多功能液芯熔纺长丝

R. Hufeus， M. Heuberger， A. A. Leal

1. 瑞士联邦材料科学与技术研究所 瑞士联邦材料科学技术实验室 高性能纤维实验室(瑞士) 2. 瑞士ABB有限公司 绝缘和聚合物技术组 企业研究室(瑞士)

1 液芯长丝的熔融纺丝

双组分熔纺工艺指2种具有不同化学和/或物理性能的聚合物从一个喷丝孔挤出形成长丝，其目的是实现均匀的纤维横截面并赋予长丝多种功能。受昆虫翅膀中充满液体的翅脉具有机械阻尼性能的启发，一种由聚合物鞘和微型液芯组成的液芯长丝被成功开发。基于此，中试规模的连续稳定熔融纺丝工艺(卷取速度高达1 000 m/min)应运而生，经此工艺制备的液芯合成纤维长丝中液芯体积百分比高达25%。

图1 液芯纤维共挤出生产线示意图

在图1所示的纺丝装置中，单螺杆挤出机中的聚合物由齿轮泵(Thermo Haake Rheomex OS)挤出，经高压注射泵(Telegyne ISCO 260 D)注入液体形成液芯。离开喷丝头后，长丝的生产工序与常规熔融纺丝相同：挤出长丝进入冷却室，通过几个不同转速的导辊进行拉伸，最后卷绕在筒管上。采用此工艺，若以合成油作为内芯液体，聚烯烃或聚酰胺作为鞘聚合物，可实现直径为45～200 μm的液芯单丝中试规模的生产。单丝中存在连续液芯已通过光学测试、扫描电子显微镜与计算机断层扫描得以证实。

2 相关的工艺参数

对具有相似尺寸的中空纤维进行后续填充以制备液芯纤维不切实际，因此原位生产连续液芯纤维颇具吸引力。

由于聚合物熔体具有非线性和弹流性，会导致熔融聚合物和液芯共挤出时流动不稳定，故通过模型试验设计特殊的纺丝组件，以实现复杂双组分长丝的稳定熔融纺丝。如图2所示，液体在高压下通过毛细管注入，并在离开喷丝头之前与聚合物熔体相遇。

图2 液芯填充同步纤维共挤出用纺丝组件

合适的芯部液体必须满足如下基本要求，以便能被连续稳定地注入熔纺长丝：

——必须在加工温度下具有优异的热稳定性和相对较低的蒸汽压(<1.013×105Pa)，以防挤出的鞘聚合物熔体在出口处发生喷射现象；

——不能腐蚀挤出设备，并且不能溶解聚合物组分；

——芯部液体和聚合物熔体间的黏度比和界面张力应相匹配，以免导致共挤出不稳定；

——聚合物应具有足够低的加工温度，以便能与芯部液体共挤出，熔体强度尤应较高，以满足成纤要求。

3 潜在应用

众所周知，碳纤维增强环氧树脂复合材料具有较差的振动阻尼性能。为评估液芯聚合物长丝的阻尼性能，将其插入碳纤维织物增强环氧树脂复合材料的层间区域，测试其对复合材料阻尼性能的影响。液芯纤维以开孔栅格形式插入，主体材料的力学性能基本不受影响。对受高频激发产生的响应振幅测试结果进行分析表明，碳纤维织物增强环氧树脂复合材料加入液芯聚合物长丝后，在千赫兹频率范围内的阻尼因子得以提高。但由于试样尺寸有限，材料中液体总含量小于0.2%，复合材料制造工艺存在的瑕疵造成其他组分变化，致使未能连续检测到材料阻尼性能的变化。

利用此纺丝新技术，可采用热稳定型液体阻燃剂(FR)作为液芯，制备液芯体积百分比高达15%的聚合物长丝。为检测其阻燃性，以聚酰胺66单丝为经纱，以FR填充的聚丙烯(PP)单丝为纬纱，制成平纹织物。与空白样(纬纱为纯PP单丝)相比，尽管织物中仅纬纱含有阻燃物质，但液芯纬纱织物仍显示出良好的阻燃性(表1)。

表1 阻燃液体填充纤维对织物可燃性的影响：瑞士BKZ垂直燃烧和极限氧指数(LOI)试验

通常情况下，将FR直接掺入聚合物基体仅限于低添加量(体积百分比<5%)，以免损害熔纺纤维的可纺性和力学性能。通过在纤维芯部加入FR可获得较高添加量，不仅可制备阻燃长丝，还可为周围材料提供防火保护，且不会损害纺织品或纤维复合材料的结构完整性。

液芯长丝可进一步功能化，如：采用可产生香味的精油填充PP长丝，生产具有香味的熔纺纤维。目前使用的香料多为丁子香酚和香叶醇。作为液芯注入的香料可经受严格的熔融纺丝条件，且气味分子可穿过聚合物鞘扩散而散发香味。与浸渍工艺相比，此技术中液芯可起到香精储存器的作用，为纤维提供持久的香味(图3)。含香氛液芯纤维的织物，可用于制作能经受印染、穿着和洗涤并持续释放香味的完美纺织品。

图3 芳香液芯可作为长期储存器持续释放香味

4 结语

液芯熔纺聚合物长丝可为纺织品和复合材料提供前所未有的性能，且不损害其力学性能、染色性能与洗涤性能。若用液体填充中空纤维工艺制备液芯长丝，时间成本将随纤维长度延长而增加，这不经济。通过标准的熔融纺丝生产线，采用高性能流体泵并结合先进而巧妙的纺丝组件设计，可在生产过程中使液体立即充满长丝。通过精心选择芯部液体，可实现结实且柔韧长丝的连续有效共挤出。