多功能抗菌导湿竹炭聚酯纤维及面料生产

文章介绍了含银竹炭抗菌复合功能纤维及面料的生产工艺特点，着重指出了复合功能纤维工艺、设备在干燥、纺丝、卷绕上和PET纤维的不同，并结合实例对相关工艺的要求作了探讨。

Process features of silver ion bamboo carbon PET fiber and fabrics were introduced. The difference was emphasized in drying, spinning, winding system in contrast to PET process. The requirement for process was discussed on the actual production.

目前研究显示，竹炭涤纶及其针织物具有远红外发射、抗紫外线、遮挡电磁波辐射、防菌抑菌除臭功能，但由于大量的竹炭粉体被包覆在纤维中，只有一定的抑菌功能，且无杀菌功能。为了改善纤维的抗菌功能，浙江正元集团有限公司联合相关厂家，利用东华大学科研成果，经有关设备技术改造，采用功能粉体制备和融熔扩散技术、表面修饰和成纤织造技术，结合银离子、竹炭抗菌功能相互作用机理的分析，已成功开发出抑菌、杀菌功能均佳的60 dtex/72 f、150 dtex／144 f等含银离子竹炭纤维，与圆形或异形涤纶（111 dtex/144 f涤纶DTY等纤维品种）交织后制备含银竹炭涤纶复合功能纤维面料，经检测，织物的抑菌率达99%、杀菌率达91%，多次洗涤后抑菌杀菌效果尚可。

1 生产实例

1.1 生产设备

可变换棉毛和罗纹组织结构的双面针织机，24 E或28 E，30英寸；高温染色机；YHF-H610定形机；张家港FRND308干燥系统；郑州FBM330-0.5预结晶干燥系统；天津爱尼9205B母粒机；北京中丽HZKV743型纺丝机；日本东丽TW716-1200/8卷绕头；德国517-2牵伸机及配套设备。

1.2 生产原料

浙化联SDPET切片、竹本HQ-33油剂、海诺12500超细竹炭粉、超细银离子粉体、18.5 tex棉纤维。

1.3 生产工艺（表 1）

1.4 工艺路线

超细粉体→共混→功能母粒→干燥

聚酯切片→筛选→预结晶→干燥→带注射混合的料斗→螺杆挤压机→熔体过滤器→纺丝→冷却成形→上油→拉伸→卷绕→设计织物组织结构→编织→染色→亲水整理→定形→面料。

2 工艺探讨

2.1 功能母粒制备

采用将超细竹炭粉、银离子粉体与高聚物切片共混挤出制备功能性母粒，再将母粒与PET切片等熔融纺丝制备纤维。由于纤维中的碳粉分子结构呈六角形，炭质致密，密度大，孔隙多，表面积可达700 m2/g以上，具较强的吸附分解能力，但同时带来了易凝聚、不易分散、功能效果及均匀性差等问题。

针对上述问题，在母粒造粒混合过程中，采用特殊喷雾法，加入精制的耐高温高效扩散剂（即使在300 ℃纺丝温度下仍具有高效扩散作用），可改善熔体在纺丝过程中超细粉体材料易团聚不易分散的难题，使超细粉体材料均匀分散到聚酯熔体中，增加远红外发射、抗电磁波发生效果，同时有助于提高成纤过程中银离子超细粉体、竹炭粉体和PET聚酯共混复合融熔纺丝过程的稳定性。

同步，采用气流粉碎法将竹炭原料进行粉碎时，颗粒要大小适宜。不能够太小，过小易造成团聚，也会弱化其活性炭的性能；但也不能太大，否则会大大缩短预过滤器的工作周期，断头增加，造成纺丝困难，且纺成纤维强度也受到影响。一般竹炭微粉的粒径不超过 3 μm，用于纺制竹炭涤纶的竹炭微粉一般为0.5 μm以下。还有，进行成纤用超细粉体表面有机化修饰，有效降低无机超细粉体表面能，增强超细粉体与聚合物基体的界面结合力，减少其易凝聚不分散现象，使其均匀分散到聚酯熔体中，增加功能效果。

2.2 切片干燥

像常规PET一样，含银竹炭抗菌复合功能PET必须经过干燥处理后才能进行熔融纺丝，且影响更大。由于银离子竹炭聚酯切片中的高聚物切片成分使得其和SDPET（半光聚对苯二甲酸乙二酯）一样对水解很敏感，熔体内水分增加时，大分子间的氢键含量增加，从而使分子间力上升，致使熔体弹性因子增大；同时，熔体含水率的增加使聚酯大分子水解而加剧酯键断裂，在一定条件下，使体系温度下降，导致弹性因子增大，不利于纺丝。

不同于常规的PET，由于银离子竹炭聚酯切片中加入了一定量的竹炭、银离子超细粉体材料，在切片结晶时，超细粉体材料起到了异相成核作用，其结晶温度与软化点相较PET明显降低，在预结晶过程中易软化粘连而造成结块，因此采用相较PET低的预结晶温度与干燥温度。

为确保切片干燥效果，对相关干燥设备进行了技术改造，为功能母粒单独干燥增配FBM330-0.5干燥系统一套，并在原干燥交换器后增设系统回风互通装置，实现双回路控制，以便风量、风压、风湿的有效控制并实现节能。

从生产试制60 dtex／72 f工艺来看，长丝生产对干切片的含水率要求最好在30 ppm以下。适用的干燥条件为：结晶温度可控制在145 ℃左右，切片经脉动阀板和和两相互隔开的结晶热风循环通道气流工作，再由氧化铝分子筛脱湿器和夹套式闭式热空气干燥，由于熔点和玻璃化温度较低，干燥温度可控制在147 ℃左右，干燥时间6.5 h以上，干燥含水率基本满足工艺要求。

2.3 纺丝温度

纺丝温度是影响熔体流变性能和纺丝成形质量的关键参数之一。提高熔体温度可使PET熔体特性粘度下降，从而改善熔体的流变性能，同时使高弹形变松弛时间缩短，有利于减小“出口膨化”和防止“熔体破碎”；但纺丝温度过高，易使PET熔体特性粘度大面积下降，进而造成纤维拉伸强度大面积，甚至无法保证正常纺丝。

随着超细竹炭粉、银离子超细粉体加入量的增大，由于超细粉体阻碍了溶液和熔融状态下高分子链的移动，熔体流动性能变差，要求纺丝时提高温度来提升流动性。但由于PET经过粉碎和重新造粒，分子质量有所下降，超细粉体的加入破坏了聚酯大分子链的规整性，软化点下降较多，要求纺丝温度比常规PET的纺丝工艺温度低20 ℃左右。

含银竹炭抗菌复合功能PET熔体特性粘度随分子量增大而增大，且随温度升高而减少，熔体制备过程中发生的热裂解和氧化降解的特点与PET基本一致，这些共性使生产PET纤维的纺丝设备可以完成纺丝。适当提高熔融温度可以降低熔体的运动粘度，改善其流变性能，使熔体混和均匀，但由超细粉体造成各种杂质的带入使熔体的粘度降增加明显，要求降低熔融温。由于功能聚酯母粒的熔点较PET低，而流动性能又较差，且易发生热塑性高聚物（PET）成形过程中超细粉体尺度分散相的“二次团聚”，因而过高熔融温度较易造成纺丝过程出现飘丝和成纤毛丝。

经生产试纺表明：一区和二区温度结合考虑环结、易阻塞或熔融不均匀等选择了258 ～ 264 ℃，三区温度可略高于一、二区，保证物料在完全熔融状态下形成挤压力，实现压缩和计量区的过渡，四、五区的温度基本接近熔体温度，从实例看在267 ～ 273 ℃时纺丝较为稳定，联苯气相温度控制在270 ～ 276 ℃为宜，且温度的波动范围愈小愈好，一般不应超过±2 ℃；熔体温度应控制在277 ℃以内，以免造成分子量降低，熔体中低分子物含量增加，从而影响正常纺丝，从无油丝特性粘度降来判断热降解情况，通常要求控制在0.18 dL/g范围内。

2.4 冷却集束上油

加入竹炭、银离子超细粉体材料后，纤维表面具有较多的超细粉体颗粒，在丝条快速运动过程中，因表面摩擦而产生静电，且超细粉体颗粒的吸油性强，导致纤维的抱合性差、丝条易发散，造成飘丝、断头率增加。因此应根据季节调整油剂的浓度，提高上油率，当上油率达1.0%以上时，丝条的集束性较好。特别要注意冬季油剂调配时油温的控制，同步在油剂调配过程中建议夏季浓度适当降低，并添加防腐蚀剂，夏季含量可控制在300 ppm左右。

在冷却成形条件中，侧吹风速及风温对纤维成形影响最大。类同于常规PET，复合功能PET高聚物熔融加工是在剪切和非等温条件下进行的，纤维在凝固期间发生着高卷绕速度、高在线张力和非等温应力等诱导结晶。功能母粒杂质的加入使熔体均匀性变差，需降低喷丝头拉伸比和剪切速率。为达到较好的冷却效果并确保正常纺丝，需要适当提高侧吹风的温度，增加相对湿度和风速。通常，侧吹风温度控制在（24±1）℃，侧吹风相对湿度控制在70%±5%，风速控制在0.55 ～ 0.85 m/s 为宜。由于母粒粒晶对设备的磨损较大，根据品种需要调整上油集束点垂直和水平位移，以减少纺丝张力和波动，建议更换成专用进口油嘴和导丝器，以便纤维导丝过程中的张力减小从而降低毛丝。

2.5 拉伸卷绕

随拉伸倍率的增大，纤维的初始模量和断裂强度均有所提高，而断裂伸长有所降低。但过大的拉伸倍率易破坏分子的链段联接，从而产生大面积毛丝而导致丝束缠辊，难以顺利拉伸。含银竹炭抗菌复合功能PET由于超细粉体材料的加入相应增加了熔融纺丝及纤维拉伸的难度，若条件选择不妥，将导致毛丝及断头增多，严重时将导致缠辊或无法完成自动卷绕生头。

降低纺丝速度和拉伸倍率（VGR2/VGR1）有助于改善毛丝、断头等情况。同时，拉伸温度要选择适当。低温时，初生纤维的拉伸易发生脆性断裂，随拉伸温度的提高，塑性变形越来越来显著，纤维结构单元包括链段和大分子的活动性随温度升高而增大。同时，随温度提高，一方面由于大分子在拉伸过程中发生取向，伸直链段的数目增多，而折叠链段的数目减少；另一方面，由于拉伸过程中发生了结晶，片晶之间的连接链相应增加，从而提高了纤维的强度和抗拉性，表现在纤维的物理性能上是纤维的断裂强度明显增大，断裂伸长率也增加。但温度过高，结晶速度过快，拉伸应力上升过速，解取向增大，有效取向度反而降低，导致拉伸不能正常进行，且丝束抖动大，纤维条干不匀率上升明显。

故既要防止温度过高引起丝束抖动导致条干不匀率上升，同步防止温度过低引起拉伸张力升高导致的毛丝和断头增多。由从生产试制150 dtex／144 f 等含银竹炭涤纶纤维实例看：热辊温度GR1应选择在88 ～ 90 ℃，热辊温度GR2应选择在128 ～ 130 ℃，热辊速度VGR1应选择在2 900 m/min左右，考虑打滑系数等因素，使拉伸倍率控制在1.38左右，纺丝速度选择在4 000 m/min时，毛丝和断头均较少。

2.6 组织设计后整理

织物组织结构采用双面针织组织，内层为含银竹炭抗菌复合功能纤维，外层为圆形或异形截面涤纶。织物里层纤维线密度大于外层纤维线密度，必要时外层原料可以适度增加捻度等，里外料不同纤维组合设计，使功能面料织物具有除臭、远红外、防紫外线等多种复合功能。

同时，纯合纤织物采用双层结构，里层纤维线密度大，外层纤维线密度小，内层纤维之间较粗的毛细管形成较小的附加压力，外层纤维之间较细的毛细管形成较大的附加压力，在织物内外层毛细管间形成的附加压力差，引导织物内层的液态水流向外层，在外层表面蒸发，通过差动毛细效应实现将人体排出的汗液在织物外层表面快速蒸发，保持织物内层干燥，从而实现高导湿功能，进而实现纤维面料的高导湿、除臭、远红外、防紫外线、抑菌杀菌等多功能化。

目前制作的含银竹炭抗菌复合功能纤维单丝纤度相对较细，用它做织物里层，要把汗水从织物里层传导到织物外层还不够快。因此为了克服此问题，可在纤维后整理过程中进行亲水整理，降低液体、材料接触角，增加毛细效应的附加压力，提高液态水的流动动力；还有，里外层纤维应实现有机交织，再经对纤维上表面润滑剂织造，实现造过程中张力明显减小且张力较为均匀而稳定，可以减少织造过程对织针损伤和纤维及面料本身的损伤。

3 结语

（1）耐高温高效扩散剂加入和超细粉体表面有机化修饰，有助于超细粉体材料均匀分散到聚酯熔体中。

（2）功能母粒单独干燥装置、双回路干燥系统和适宜的干燥工艺有助于切片干燥满足正常纺丝要求。

（3）合适的纺丝温度、风速风温和纤维上油率及卷绕参数的配置有助于控制纤维张力，提高生产稳定性。

（4）差动毛细效应的形成和亲水整理使纤维面料的多种功能得以有机整合。

参考文献

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[2] 周媛，孟家光. 新型功能性纤维 —— 竹炭纤维[J]. 产业用纺织品， 2008，26（10）：43-46.

[3] 李允成，徐心华，等. 涤纶长丝生产：第二版[M]. 北京：中国纺织出版 社，1995：336-348.

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