合成纖維熱定型及混紡織物的染整加工

合成纖維熱定型及混紡織物的染整加工

在紡織印染的過程中，紡織品應(yīng)受到各種復(fù)合作用（包括物理機械和化學(xué)）的影響。使得產(chǎn)品在外部形態(tài)及結(jié)構(gòu)尺寸上有所變化,有的甚至失去了織物所應(yīng)具備的形態(tài)、外觀和風格,嚴重影響了服用性能。因此確?？椢锏耐獠啃螒B(tài)和尺寸的穩(wěn)定性是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的一個重要標準。通常將穩(wěn)定織物的外觀、形態(tài)和尺寸的處理過程稱定型處理,針對不同纖維織物的特點,有著多種不同的定型處理方法,其中包含化學(xué)方法(如棉織物的樹脂整理、絲光等)和物理機械方法(如毛織物煮、蒸呢,合成纖維熱定型等)。在合成纖維的大分子結(jié)構(gòu)中一般不含有親水基團,分子鏈排列緊密,結(jié)構(gòu)緊湊,吸濕溶脹性極差,因而在常態(tài)下合成纖維的縮水現(xiàn)象并不明顯,然而合成纖維具有良好熱塑性,當處于溫度較高的環(huán)境中時,大分子鏈段間的重排使得纖維微結(jié)構(gòu)和形態(tài)發(fā)生很大變化,這些變化又可通過降低環(huán)境溫度而被相對永久保持下來。這種熱塑性可集中表現(xiàn)在合成纖維織物于染整加工中的形態(tài)多樣性。合成纖維及其混紡織物在紡織染整加工過程中,有多次受到干、濕熱處理的歷史,且織物在運行過程中要受到各種張力的拉伸作用,因而其外形、尺寸始終處于多變復(fù)雜的狀態(tài),如經(jīng)、緯向長度變化(收縮或伸長),布面折皺、手感粗糙等,給產(chǎn)品質(zhì)量帶來了嚴重影響:針對這一問題,為了提高合成纖維的熱穩(wěn)定性,采用熱處理的方法,利用其熱塑性對合成纖維予以定型。也就是將織物在張力下置于高溫環(huán)境中(如180~200℃),并保持一定的尺寸或形態(tài),熱處理一段時間后,迅速冷卻降溫,使改變了的纖維微結(jié)構(gòu)被固定下來,在宏觀上賦予了織物相對穩(wěn)定的尺寸和形態(tài)。由于是熱處理的方法,故稱為熱定型。整個熱定型過程,可以劃分為四個階段:(1)加熱階段:干態(tài)或濕態(tài)織物進入熱定型機中,織物表面加熱到定型溫度。(2)熱平衡階段:熱能透入纖維中,使纖維表面和內(nèi)部到達同樣的定型溫度。(3)轉(zhuǎn)變及分子調(diào)整階段:纖維處在應(yīng)力作用下,當定型溫度到達以后,纖維結(jié)構(gòu)中的較弱次價交鍵即被破壞,纖維分子鏈重新取向排列。(4)冷卻階段:織物離開拉幅定型機前進行快速冷卻,于是織物的形狀就按照纖維分子新的排列狀態(tài)固定下來。本篇主要以滌綸、氨綸為代表重點介紹合成纖維的熱定型。1熱定位原理1.1大厚度對滌綸結(jié)晶過程的影響滌綸及其紡織品(紗線及織物等)在紡織及染整加工過程中,由于受到牽引、拉伸、扭曲等機械作用而發(fā)生某種程度的形變。這種形變由于發(fā)生在滌綸的玻璃化溫度(Tg=81℃)以下,因此保留下來的形變屬強迫高彈形變,即使在外力除去后也不是完全能回復(fù)的。形變保留在纖維上,意味著纖維內(nèi)貯存了相應(yīng)的內(nèi)應(yīng)力,使纖維處于較高的能級,因此是不穩(wěn)定的。在熱定型加工時,纖維被加熱到170~210℃之間,已大大高于Tg,因此大分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)極易發(fā)生,分子運動的結(jié)果必然自發(fā)地趨于能量最低狀態(tài):這種維持尺寸不變,使滌綸分子內(nèi)部的能量釋放出去的過程在高分子學(xué)里用“應(yīng)力松弛”這一專用術(shù)語來描述。然而在120℃以上時,滌綸還會發(fā)生另一現(xiàn)象,即“結(jié)晶化過程”。也就是滌綸的結(jié)晶度會增高,非結(jié)晶區(qū)的比例會有所減少。由于結(jié)晶是一個放熱過程,而且結(jié)晶的潛熱的量是比較大的,使滌綸內(nèi)的能量大大下降,使整個體系處于新的能量最低狀態(tài)。由此可見,滌綸熱定型時,有兩個原因使滌綸降低體系內(nèi)的能量,使它們處于能量最低狀態(tài)。據(jù)此可用下式簡潔地表示熱定型過程中滌綸的能量降低。結(jié)晶化過程+應(yīng)力松弛過程=滌綸內(nèi)能量降低過程1.2微相分離的基礎(chǔ)氨綸在熱定型時也必然會有應(yīng)力松弛過程,但不可能像滌綸那樣發(fā)生結(jié)晶化過程,因為氨綸并不存在嚴格意義上的結(jié)晶。但氨綸會發(fā)生微相分離程度的變化,如果微相分離程度增高,其客觀上的作用相當于硬段相微晶數(shù)量的增加。其次,氨綸在紡紗、織造及染整加工過程中都是在較大拉伸率條件下進行的,這與滌綸熱定型情況正好相反,滌綸是在松弛條件下進行的?？傊?氨綸熱定型通常是在有外界能量介入條件下進行的,起作用的主要是氨綸大分子中硬段取向度的提高,其次是微相分離程度的增大(它只是在溫度及拉伸率都較低的情況下才起著一定的積極作用)。2加熱設(shè)備2.1b處理織物經(jīng)過2~6只加熱烘筒(用蒸汽或煤氣作熱源)處理,然后用冷水輥筒冷卻。定型溫度可達200℃,但溫度不容易控制和調(diào)節(jié),且幅闊不能控制,易造成織物定型效果不一,目前很少采用。2.2熱定型機主要系統(tǒng)熱風拉幅定型機是目前生產(chǎn)中采用最廣泛的定型設(shè)備。由于拉幅形式不同,有布鋏拉幅定型、針板拉幅定型和針、鋏兩用拉幅定型等形式。工廠常用的有國產(chǎn)M751拉幅定型機、德國BABCOCK定型機及門富士拉幅定型機等。定型溫度和織物幅寬可以自由調(diào)節(jié),定型效果比較滿意。熱風拉幅定型機與熱風拉幅機的外形基本相同,僅加熱系統(tǒng)要求不同。熱風拉幅定型機是高溫機械,與熱風拉幅機有所不同,如忽略這一點,則將會在設(shè)備使用中遇到運行時難以調(diào)幅、布鋏刀口變形等問題。所以這類設(shè)備在設(shè)計時,應(yīng)考慮高溫運轉(zhuǎn)中布鋏的變形,導(dǎo)軌的膨脹,調(diào)幅螺桿對高溫工作的適應(yīng)性及鼓風機設(shè)備、主軸的熱膨脹,機件潤滑的耐溫性能等因素。熱風溫度?？刂圃?50~230℃之間,要求溫度保持均勻一致,允許在±3℃范圍內(nèi)波動。熱定型機的熱源除預(yù)熱區(qū)用蒸汽外,高溫區(qū)還需設(shè)電器、煤氣或熱載油等加熱裝置,使溫度達到高溫要求,也有用煤氣紅外線、熱載體油鍋爐等加熱裝置的。熱載體油鍋爐一般用重油或柴油,熱載體常用聯(lián)苯二醚混合物。熱定型機主要由進布裝置、預(yù)熱區(qū)、高溫定型區(qū)、冷卻區(qū)和出布裝置組成。進布裝置包括張力架、整緯器、吸邊器、超喂裝置、自動控制裝置、探邊器等。進布裝置的作用是,使織物在一定張力或一定松弛狀態(tài)下,經(jīng)緯線相互垂直,并能平整地進入機內(nèi)。然后織物經(jīng)頂熱區(qū)被加熱到一定溫度,避免因冷織物直接進入高溫定型區(qū),而影響定型溫度。預(yù)熱區(qū)溫度應(yīng)控制在100℃左右。預(yù)熱后的織物進入高溫定型區(qū)(有蒸汽加熱和電加熱裝置),溫度控制在150~230℃,使織物均勻受熱一定時間,達到定型要求后,再進入冷卻區(qū)迅速冷卻,最后經(jīng)出布輥、落布架落布出機。織物在機內(nèi)運行是由鋏鏈或針板、布鋏兩用鏈條帶動的。在織物出布處必須裝靜電消除器,或在落布輥前安裝噴汽管及金屬篩網(wǎng),使適量蒸汽噴在布面上,適當增加織物回潮率,減少靜電的產(chǎn)生。熱風針鋏定型機的示意圖如圖1所示。3高溫環(huán)境中的處理織物進行熱定型加工時,通常是在干態(tài)下施與織物一定張力,保持一定尺寸,于高溫環(huán)境中處理一定時間來完成的。為了加強定型作用及效果,降低定型溫度,也可以水作為增塑劑,在織物含水的情況下或在水中進行熱處理,因此熱定型工藝按是否含增塑劑水可分為干熱定型和濕熱定型兩大基本工藝。3.1兩種定型工藝的對比干熱定型工藝是使織物在干態(tài)、無水的情況下進行熱處理。通常采用熱風加熱或紅外線輻射加熱方式。干熱定型工藝流程主要有以下幾種:(1)燒毛→練漂→絲光→定型→染色或印花→后處理(2)燒毛→練漂→定型→絲光→染色或印花→后處理(3)燒毛→練漂→絲光→染色或印花→定型→后處理(4)燒毛→定型→練漂→絲光→染色或印花→后處理以上幾種工藝流程的分析對比見表1。另外,在定型次數(shù)上,還對織物進行一次定型和二次定型之分。二次定型是指在全部加工過程中對織物進行了預(yù)定型和后定型的二次定型加工,其有代表性的工藝流程為:燒毛→練漂→絲光→預(yù)定型→染色→后定型→后處理。3.2濕式硬化聚酰胺和聚丙烯腈纖維及其混紡織物、某些聚酯變形紗織物多采用濕熱定型工藝,濕熱定型的溫度要低于干熱定型。濕熱定型的方法主要有:3.2.1完成水浴的方法將織物在110℃沸水中處理0.5~2h,該法簡便易行,但定型效果差,定型后織物仍有較大的熱收縮率。3.2.2高壓飽和蒸汽處理織物定型在高壓釜中進行,用110~135℃的高壓飽和蒸汽處理織物20~30min,可獲得良好的定型效果。該法需特殊耐壓設(shè)備,生產(chǎn)不能連續(xù)進行。3.2.3圖12用過熱蒸汽在常壓下處理織物,溫度可達130℃左右。該法能縮短熱處理時間,生產(chǎn)效率高,能提高色澤鮮艷度,防止纖維泛黃,改善織物的手感、風格和彈性。4影響熱定型的因素合成纖維熱定型時,主要受溫度、時間、張力和膨化劑等因素的影響,這些因素的合理控制對獲得良好的熱定型效果有著十分重要的意義。4.1溫度織物熱定型后熱收縮性、機械性能、上染性、白度等均與定型溫度有著密切關(guān)系。4.1.1定型溫度對染料上染率的影響由于腈綸及其混紡織物使用陽離子染料染色,它的上染率與共聚物中二元、三元單體的結(jié)構(gòu)有關(guān)。要改善上染率,常常在染色的工藝及助劑上作優(yōu)選。腈綸在染陽離子染料時有一個明顯的特點,即在染液溫度超過玻璃化溫度以后,上染率迅速提高,如95℃染色1min的上染率超過75℃染3h的上染率。另外,染色時溫度超過玻璃化溫度,纖維也處在濕熱定型的過程之中。因此,實際上隨著腈綸織物濕熱定型溫度一定的提高,上染率也相應(yīng)有一定的提高。滌綸及其與棉、粘膠纖維混紡織物的上染率與染前的定型溫度也存在著一定的關(guān)系?？椢镌诟邷馗邏喝旧珪r,定型溫度與染料在纖維上的上染率呈下凹形曲線關(guān)系。當定型溫度在190℃以下時,由于纖維的結(jié)晶度提高,染料的上染量減少,在190℃時為最低點。當溫度上升到190℃以上時,纖維的結(jié)晶度不斷提高,晶粒尺寸增大,但單個晶體周圍的無定型區(qū)體積也相應(yīng)增大,晶粒之間的孔隙變大,這樣染料分子在纖維上的吸收量也隨之增加。尤其是在高溫高壓卷染的情況下,染色時間長,染料有足夠的時間擴散到纖維中去。所以,染料的吸收量在190℃以上隨著定型溫度的提高而增加。但是,也有某些特定染料對熱處理并不敏感,它們的上染率的變化成一定的線性關(guān)系,即定型溫度高時上染率低。在熱熔染色過程中,定型溫度對染料的上染率也存在一定的影響。分散染料在滌綸上的上染過程,實質(zhì)上是染料分子從染液中不斷擴散到纖維表面,再擴散到纖維內(nèi)部的過程。其擴散程度達到一定平衡狀態(tài)時,纖維的上染速率就達到動平衡的狀態(tài)。隨著纖維受熱情況的變化和內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)的改變,這種動平衡失去原有的狀態(tài)而相應(yīng)地變化成新的動平衡狀態(tài)。隨著定型溫度的提高,分散染料在滌綸上的上染率不斷下降。這與高溫高壓染色時的情況有所不同。一般認為,這是由于在熱熔染色時的固色時間僅僅在幾十秒內(nèi)完成,染料分子沒有足夠的時間擴散所造成。也有人認為,這是由于滌綸分子結(jié)晶折疊程度在高溫下不斷提高,結(jié)構(gòu)更緊密,染料分子難以向纖維內(nèi)部擴散所造成。而在實際生產(chǎn)中,織物的上染率是隨著坯布的規(guī)格、混紡比的大小、不同溫度型分散染料的性質(zhì)而有所區(qū)別的。4.1.2保證區(qū)的完整性腈綸及其混紡織物的熱收縮與滌綸有不同。這是因為腈綸的熱定型溫度受分子結(jié)構(gòu)的限制,一般干態(tài)時為140~160℃。通過X射線衍射測得其定型后結(jié)晶度僅提高3%,但是晶區(qū)的完整性有顯著提高。所以,腈綸織物在張力下于140~160℃定型后,纖維的彈性模數(shù)減少,延伸度增加,使織物在沸水中的收縮減少。由于腈綸定型須在比較小的溫度范圍內(nèi)進行(如果高于160℃,纖維要由黃變焦而降低強力),所以溫度與收縮率之間的關(guān)系,以未定型與定型之間的對比就顯得更為重要,兩者之間的差距較大。定型后的織物尺寸,穩(wěn)定性有較大的提高。含滌的混紡織物經(jīng)過熱定型處理后,其尺寸穩(wěn)定性相對提高?？椢锝?jīng)過熱定型后,熱收縮穩(wěn)定性提高的原因在于滌綸分子結(jié)構(gòu)的變化和密度增大。4.1.3織物的折兩種回復(fù)性合成纖維及其混紡織物的抗皺免燙性能與定型溫度有著很重要的關(guān)系。滌綸及混紡織物在一定范圍內(nèi),折皺回復(fù)角隨著定型溫度提高而增加,織物的折皺回復(fù)性優(yōu)于未定型織物。而當定型溫度達200℃以上時,折皺回復(fù)角隨定型溫度的提高而降低,且手感變硬,故單從抗皺性能考慮,定型溫度以低于200℃為宜。錦綸織物濕回彈性隨著定型溫度和定型時間的提高,濕抗皺性得到明顯改善;另外在同一定型溫度下,定型時間在30s以內(nèi)時,曲線急劇上升,幅度變化大,當定型時間大于30s以后,曲線趨于平緩,回復(fù)角變化幅度減小。4.1.4布面帶堿不勻定型時影響織物白度的因素中,定型前布面的酸堿值是一個突出的因素。布面帶堿,pH值在8以上,經(jīng)過熱定型后會泛黃,其程度與布面帶堿的多少有關(guān)。布面帶堿量越大,泛黃程度越嚴重,如果布面帶堿不勻,其泛黃也呈不勻。因此,定型前的織物除要求白度本身均勻外,還要使帶堿量少而勻,其標準一般是布面pH值在8以下。除此以外,定型時溫度的高低也將影響白度,不論何種織物,定型后的白度值都隨著定型溫度的上升而下降。其中純粘纖織物下降的幅度大于滌粘混紡織物及純滌綸織物。其原因是粘膠纖維通過熱定型后,其含水量逐漸減少,部分纖維脫水炭化而泛黃。滌棉混紡織物同樣也有這種情況。另外,即使在較低溫度下定型,如果時間較長,同樣也會使纖維素纖維部分脫水而泛黃。4.1.5定型織物折打印性熱定型處理后的冷卻降溫條件對定型織物的物理機械性能有較大的影響,冷卻溫度越高,楊氏模量越大。一般來講,楊氏模量與織物的折皺回復(fù)性能有直接關(guān)系,高模量的纖維必然使織物具有良好的折皺回復(fù)性。由此可以得出:冷卻溫度的提高,也有助于定型織物折皺回復(fù)性的提高。在同一定型溫度下,較高的冷卻溫度對應(yīng)較大的折皺回復(fù)角,冷卻得越緩慢,織物的折皺回復(fù)性越好。4.1.6定型前織物的含潮率控制熱定型工藝中規(guī)定的溫度通常是指織物基質(zhì)實際所到達的溫度,它是保證定型質(zhì)量的最重要因素。然而合成纖維的熱定型是在熱定型機中進行的。定型機上儀表所指示的溫度,實際上僅表示定型機烘室內(nèi)所達到的溫度值,而并不能說明織物主體實際所達到的溫度,因而機器烘室溫度與織物主體溫度之間存在著差異。在熱定型過程中,烘室溫度一般可控制固定不變,而織物主體溫度則隨著織物纖維、組織結(jié)構(gòu)、運行速度等因素的不同而變化著。由于織物表面的實體溫度在實際生產(chǎn)中難以測試并顯示出來,故工藝上的定型溫度往往被機器的烘室溫度所代替,這種固定的烘室溫度與變化的織物主體表面溫度的差異,會給熱定型質(zhì)量帶來一定影響。在某一烘室溫度下,織物主體還需一個升溫過程,升溫速率還要受織物品種及組織結(jié)構(gòu)、運行車速等因素的限制,往往織物主體表面的實際溫度低于機器烘室的溫度,這顯然是無法獲得良好定型效果的。為了合理解決這一問題,通?？刹扇∫韵聨讉€措施:(1)降低織物含潮率,實踐表明,定型前織物的含潮率控制在10%以下為宜。(2)定型前的紅外預(yù)烘。(3)提高烘室溫度,一般烘室溫度可控制在200℃左右。(4)合理控制定型機烘室溫度梯度。對于定型機前后加熱區(qū)溫度的合理分配,形成一溫度梯度。在溫度控制方式上一般有前低后高、前高后低或前后相同三種方式。從提高織物主體表面溫度,減少織物升溫時間角度看,前低后高將延長織物升溫時間,而前高后低將減少織物高溫定型時間,因此采用前后一致的溫度分配方式較為合理。(5)合理控制車速。4.2熱滲透時間與定型時間織物在熱定型處理過程中,整個加工時間可以劃分為下列幾部分:(1)加熱時間:織物進入定型機后,織物表面被加熱到定型溫度所需要的時間。(2)熱滲透時間:熱量由織物表面向織物纖維內(nèi)部滲透,使織物纖維各部分均達相同的定型溫度所需要的時間。(3)纖維大分子重排、調(diào)整時間:織物主體達到定型溫度后,纖維大分子按定型條件進行結(jié)構(gòu)調(diào)整所需要的時間。(4)冷卻時間:織物出定型機烘室后,被冷卻降溫,使結(jié)構(gòu)形態(tài)固定下來所需要的時間。通常工藝上所指的定型時間不包括冷卻時間,而加熱時間被看成定型準備時間。因此一般對定型時間的控制往往集中在熱滲透時間和大分子重排調(diào)整時間上?？椢锏臒釢B透時間(包括加熱時間)與定型機加熱方式、熱源種類、纖維導(dǎo)熱性、織物組織結(jié)構(gòu)含潮率等因素有密切關(guān)系。燃氣直接燃燒方式供熱的定型機比間接供熱式熱風定型機,傳熱效率高,升溫速度快,定型時間短,同一纖維織物,在指定設(shè)備上,織物越厚、密、重,含潮率越高,則所需的定型時間越長。綜合考慮各方面的影響,實踐表明加熱和滲透時間大約需要2~15s。分子重排調(diào)整所需要的時間是一個很快的過程,在1~2s內(nèi)即可完成。因此只需保證將織物均勻地加熱到所需定型溫度,其后的分子重排、調(diào)整過程極快,所需時間可以忽略不計。實踐表明,定型時間過長,不但對提高織物尺寸穩(wěn)定性無明顯作用,還會導(dǎo)致織物的白度下降,手感發(fā)硬,強力損失。在相同定型溫度下,隨著定型時間的延長,織物干熱收縮率降低,其中經(jīng)向下降趨勢明顯,而緯向達到一定時間后,收縮率下降幅度不明顯甚至不變。一般織物定型時間控制在20~30s,已能達到穩(wěn)定尺寸,降低熱收縮率的目的?？椢锝?jīng)熱處理后,冷卻固化的速率應(yīng)適中,若冷卻時間太短或冷卻不夠,易引起織物進一步的形變。冷卻降溫速率過快,將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,使織物變得易起皺,缺乏身骨;若冷卻速率過慢則生產(chǎn)效率低。4.3冷卻滌綸織物的收縮率張力對熱定型質(zhì)量及產(chǎn)品性能指標(如熱收縮率、強力、斷裂延伸度)均有一定程度的影響。對于合成纖維等熱塑性纖維,當織物在松弛狀態(tài)下進行熱處理時,經(jīng)、緯向收縮率可達5%以上;而在一定張力下對織物進行熱處理時,由于大分子鏈沿外力方向伸長、移動、重排,使纖維更加致密,取向度更高,一旦這種狀態(tài)被冷卻固定下來后,織物收縮率可大幅度降低,甚至降為零,尺寸穩(wěn)定性得到根本改善。因此在定型過程中對織物施加一定的張力,有助于定型效果的提高。張力下熱定型時,需在織物經(jīng)、緯向施加不同的張力,張力的大小,視產(chǎn)品質(zhì)量要求而定,通常在熱定型過程中,經(jīng)向張力以超喂率來表示,緯向張力以織物拉幅量來表示。在定型設(shè)備上,經(jīng)向張力由機械拉伸及超喂裝置來控制,緯向張力由針板或布鋏拉幅裝