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国产抗起球腈纶可纺性与其混纺织物性能分析.pdf

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东华大学硕士学位论文 摘要国产抗起球腈纶可纺性及其混纺织物性能研究摘要自上世纪五十年代以来,腈纶就一直以其蓬松性、保暖性、柔软的手感、易于染色等优异特性,得到了广泛的应用。但是由于腈纶纤维制织成织物后,如经常受到摩擦,其表面极易起毛起球,影响织物的美观和穿着舒适性,限制了其在高中档产品中的应用。国外在上世纪七十年代就有关于抗起球腈纶的专利报道,产品质量不断提高,现在己形成纤维.纱线.织物多品种的产业链。近年来,进口抗起球腈纶悄然进入中国纺织后加工领域,而且市场形势看好,给我国的腈纶行业带来一定的冲击。上海石化股份有限公司腈纶部以提升产品附加值为目标,开发出具有良好抗起球性能的腈纶纤维。但是目前针对国产抗起球腈纶纤维性能研究及后道产品开发的研究较少。本文针对国产抗起球腈纶结构与性能、纺纱工艺与性能和织物的起球性能及其他织物性能进行了系统研究,以期能对国产抗起球腈纶的生产加工提供参考,主要包括以下几个方面的研究内容首先,以织物起毛起球动力学模型为理论依据,分析在纤维生产、纱线生产和织物加工三个层次上,为生产抗起球产品可以采取的措施,以期提供产品开发思路。第二,采用扫描电镜、X射线衍射等测试方法对国产抗起球腈纶的形态及结晶取向进行对比研究,并对国产抗起球腈纶的物理化学性能进行了分析。结果表明由于纺丝工艺调整,抗起球腈纶与普通腈纶相比,横截面和表面的空洞和沟槽略有增加,结晶度与晶区取向度有所下降,这使得纤维的强度和伸长率下降,有利于降低织物起球性。抗起球腈纶的热稳定性、吸湿性较普通腈纶没有明显变化,玻璃化温度略有降低。东华大学硕士学位论文 摘要第三,利用正交实验的方法设计研究方案,将国产抗起球腈纶与棉纤维的混纺比和细纱捻度作为两因子,研究了这两因子对混纺纱纱线性能的影响。按照方案纺制25teX和20tex两种细度的混纺纱,并对它们的性能进行测试分析。结果表明两种细度的纱线性能规律基本一致。随着抗起球腈纶纤维含量的增加,混纺纱的断裂强度先减小再增大,存在断裂强度临界混纺比。纱线的断裂伸长率随抗起球腈纶含量的增加而增加。混纺纱条干CV值随抗起球腈纶含量的增加,呈下降趋势。第四,采用针织圆袜机,将纺制的国产抗起球腈纶/棉混纺纱织成织物,利用马丁代尔仪测试织物的起球级数,分析织物起球性能与纱线参数之间的关系,并对工艺参数进行了优选。结果表明随着纱线中抗起球腈纶含量的增加,针织物的起球级数增加。纱线的捻度和细度会都织物起球性能有影响。综合考虑原料成本、时间效率和织物起球级数的要求等方面,当选用25t甑混纺纱时,抗起球腈纶/棉混纺比为50/50,捻度为750捻/m;当选用20teX混纺纱时,抗起球腈纶/棉混纺比为50/50,捻度为680捻/m。第五,利用电脑式透气性测试仪、KES.FB.3织物压缩测试仪和KES.TL织物接触冷暖感测试仪分析测试织物的透气性、压缩性和接触冷暖感等性能,研究了纱线原料与捻度的变化对织物性能的影响规律。结果表明抗起球腈纶/棉混纺针织物的透气性随着抗起球腈纶含量的增加而增大,捻度大的纱线编织成的织物透气性高。抗起球腈纶较蓬松,当织物中它的含量增加时,织物的蓬松柔软性增加。由于抗起球腈纶吸湿性不高,纤维表面沟槽多,所以随其含量的增加织物的接触冷感有降低的趋势。关键词抗起球,腈纶,纤维结构与性能,混纺纱,织物性能东华大学硕士学位论文 摘要STUDY oN THE SPINMNG FEASIBILITY oFDOMESTIC ANTI.PILLING ACRYLIC FIBER AND ITSBLENDED FABlUC PROPERTIESABSTRACTSiIlce 1950s ofl弱t centu搿,a咧ic舫er has be跚诵dely璐ed bec孤∞ofits删entpr唧旧m鹤,鲫ch勰its bIllkilI锚s,w籼th∞tan矗伽,∞ft h删e,aIld e雒y d弦ing,etc.HoweV贫,if蛐Ⅱladeofa叫ic胁州edtomllch伍c妇,恤触eoffal嫡岱is呻pm乱111isph髓omellon丽11 iIl她ellce吐le appear锄ce孤d眺g comf矾, so弱t0 liInit its 1lse inhigh-卿e prodIIcts.k the 1 970s of last伽“Ⅱy,the糟we∞pa劬ts c0V蹦l萨about觚d.pininga咧icaboard.11Iequah锣hasbe铋improV甜and锄砥蛔trialdlain缸髓6bertofal嫡ch鹪be∞fomcd.In rec∞t y∞rs,锄Iti-pi】_liIlg acrylic h髓quietly imported i11t0 tlle textile proc骼siIlg sectorin‘billa锄d谢dcly IIsed,w撕ch strikes aga硫t domes如a叫ic脚rket.h om盱to锄h觚∞added value 0f pmdllcts,the删ic出翟吨m锄t of Shan曲ai pe恤Dch铷Aical Co.,Lcd.h猫devel叩ed d伽豁tic锄ti-pilliIlg ac巧lic f|be璐诹m 900d pilhng托sistaIlcc.Howev盯the b勰icres翩粥h棚t the pIDp枷岱甜ld p∞dllct删哪衄髓t of d腿髂dc髓d硼liIlg a咧ic fibef iS姗限hl也is也esis me stnlcture柚d p删嚣of dom鹤tic锄ti-pill№蛔ylic丘b%烈ationshipbe幅re∞processing par锄A鼬e璐锄d yam prop枷斌,the pilling propeni髓of白嘶cs,舔well弱,oth盱flt晡c ped.0衄柚ce are inv镐dga矧syStama石cally in ord盯to西ve a心南嗽lce to theproduction 0r the meoretical research.Firstly,0n me b嬲ic of me tllc0搿a.bout me dyn锄ic m文Iel of f西晡c pillin岛me wayswhich can出cl℃弱e pills are锄alyzed.It p∞vid鹤s伽∞ide舔about prDducing fib%yam舱df.abdcs.Secondly,by the me眦s of s伽ning elec插on microscope,and X-my di伍mtion孤mysis,me crys锄1硫s魄cture,硪锄tadon s机lctIl他锄d mofplh0109’,sm舳鹏of dom船tic髓d-pillillga叫ic fiber were investigated.The physical锄d chemical prop鲥es of fiber were also aIlalyzed.T1嵋他驰lts shDwed matBec铷lse of tI坞a由us缸n伽临on sp血nillg proc鹤sing弘蚴ete蝎,the妇dc锄ti-pillingac聊ic fib%con删wim∞岫a鲫ic助%has mo坞hol锚or slightgrooves on its cross-sectional 0r lon西tIldinal smlctIlre,and tlle fiber’s orientation锄d morphologysnllcnlr骼shghIly出圮犯勰e.These are bcneficial to伍brics’枷_pilling讲d.0m锄∞.TIT东华大学硕士学位论文 摘要n醐取onhogonal ex]p渤眺l d髑i笋memod is applied to谳髑69atc relalio璐hipk拥怕铋bl∞ding ratio of the d锄estic an廿-pming a饼ylic同’e稻b1髓Ided wiIh cottont丽stm删t11de锄d b1%ded yam,s pro蜊i髑.T1wo kinds of,ams of 25tI懿锄d 20tI懿we他sp阻andtlleirpr删懿嗍m铋删.The托sults 8h州thatThe prDp觚髂ofboth脚have s试l盯g∞eral协朗d.Wim tlle iIlcre嬲e of domestic锄ti-pilling acrylic fiber iIl yam,me br漱g s协弛gmof bl∞ded first de咖s髓and th∞如滟弱髓,me糟is a cri如aI砷巴al【ing s咖gⅡI ofbl锄d枷o;and也e e10ngalion ofthe y锄in锹镐髓;and me ev∞n鹤s CV讪e ofyam s_howS a d0靴1w裥呦d.F‘m劬ly’me bl伽ded yams懈b捌int0 fa№by hosieDr machi的趾d me piningp盯f-onnanc豁we∞t∞ted by Mamndale pinillg t髓le£The一撕onship b的弭,e∞f址硒cs proc懿sillgpa】舢1et懿锄d pilling pe3渤眦锄ce was op血妇ed.Thc豫m协出Wed峋珊嘲螨s of也e舯锄d t、l,ist magnitllde have锄impact 0n fal嫡c’s pilling perf.o衄强ce.№g a11 fIacto璐int0cI加sid骶d∞,the 0】陋mal p】∞cess p砒锄∞ete幅羽帕1Bl∞ded y锄of 25telx,i忸blalded rado is50/50跚d t丽st ma鲷itude is 750 t丽s韬恤;2Blended yam of 20t懿,its bl锄ded ra_tio is 50/50and t、l,ist ma嘶tIlde is 680 t、jlrists/m.At last,血e v铋til撕∞珊叩呻;pliabi脚锄d例试c乜a璐iI朗lt c00l融;lil蝎0f bl锄ded伍晡cs we舱tested and inv岱tigatIed.1k regIllts showed tllatW.m me证c鼢se of d伽Bes如锄6.pilhng唧lic fib盯in yam,me Ve埘la6∞prID嘞of me崩c弧粼;锄d the pliabil时a11d nu母of fabric iIlcrease.Because of锄ti.pilliIlg acrylic’8 10w moisture abs唧tion and丘ber’s跚血ce groov岱,f-abric把msi%t 000l feelit培dc髓弓as嚣诵tll illc豫勰ing觚d-pining a吲ic fibcrContent.ⅪⅣWORDS枷伽ing,a叫ic舶%矗ber s仃uc嘁觚d pro]刚ies,b1%ded y啪,Ⅳ旦堑№婴豫tileEngin嘲_ill曲supe而sedby£噬受纽g蛩逝东华大学硕士学位论文 目录目录l绪言..11.1腈纶纤维发展概况.11.2抗起球腈纶纤维研究现状及生产方法...21.3抗起球织物研究现状..41.4本课题研究内容及意义72织物抗起毛起球途径的定性分析92.1织物起毛起球的动力学模型一92.2纤维和织物变量对动力学常数的影响..112.3抗起球腈纶织物开发要点122.4小结...........143抗起球腈纶结构和性能研究153.1实验部分..153.2实验结果及讨论.....163.3小结234抗起球腈纶/棉混纺纱性能研究244.1纺纱方案设计.244.2抗起球腈纶/棉混纺纱生产工艺.244.3混纺纱性能测试..274.4混纺纱性能分析研究....284.5小结325抗起球腈纶/棉混纺针织物起球性能研究.335.1混纺针织物编织..335.2混纺针织物物理指标.335.3混纺针织物起球性能测试及结果355.4针织物起球性能分析.365.5小结4l6混纺针织物其他织物性能研究.426.1混纺织物透气性能研究..426.2混纺织物压缩性能研究..436.3混纺织物接触冷暖感研究456.4小结467结论..47参考文献48攻读硕士学位期间发表论文情况.51致谢.52东华大学硕士学位论文 绪言1.1腈纶纤维发展概况l绪言腈纶是聚丙烯腈纤维Polya叫onitrile Fiber或A叫ic Fibef在我国的商品名【I】,国外则称为”奥纶”、”开司米纶押。通常是指用85%以上的丙烯腈acrylonitrile,缩写为AN与第二和第三单体的共聚物,经湿法纺丝或干法纺丝制得的合成纤维。丙烯腈含量在35%~85%之间的共聚物纺丝制得的纤维称为改性聚丙烯腈纤维Modacrylic Fiber。如无特别说明,丙烯腈系纤维A叫ic Fiber包括聚丙烯腈纤维和改性聚丙烯腈纤维翻。腈纶纤维有“人造羊毛”之称,具有柔软、膨松、易染、色泽鲜艳、耐光、抗菌、不怕虫蛀等优点,根据不同用途的要求,可纯纺或与天然纤维混纺,其纺织品被广泛地用于服装、装饰、产业等领域。1.1..1国外腈纶纤维工业发展现状1950年,美国Du Pont公司以长丝的形式开始工业化生产聚丙烯腈纤维,其商品名为奥纶Orlon。这是人类历史上最早问世的腈纶,它标志着世界腈纶工业的诞生。继杜邦公司之后,一些化纤生产厂家相继研究出聚丙烯腈纤维的生产工艺。如德国拜尔公司、法国隆玻利公司、英国考陶尔公司、日本旭化成公司和东丽公司【31。由于美国、西欧和日本等经济发达国家和地区对腈纶的需求量不断增加,世界腈纶产量增长迅速。从1970年到1980年世界腈纶产量从100万吨增加到206万吨,平均年增长率为11.84%,到80年代,发展速度有所下降,但1985年产量仍达到240万吨,约占合成纤维总产量的20%【4J。由于受到能源、环境问题及合成纤维改性技术进步的挑战,世界腈纶产量从1987年产量达到256万吨后,长期处于徘徊状态。1999年大约有29个国家57家厂商60个工厂进行腈纶的生产,总生产能力约340万吨,产量251万吨。199肛1999年产量年均增长率约O.9%,仅为同期合成纤维年均增长率的l/6,在主要合成纤维中比例由90年代初15.6%降为10.5蚶M。进人21世纪,腈纶产量增长继续呈螺旋形缓慢增长态势,20002003年产量年均增长率仅O.4%,约为同期合成纤维增长率的1/8。在化纤与主要合成纤维中占的比例分别由1990年13.1%、15.7%降为8.4%、9.O%,平均开工率不到80%,生产能力过剩呈增大趋向,发展将侧重于技术进步,继续进行产地更替、集约兼并【6】。东华大学硕士学位论文 绪言国外腈纶发展进入产量减缓的时期时,为了赚取更多的附加利润,国外厂家逐渐向差别化品种迅速发展。1980年到2000年世界腈纶差别化率从20%增至35%,其中发达国家平均差别化率已在40%以上;发展中国家靠引进技术建厂,以中低档常规产品为主,差别化率一般在20%左右。在差别化品种迅速发展中,形成了发达国家与发展中国家的腈纶产品按高低档分流互补的态势。1.1.2国内腈纶纤维工业发展现状我国腈纶产业自上世纪60年代引进国外技术以来已50多年。在这50多年中,腈纶产业经历了逐步壮大的发展过程。多年以来,我国腈纶年均需求量不断增长,到2005年需求量达到120万吨,但同年国内只能生产约77万吨,因此需从国外大量进口。在2006年以前,我国腈纶的进口依存度高达40%以上,也正是由于这种缺口,使得国内的腈纶产业迅速发展。2006年和2007年我国每年生产腈纶80多力.吨,产量占世界腈纶总产量的30%以上,但由于种种原因,这两年我国对腈纶的需求量出现了不同程度的下滑。整个腈纶行业的亏损状况急剧加深,停车减产的现象几乎涉及到国内所有的腈纶生产企业,各企业都在挑战承受亏损的极限。但2008年仍进口腈纶14.57万吨,占当年总需求量的19.7%。目前,国内市场差别化腈纶年用量约占腈纶总加工量的1/3,而国产腈纶差别化率约20%,并且我国已开发的差别化腈纶的数量、品种、质量还不能满足市场需求。国外腈纶差别化率已达50%以上。据统计,目前国内从日本、我国台湾等地进口的差别化腈纶达50%。随着纺织品高档化、功能化的发展趋势,市场对差别化腈纶的需求量逐年增加。实时调整腈纶产品结构,大力开发差别化品种,已成为我国腈纶工业在全球竞争中求生存,继续发展的重要措施【7J。1.2抗起球腈纶纤维研究现状及生产方法1.2.1抗起球腈纶纤维研究现状早在20世纪70年代美国就有关于抗起球腈纶的专利文献报道。Sekigu出【8l在其专利中介绍了国外在抗起球腈纶开发早期出现的一些问题,如染色性能差、高速连续化生产不足等。他提出了将聚丙烯腈溶解在无机溶剂中,由喷丝头喷出后,经过3.5倍拉伸,在130℃.150℃热空气中干燥的工艺方法。FuiilIlatSu【9】也提出了染色性能好的抗起球腈纶的生产方法。Fullk【10】在其专利中介绍了抗起球腈纶纺纱织造的实例,将抗起球腈纶切成5.08cm,通过环锭纺制成16英支的纱,合股后做成针织物的抗起球级数为4.4.5。近几年,织物的抗起球性能越来越受到后道用户重视,许多厂家将其作为评东华大学硕士学位论文 绪言价织物性能的一个重要指标。目前越来越多的出口订单均要求织物的抗起球性能高于3.O级,而绝大部分天然纤维及常规化纤织物的抗起球级数仅为12级,因此抗起球纤维的应用将会更趋广泛。国外大部分腈纶生产厂家如日本东丽、三菱、东洋纺、韩国泰光、台湾东华纶、台丽朗等均将抗起球腈纶作为一个重点新产品进行研发生产。目前,在国内已开发出抗起球腈纶生产技术的腈纶生产厂家有大庆腈纶厂、吉林奇峰和上海石化腈纶事业部。其中奇峰的低起球腈纶抗起球级数较低【l¨,应用范围不是很广。上海石化腈纶事业部生产的抗起球腈纶短纤维的特性指标已基本满足织物的抗起球要求【12J引,需继续做好优化及稳定工作,图1.1为NaSCN二步法腈纶工艺路线。纺丝÷冷拉伸÷水洗÷预热÷热拉伸÷上油斗干燥致密化÷再拉伸一卷曲÷干热汽蒸定型÷切断÷打包。图卜1 NascN二步法腈纶工艺路线由于抗起球腈纶主要应用于中高档服用领域,因此不仅要求纤维的各项物性指标符合抗起球特性,同时其手感、光泽也应优于常规纤维,故其技术要求较高,研发周期较长,市场的接受亦有一个过程,一般厂家缺乏深入开发的技术能力。1.2.2抗起球腈纶纤维生产方法目前抗起球腈纶制造方法主要有以下三种方法【l训。1.2.2.1纺丝工艺调整法可以通过改变纤维的截面形状,使纤维截面呈三叶形或五角形,并使纤维表面粗糙化,提高腈纶纤维的粗糙度,以增加腈纶纤维间的抱和力,提高抗弯曲性和硬挺度,这可减少织物中纱线滑脱和打结的机会;可以通过增加纤维热处理时的张力,以降低腈纶纤维的勾强,使腈纶纤维不易起球,起球后也容易脱落;也可以通过一次拉伸、控制凝胶纤维内部的水含量、干燥致密化、再拉伸、松弛汽蒸定型工序在特定的条件下制造抗起球腈纶纤维。该方法制得的腈纶抗起球性能时效长,通过改变纺丝工艺条件,改善腈纶纤维的抗起球性能,是制备抗起球腈纶纤维的最常用的方法。1.2.2.2聚合物改性可以通过提高聚合物中的丙烯腈含量,降低第二组分的含量,从而提高腈纶纤维的刚性和脆性,使织物中纤维末端不易缠绕成结;也可以通过降低黝LN的重均分子量至40000一50000,并适当加宽分子量分布,增加低分子区域,从而降低腈纶纤维的断裂伸长,即使织物起球也易于脱落。该方法研制腈纶抗起球效果较好,但难度很大。东华大学硕士学位论文 绪言1.2.2.3整理改性常用的有二甲基甲酰胺DMF、丙烯酸乳胶和有机硅等对纤维或织物进行表面处理,使纤维起皱或形成裂隙而有利于毛球脱落,或使纤维不易从织物中滑出,从而提高腈纶织物的抗起球性。这种通过纤维或织物与各种整理剂之问的物理、化学作用,改善腈纶的抗起球性能的方法,工艺简单、投资少、见效快,但抗起球性能的持久性略差。1.3抗起球织物研究现状1.3.1织物起球机理服装材料在日常使用过程中,在实际穿用与洗涤过程中,不断经受摩擦,在容易受到摩擦的部位上,材料表面的纤维端由于摩擦滑动面松散,露出材料表面,并呈现出许多毛茸,即为“起毛”。若这些毛茸在继续穿用中不能及时脱落,且继续受摩擦、卷曲而互相纠缠在一起,被揉成许多球形小粒,通常称为“起球”。起毛起球问题在1950年之前并没有引起人们的重视,当时的人们只是简单的把起毛起球现象认为是穿着过程中由于受摩擦作用影响织物所表现出来的一种特征。1945年到1950年针织物的广泛使用和发展使得人们开始关注起球问题,而合成纤维及与天然、化学纤维混纺织物的出现使起球问题变得严重起来。大约从1954年开始出现关于研究起球问题的文章。Gilltis D等【ls】认为织物起球的过程经过绒毛形成、绒毛纠缠、毛球形成、毛球脱落四个过程。织物表面毛球的数量是由毛球形成和脱落两个过程的动态平衡的结果。 鬯鬯一邕料竣莞形髓鼍球形戚l镐鳝缝断裂奄露芝盐港簿脱落图卜2织物起毛起球过程示意图于伟东等‘11认为织物起球必须满足以下条件①纤维要求足够的强度和伸长性高的断裂功或韧性大和耐疲劳性;②纤维要柔软、易于弯曲变形和形成纠4东华大学硕士学位论文 绪言缠;③要有足够多和足够长的突出毛羽;④要有产生纠缠的摩擦条件非单向,能反复进行。织物表面的毛球数量与摩擦时间与织物表面毛球量也有较大的关系,图l-3展示出起毛起球的行为过程。如毛羽量曲线h和毛羽及生长球的断裂脱落量曲线b行为能尽早与起球量曲线P达到平衡,则起球可以抑制和减少。熬舞骝蝴麓醛鬻蕊攀哮擦俘嘲I}溺图1_3起毛起球与摩擦作用时间的关系1.3.2抗起球织物生产方法织物的生产过程大致可以分为纤维原料生产、纱线织物生产、织物后整理。目前,抗起球织物主要是通过采用抗起球纤维或织物整理改性的方法,使织物符合起球级数的要求。各种合成纤维的纯纺和混纺织物易产生较为明显的起毛起球现象,其中以锦纶、涤纶和丙纶等织物为最严重。维纶、腈纶织物次之。这些合成纤维的纯纺或混纺易起毛、起球的原因与纤维性状有密切联系,主要是纤维的强度高,伸长能力大,特别是耐弯曲疲劳、耐扭转疲劳和耐磨性好,故纤维端容易滑出织物表面,一旦在表面形成小球后,又不容易很快脱落。为此,研究者针对化纤容易起球原因分析,研制出抗起球纤维,在实际生产中,该类纤维织物,起球级数有所提高。抗起球织物也可以通过织物整理改性获得,目前的改性方法主要以下四种1树脂整理法在腈纶纤维织物表面涂覆一层改性整理剂,以防止织物起毛起球。抗起毛起球树脂的整理过程大致是配制整理液、浸轧树脂液、预烘、焙烘和水洗等。而整理的效果以及对织物其它性能的影响取决于纤维织物性质、整理剂组成及其相互作用和加工工艺条件ll 6l。这种方法虽然能够起到很好的抗起毛起球效果,但是也有一定的负面影响。某些抗起毛起球剂树脂可使织物经处理后存在手感变硬、强力下降、色光变化的现象,有些机械性能可能也被影响。另外,有的树脂在加工过程中需进行高温
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