聚乙烯涂覆改性聚酯短纤维的开发与应用

聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）纤维是一种被广泛应用的纺织纤维，其纺丝、织造、染整等方面的工艺已非常成熟。聚乙烯（PE）是一种线性高分子，没有刚性基团，无侧基和支链，聚合过程中易结晶，且结晶度高，在立体空间中容易旋转，可弯曲，属于柔软类型的高聚物，但因其纤维表面光滑，可纺性和织造性能一直不佳，在普通民用服装领域几乎不使用，目前多用于防弹衣、防弹头盔、军用设施和设备等安全防护以及航空航天等高端领域。

受PE流延膜生产技术启发，用PE涂覆、包裹PET纤维，改性后的材料既有PET纤维良好的纺织特性，又兼具PE柔软的优点。以下将介绍相关工艺并对所得纤维的性能进行研究分析。

1 纤维纺丝系统设计

将PE涂覆在PET纤维上，由于两种高聚物化学性质不同，因此采用全新的复合成纤冷却及后加工工艺。在涂覆、包裹过程中，涂覆层沿纤维轴向热接合形成纵向热合线。PE分子结构简单，大分子链支链少，结晶区与无定形区转换容易，当涂覆层足够薄时有一定的透气性；PE不吸水，材料具有速干条件。

1.1 纺丝涂覆装置设计

通过分析PE熔体非牛顿流体运动时的变化特点，涂覆装置采用改良的皮材直孔和芯材斜孔，芯材分配槽和皮材分配槽互相独立并间隔交叉设置，每一组喷丝孔周围的漫流槽内可更加均匀地流入皮材熔体，令皮层材料PE涂覆在芯层纤维外表。涂覆装置在设计时，为提高剪切效果，遵循“前大后小”的原则。

1.2 纺丝质量与数量控制

通过对比，发现国产喷丝板所纺纤维均匀度不稳定，且因孔数不足而大大抑制产能提升，后更换进口同类喷丝板进行加工。相较而言，进口纺丝板精度较高，可确保每根纤维涂覆的PE厚度均匀，细度达到设计标准。

1.3 冷却系统设置

两种高聚物组成的涂覆纤维，纺丝冷却环节的控制是关键，主要注意 3 个方面：（1）减少空气杂质，避免污染和影响纤维质量；（2）充分利用空间高度达到工艺要求；（3）装置必须能稳健地操作环吹风开关与风道的升降，便捷地调节环吹风的温度、风量等。通过实验分析，发现图 1 和图 2 所示的冷却系统能满足实际生产需求。

图1 环吹风正视图

图2 环吹风侧视图

2 纤维性能分析

2.1 熔融焓和熔点

聚合物的分子量、分子链等微观结构变化，可以通过结晶度的变化来反映，采用高密度聚乙烯（HDPE）作生产原料的涂覆改性纤维，通过DSC结果分析研究其熔融焓和熔点变化值。从表 1 及图 3 可以看出，成品中的HDPE熔融焓降低24.28%，结晶度相应降低28%。涂覆改性后，材料的熔点下降 5 ～ 10 ℃，说明其分子结构由HDPE向低密度聚乙烯（LDPE）转变。由于PE分子链简单，分子链运动易受外界因素影响，在熔融、冷却及拉伸定形过程中，容易受工艺参数影响而改变排列方式和结晶方式。如冷却后分子链规整度下降或支链化，都会降低结晶度，无定形区比例会有所提高，宏观表现为结晶度与密度的双下降。结晶度降幅较大，表明涂覆的HDPE经生产加工后，随着无定形区比例增加，纤维分子结构致密性不断下降，其透气率则相应提高。PE涂覆层的结晶度下降大于20%时，纤维透气率提高约 3 ～ 5倍，更有利于气体、水汽的透过，大大提升透湿透气效果。

表1 涂覆HDPE前后纤维熔融焓和熔点变化注：涂覆改性纤维为不同的纤维样品，50%表示PE在改性纤维中的质量百分数。测试样品 熔融焓/mJ 熔点/℃HDPE-A 3 515.15 136.70 HDPE（50%） 1 903.98 HDPE-B1, 50%（涂覆改性纤维） 1 424.62 128.98 HDPE-B2, 50%（涂覆改性纤维） 1 429.93 128.24 HDPE-B3, 50%（涂覆改性纤维） 1 436.31 130.51 HDPE-B4, 50%（涂覆改性纤维） 1 476.23 130.63平均值 1 441.77 129.59涂覆前后变化/%（原料与新材料平均值对比） －24.28 －5.20

图3 HDPE及其涂覆改性纤维的DSC谱图

2.2 舒适性能

纤维皮层材料涂覆时形成的热合线，通过控制分子量、聚合度、牵伸等，表面可形成数量较多的微沟槽，不仅提高了纤维比表面积，同时增大了纤维毛细孔隙率（图 4、图 5）。纤维表面形态及结构的改变，有利于产生毛细效应。另一方面，PE分子中无亲水基团，在通常大气条件下回潮率为 0，纤维具备速干的基础。通过两种基材的组合，可实现汗水的芯吸、扩散和传输，达到导湿、快干的目的。

图4 涂覆纤维的横截面

文章来源：《功能材料与器件学报》 网址: http://www.gnclyqjxb.cn/qikandaodu/2021/0219/375.html