异形纤维的开发与纺丝生产技术

异形纤维最初由美国杜邦公司于50年代初推出三角形截面，继而，德国又研制出五角形截面。60年代初，美国又研制出保暖性好的中空纤维。日本从60年代开始研制异形纤维。随之，英国、意大利和前苏联等国家也相继研制该类产品。由于异形纤维的制造以及纺织加工技术比较简单，且投资少，见效快，因此发展也比较快。我国异形纤维的研制是在70年代中期。在喷丝板制造方面改进了加工技术，提高了板的可纺性。在纺丝方面，已有了成熟、完整的工艺。在纺织产品方面主要是以仿各种天然纤维为主。

二、异形纤维的特点与性能

1、异形纤维的特点

⑴ 相同线密度的同类纤维，异形纤维截面直径大于圆形纤维（见表1）。

⑵相同线密度的同类纤维，异形纤维的刚度也大于圆形纤维（见表1）。

表1异形纤维直径与刚度

⑶ 异形纤维有较大的表面系数，而表面系数=纤维截面周边长/纤维旦数（1旦=1.1dtex）。表面系数大，纤维间空隙率大，因而纱线织物的蓬松度高。

纤维异形化后，其表面积及实际占有空间将大大增加。这就给它的性能带来了一系列的变化。衡量异形化程度的指标，可用异形度及中空度表示。

异形度=（1－异形截面内接圆半径/异形截面外接圆半径）×100

中空度=（纤维空腔面积/纤维截面积）×100

外形为正方形的纤维其异形度为16，等边三角形为20.8。如需要纤维间呈毛细管效应，以具有吸湿导湿性，则异形度必须大于60，中空度越大，保温效果越好，但强度相对降低。异形度越大，喷丝板加工难度也越大，纺丝及后加工也较困难，最终产品成本也将加大。

2、异形纤维的性能

异形截面纤维具有特殊的光泽、膨松性、耐污性，并具有抗起球性，能改善纤维的回弹性和覆盖性能。

2.1 抗折皱及抗抽丝性

    异形纤维的弹性模量比圆形截面要高，因此抗变形能力较强，抗折皱效果好。就像同等长度、重量的工字钢要比圆钢抗弯性好。

2.2 抗静电及吸湿性

    纤维异形化后，其表面积和空隙增加，织物的回潮率增加，且截面越复杂，回潮率越高。如六叶形尼龙长丝回潮率可达5.2%，而圆形截面织物只有4.8%。由于异形纤维吸湿性增加，因而抗静电效果有所改善。

2.3   抗起球性

由于一些合成纤维原料易起毛起球，其织物在使用过程中，一些纤维形成卷缠的小球附着在织物表面，降低了织物的使用价值。而异形纤维因抱合力大，小毛丝不易滑露出来，因此起球现象大大减少。抗起球性能与截面的异形度有关，异形度越大，抗起球性越好。如同样的扁平合成纤维，在相同的线密度情况下，扁平度越大的抗起球性能也越好。

2.4   染色性能

    由于异形纤维的表面积增大，染色速率可获提高。但是，它也使对光线的反射增大，因此从视觉效应来说，在相同染料吸着量的情况下，得色显得稍浅。所以要从外观上得到同样深度的染色物，在染异形纤维时必须比圆形截面纤维多用染料10%-20%。然而得色的鲜艳度以异形纤维的较高。

2.5   光泽效应

纤维光泽与纤维截面形态有较大的关系，当一束平行光照射于不同截面形态的纤维表面时，会发生不同的光泽效应。例如，三角形截面，光照射在其上时，可在纤维内部的棱边上透射出去，这样在产生全反射的棱边处光泽就弱，而其他棱边外的光泽就强。当入射角改变时，产生全反射的棱边也会改变，从而产生“闪光”效应。另外，由于三角形的棱镜作用，使光线射出来时产生色散效应，给人以特殊感觉。因此异形纤维改变了圆形纤维的“极光”。特别是中空型的异形纤维，由于它的反射层相应减薄，同时又存在内反射。表层反射和内反射的综合，可加强反射光的强度，所以中空型的三角形纤维，它的光泽效应更好。再如，在普通腈纶纤维、异形腈纶纤维和真丝织物的对比光泽度实验中，蚕丝的对比光泽度最大，异形腈纶纤维比圆形纤维的对比光泽度大，接近蚕丝的光泽。

2.6 抗污性

由于异形纤维对光的反射作用较强，透光率低，使污粒看上去较小，所以有感觉上的抗污性能。再加上表面积又比较大，制成织物后，反映在人们的视觉上，织物的覆盖性能比较好，不容易被沾污。如下为四种涤纶纤维试样，在截面为圆形和三角形时的覆盖性能和被沾污性能（见表2）。

表2  不同截面涤纶纤维的覆盖性能和被沾污性能

三：异形纤维截面形状与品种

1、 异形纤维截面形状

    由于使用异形喷丝孔板的不同，生产的异形纤维截面也不一样，一般异形纤维截面形状有三角形、扁平形、十字形、三叶形、多叶形、Y形、H形、矩形、菱形、五角形、六角形、中空及多中空形等等异形纤维。

2、 国际市场上部分异形纤维的品种

    其实，早在1953年美国杜邦公司首先提出用膨化粘着法纺制异形纤维的技术。随后又提出了制造三角形截面纤维的技术；提出了四角截面丝的专利申请。经过将近50周年的发展，异形纤维已成为国际市场上差别化纤维的重要销售品种之一，更是诸多生产厂家对市场前景看好的产品之一，因此，国际市场上异形纤维的品种有很多，而表3为国际市场上部分聚酯类异形纤维的品种。

表3   国际市场上聚酯类异形纤维的品种

四：异形纤维的制法

1、 异形喷丝孔法

    纺丝液从喷丝板挤出的一刹那，是纤维截面成型的关键。因此，将喷丝孔按所要求的截面进行加工，纺丝液从异形孔中喷出后，逐渐凝固成异形。将喷丝孔加工成与所要求的纤维截面形状相似的纺丝方法。这也是最普通的使用的方法。

2、 膨化粘着法

    纺丝液被挤压离开喷丝孔的瞬间，由于压力突然降低，会发生膨化，而此时的纺丝液尚未凝固，因而相邻部分就会粘接，纤维截面随之改变。中空、多孔纤维常用此法加工。目前，这种方法也得到了国际异形纤维生产厂家的广泛的应用。

3、 复合纤维分离法

    将两种或两种以上的成纤高聚物制成可分离型复合纤维以后，在后加工过程中通过机械剥离各组分或者用溶剂溶掉某组分而获得异形纤维的方法。

4、 轧制法

    类似冶金工业中的轧钢。纺丝熔体经喷丝孔挤出后，趁尚未完全固化时，用特殊热辊挤压成型。

5、 孔形（径）变化法

    用两块重叠的喷丝板，每块喷丝板上喷丝孔形状各异，但中心线基本吻合。在纺丝过程中，2块板相对移动或旋转，因而纺出的纤维的截面和外形也相应变化。

五：异形纤维的纺丝工艺

1、 异形纤维的纺丝

用溶体法生产异形纤维时，纺丝流体从喷丝孔挤出后，在空气浴中冷却、细化、成形。

1.1   纺丝液性质对纤维异形度的影响

    异形截面与圆形截面相比，由于前者的比表面大，体系的能量较高，而表面张力具有使细流表面曲率平均化的倾向，表面张力越大成形后的纤维异形度越小。熔体的粘度对成形过程中的丝条截面形状也有很大的影响，粘度越大对细流以及丝条偏离喷丝孔形状的阻力越大，因此成形过程中使细流及丝条粘度增加的各种因素都可以使纤维的异形度增加。

    如表4所示，由于高分子量聚酯的熔体粘度高，尽管在较高的纺丝温度下进行纺丝，所得纤维的异形度仍很高。

表4   不同特性粘度聚酯对纤维异形度的影响

1.2 纺丝工艺条件对纤维异形度和性能的影响

1.2.1纺丝温度的影响

纺丝温度对纤维异形度的影响，如表5所示。从表中可以看出，纤维异形度随纺丝温度的升高而降低。这时由于虽然熔体松弛时间随温度的升高而下降，使熔体出喷丝孔后的膨化现象减小，另外熔体的表面张力亦随温度的升高而减小；但是纺丝温度对熔体的粘度也有很大的影响，随温度的升高，熔体粘度迅速下降，这样减小了挤出细流偏离喷丝孔形状的阻力。通过实践表明，温度对后者的影响要大于前者，使纤维异形度随温度的升高而下降。

表5    纺丝温度对纤维异形度的影响

另外，纺丝温度的变化对卷绕丝的性能也有很大的影响，见表6所示。随着熔体温度的升高，熔体细流的凝固长度增加，轴向速度梯度减小，使卷绕丝的预取向度降低，表现为纤维的干热收缩值减小，自然拉伸比增大。

1.2.2 熔体压力的影响

熔体压力对纤维异形度的影响，如表6所示。从表中可以看出，在相同的纺丝温度下，随熔体压力的提高，纤维异形度降低。高压低温下纺丝可以得到与低压高温下纺丝相近的异形度。

表6   熔体压力对纤维异形度的影响

1.2.3 喷丝头预拉伸倍数的影响

⑴ 当喷丝板的熔体喷出速度一定，改变纺丝速度时，喷丝头预拉伸倍数虽然变化不大，但对纤维的剩余拉伸比影响较大，如表7所示。纺丝速度从1000m/min增加到2000m/min，喷丝头预拉伸倍数由139倍增到278倍，剩余拉伸比由3.75倍降至2.5倍，而对纤维异形度影响不大。

表7  熔体喷出速度和纺丝速度对纤维异形度和后拉伸倍数的影响

    ⑵当纺丝速度一定，改变熔体喷出速度时，虽然喷丝头预拉伸倍数变化很大，但对纤维的剩余拉伸比影响较小，如表7所示。熔体喷出速度由2.2m/min升至17.5m/min，喷丝头预拉伸倍数由364倍降至46倍，纤维剩余拉伸比基本不变，而纤维异形度变化很大，由20%增至35%  。

    纤维的剩余拉伸比主要取决于纤维成形中形变区的轴向速度梯度。随着纺速的增加，速度梯度增加，大分子的预取向度明显增加，以致剩余拉伸比下降，这种形变对纤维的异形度影响不大。纤维异形度对成形中温度的变化较为敏感，当熔体喷出速度较快时，细流能加速进入到纤维成形的低温区，使丝条粘度迅速增加，松弛时间延长，这样有利于纤维异形度的增加。而喷出速度的增加主要使成形中处于流动区的细流速度梯度减小，因此对纤维的剩余拉伸倍数影响不大。

1.2.4 冷却条件的影响

    卷绕丝的异形度随着熔体细流冷却条件的加剧，如冷却风速的增加，风温的降低以及吹风点距喷丝板距离的缩短而增大。

⑴冷却位置的影响

    由表8可以看到，随着吹风点距喷丝板距离的缩短，纤维异形度增大。在吹风装置距喷丝板120mm以后，吹风点位置的变化对纤维异形度的影响趋于缓和，而且异形度的不匀率有所增大。距喷丝板80mm时，异形度为60%左右，可纺性较好。

表8   环形吹风位置对纤维异形度的影响

    采用低风压环形吹风装置进行吹风点高度试验时发现，吹风高度与喷丝板距离过分缩短时，如在70mm以内，在风速0.25~0.49m/s，风温28~40℃的范围内，不管怎样变化冷却条件，卷绕丝异形度都将减小。这是因为此时在喷丝板与环形吹风顶部之间形成了一个稳定的高温空气介质区域，使熔体的流动处于因表面张力所导致的截面形状变化阶段的时间延长，导致在此区域内，随着环形吹风装置距喷丝板距离的缩短，纤维异形度下降。另外，冷却位置对卷绕丝的干热收缩率、自然拉伸比也有很大的影响，见表9所示。

    在一定范围内，随着环形吹风装置距喷丝板距离的缩短，熔体细流的凝固加快，凝固长度缩短，形变区的轴向速度梯度增大，纤维预取向度增加，宏观表现为干热收缩值增加（对卷绕丝的预取向度，还可以通过X-光衍射法、双折射法以及声速法等方法进行测定，但是考虑到异形纤维不仅存在芯皮层差异，还存在纤维横截面上不同部位预取向度的差异，因此采用热机械曲线的测定能综合地反映出卷绕丝预取向情况），自然拉伸比下降。当然距离过分短时也会由于在喷丝板和环形吹风之间出现稳定的高温区域，反而使纤维预取向度降低。

表9  熔体温度和冷却位置对卷绕丝性能的影响

注释：卷绕丝在100℃停留15min的收缩值。

⑵冷却风速的影响

    由表10可以看出，随着冷却风速的增加，纤维异形度增大。实验表明，当冷却气流控制在0.3m/s，风温28℃时，纤维异形度可达55~60%，可纺性较好。

表10   环形吹风风速对纤维异形度的影响

注释：本试验纺制的是3.3dtex三叶形聚酯短纤维。

    通过改变环形吹风高度、纺丝温度等，虽然可以控制纤维异形度，但受到的局限性较大，而且不如冷却气流流速的影响更加显著。）

    采用熔体膨化粘着法纺制异形纤维时，对冷却成形条件要求的更加严格。例如，纺制中空形和豆形纤维，可以采用几个间距较小的同心圆弧形组成的喷丝孔和两个圆孔组成的喷丝孔，熔体喷出后相互粘结形成中空丝和豆形丝。此时如果冷却太快，也就是说冷却风速＞0.7m/s时，中空丝由于狭缝端口不相遇，形成开口丝；豆形丝因两个圆孔碰不上而形成两根圆形丝。如果冷却太慢，也就是说冷却风速＜0.2m/s 时，则会使中空丝形成圆形截面而无中空；豆形将会成为扁平丝。

六：结束语

随着人民生活水平的不断提高，纺织行业对异形纤维的需求更加迫切，目前，国内纺织用的异形纤维大部分都是依赖于进口。对于未来，异形纤维因具有很多优良特性和风格，故其用途日渐广泛，无论是在服装与地毯方面，还是在非织造布方面，都有着非常广泛的用途，甚至还涉及到了工业与卫生等领域。