了調整,將分配板的圓弧往內收,并將三個葉片往外延伸,得到圖2a所示的分配板微孔結構,調整后的葉片長度為1.4 mm,頂角為12°,使用該分配板組裝的組件進行紡絲得到的纖維截面形狀如圖2 b所示。

圖2 調整后的分配板微孔結構及對應的纖維截面形狀Fig.2 Microporous structure of adjusted distribution plate and corresponding fiber cross-section shape

從圖2b纖維截面形狀可以看出,內三葉形截面中外圓弧弧度反轉的情況相比圖1b有所減輕,基本成一條直線,整個截面呈等邊三角形,與產品設計要求的截面形狀還有一定差距。另外,在紡絲實驗過程中發現,纖維截面形狀不均勻,有些單絲的內三葉較大,有些單絲的內三葉較小,有些單絲上還會出現截面只剩不規則的偏心甚至截面消失的情況。分析纖維截面不均勻的原因主要有以下三點:(1)隨著分配板上分配微孔形態的改變,即葉片伸長,內部弧度收小,中間的導電組分熔體從組件上部的砂腔進入到分配板的微孔并沿分配微孔擴散的過程中受到外層PET熔體的壓力更大,尤其是在伸展出去的葉片方向,這會導致多根單絲間的分配不勻;(2)在組件中,分配板和分配板下的噴絲板間留下的熔池是兩種熔體復合成截面的場所,兩種熔體都依靠此處的熔池建立壓力,互相擠壓并形成截面,由于分配板上有一個小圓臺,因此內層的導電組分熔體所依靠的熔池比起外層的PET熔體要更小一些,相同的進料條件下熔池越大,建立的壓力越小,熔體更容易產生不均勻的截面分配;(3)分配板的分配微孔正對著噴絲板的噴絲孔,兩種熔體由壓力擠入噴絲孔中,但導電組分熔體的三個葉片伸展出去所覆蓋的圓面積已經超過了噴絲孔的孔面積(如圖3所示),因此導電組分熔體在進入噴絲孔時會產生壓縮,在導孔處即會產生死點,從而在截面上出現熔體分配不均勻的情況。

圖3 分配板與噴絲板結合處熔體分配Fig.3 Melt distribution at the junction of distribution plate and spinneret plate1—導電組分熔體;2,3—PET熔體;4—噴絲板

為了解決截面上熔體分配不均勻的問題,對組件中分配板的分配微孔結構及熔池的大小即熔池的高度進行了調整,如圖4所示。

圖4 優化后的分配板微孔結構及對應的纖維截面形狀Fig.4 Microporous structure of optimized distribution plate and corresponding fiber cross-section shape

首先將分配板的分配微孔結構進一步優化,再次縮小了圓弧的弧度,優化后的葉片長度1.4 mm,頂角為0°(見圖4a);其次,將圓臺的高度降低,即縮小了熔池。使用圖4a所示分配板組裝的組件進行紡絲得到的纖維截面形狀如圖4b所示,纖維截面的內三葉形清晰,說明優化后的分配板微孔結構可以滿足產品設計要求的內三葉形截面。因此,優化設計的噴絲板選擇微孔葉片長度為1.4 mm、頂角為0°。

2.2 內外層原料及配比的選擇

2.2.1 外層PET切片的選擇

內三葉形滌綸基復合導電長絲的制備采用紡絲-拉伸一步法工藝路線,紡絲速度在2 800 m/min左右,需采用較高的拉伸倍數,否則會導致纖維取向不充分,剩余伸長大,表現為纖維斷裂強度低,斷裂伸長率高,影響其應用。因此,外層PET切片的特性黏數不宜太低,但切片特性黏數過高,會導致熔體流動性差,無法和導電母粒的熔體流動性相匹配,增加紡絲難度,可紡性差[8-9]。使用4種不同特性黏數的PET切片作為外層進行紡絲實驗,內層為錦綸導電母粒(炭黑質量分數33%、MFI每10 min 15 g、相對黏度2.01),外內層組分質量比為7:1(內層組分質量分數為12.5%)。從表1可知,當外層PET特性黏數為0.65 dL/g時,可紡性好,纖維截面均勻,內三葉形弧度合適,纖維強伸度指標均可滿足要求。因此,實驗選擇特性黏數為0.65 dL/g的PET切片作為外層原料制備內三葉形滌綸基復合導電長絲。

表1 外層PET切片的特性黏數對可紡性的影響Tab.1 Effect of intrinsic viscosity of sheath PET chips on spinnability

2.2.2 內層導電組分的選擇

內層導電組分的流動性決定了最終產品的內三葉形截面是否能夠順利形成及截面的均勻程度。一般說來,使用流動性較差(MFI較低)的導電母粒時,內三葉形的截面弧度比較合適,可以形成向內的弧度,但可紡性較差,各單絲截面容易出現不均勻的情況;使用流動性較好(MFI較高)的導電母粒時,可紡性較好,各單絲截面比較均勻,但內三葉形的截面弧度均會出現向外反轉的情況。因此,采用特性黏數為0.65 dL/g 的PET切片作為外層,自制不同MFI的錦綸導電母粒和滌綸導電母粒分別作為內層,外內層組分質量比為7:1(內層組分質量分數為12.5%),進行了紡絲實驗,結果見表2。

表2 不同內層導電母粒對可紡性的影響Tab.2 Effect of different core conductive masterbatch on spinnability

從表2可以看出:使用滌綸導電母粒作為內層組分,其MFI分別為每10 min 3 g和20 g時,可紡性均差,纖維強伸度、導電性能均不符合要求;相比而言,使用錦綸導電母粒作為內層組分,其MFI為每10 min 5 g時可紡性差,MFI為每10 min 15 g時可紡性較好,纖維截面形狀、性能均可滿足要求,MFI為每10 min 40 g時可紡性較好,但纖維截面弧度反轉。因此,實驗選擇MFI為每10 min 15 g的錦綸導電母粒作為內層原料制備內三葉形滌綸基復合導電長絲。

2.2.3 原料配比的選擇

制備內三葉形滌綸基復合導電長絲時,隨著內層導電母粒添加比例的增加,可紡性降低,組件周期縮短,飄絲、斷頭現象增多;同時,纖維內部內三葉形截面的面積增加,表現為纖維的力學性能(強伸度)明顯下降,導電性略微增加。采用特性黏數為0.65 dL/g的PET切片作為外層組分、自制MFI為每10 min 15 g的錦綸導電母粒為內層組分,考察了不同原料配比對可紡性、纖維性能和截面形狀的影響。從圖5和表3可以看出:內層組分錦綸導電母粒質量分數為10%、12%時,可紡性都較好,導電纖維的截面內三葉形狀均很清晰,達到了產品設計要求的截面形狀;錦綸導電母粒質量分數為12%時,導電纖維的斷裂強度為3.0 cN/dtex,斷裂伸長率為63.0%,力學性能比錦綸導電母粒質量分數為10%時的好;錦綸導電母粒質量分數為15%時,可紡性一般,導電纖維的截面稍微變粗,斷裂強度大幅下降至2.3 cN/dtex;錦綸導電母粒質量分數為20%時,可紡性變差,導電纖維斷裂強度下降至2.1 cN/dtex,內三葉形葉片尖端離纖維表層十分接近,在紡絲拉伸過程中極易在此處出現斷裂;此外,不同含量錦綸導電母粒制備的導電纖維的表面電阻都達到了109Ω,具有良好的導電性能。實驗表明,選擇內層組分錦綸導電母粒質量分數12%制備導電纖維,可紡性好,纖維截面的內三葉形狀很清晰,且具有良好的力學性能和導電性能。

表3 原料配比對可紡性及纖維性能的影響Tab.3 Effect of raw material ratio on spinnability and fiber properties

圖5 不同含量錦綸導電母粒制備的導電纖維的截面形貌Fig.5 Cross-section morphology of conductive fibers with different content of nylon conductive masterbatch

3 結論

a.通過對噴絲板的分配板微孔結構優化,選擇微孔葉片長度為1.4 mm、頂角為0°,可紡制產品設計要求的內三葉形纖維截面形狀。

b.采用特性黏數為0.65 dL/g的PET切片作為外層原料、自制MFI為每10 min 15 g的錦綸導電母粒作為內層原料、內層組分錦綸導電母粒質量分數12%,制備內三葉形滌綸基復合導電長絲,可紡性好,纖維截面的內三葉形狀清晰,達到了產品設計要求的截面形狀,且具有良好的力學性能和導電性能,斷裂強度為3.0 cN/dtex,斷裂伸長率為63.0%,表面電阻達109Ω。