一种显真色多沟槽截面纤维及其制备方法 技术领域 本发明属于异形截面纤维及其制备领域， 特别涉及一种显真色多沟槽截面纤维及 其制备方法。
背景技术 异形纤维以不同的纤维原料和丰富的截面形状大大改善了纤维的性能， 成为仿天 然织物、 非织造布与仿皮涂层的理想原料。美国杜邦 (Du Pont) 公司于 1953 年采用膨化 粘着法纺制出三角形截面纤维， 提出了复合纺丝法制成复合纤维后再经分离制造异形纤维 的途径， 接着又申请了四角截面丝 (US patent Office， Patent No.3109220) 和五角截面 丝 (US patent Office， Patent No.3109768) 的专利， 20 世纪 60 年代初杜邦公司研制了 保暖性好的尼龙 66 中空纤维 (US patent Office， Patent No.002804645， Robert E.W.， Wilmington D. ； Du Pont de Nemours and Company， May 1953.)。
日本从 20 世纪 60 年代开始研制异形纤维， 随后英国、 意大利和前苏联等国家也相 继研制该类产品。到 70 年代， 日本加紧新产品 - 差别化纤维、 功能性纤维和高性能纤维的 研究开发， 东丽 (Toray) 公司推出 “仿麂皮” 超细纤维织物， 帝人 (Teijin)、 钟纺、 尤尼吉卡 (Unitika)、 东洋纺等公司也推出了具有高附加值的异形细旦纤维产品。80 年代末期， 日本 推出 “新合纤” 概念， 从模仿天然纤维到超越天然纤维， 标志着化纤的发展已从仿天然纤维 风格进入到在 “合纤领域中创造” 的阶段， 日本在异形纤维的开发和应用上已走在世界的前 列。 日本的尤尼吉卡公司研制生产的牙齿形横截面与多叶并列聚酯混纤丝纤维显示了超天 然丝绸的手感和光泽 (Unitika， JP6983， 1987 ； Unitika， JP11279897， 1999)。日本的旭化成 Asahi 化学工业有限公司开发了具有 W 形截面异形聚酯混纤长丝， 改进了纤维的吸水性， 提 高了织物的染色性 (JP 11222721， 1999)。日本东丽公司采用复合纺丝技术， 开发出三花瓣 截面的聚酯纤维 “Sillook Royal” ， 其织物的摩擦声响与真丝的 “丝鸣” 已十分接近 (Toray， JP14940， 1991 ； Toray， JP14941， 1991 ； Toray， JP124807， 1991)。日本可乐丽 (Karare) 公 司开发的 “Silcarat” 是三角截面芯鞘型复合聚酯纤维， 折光指数接近棉纤维和聚酰胺纤维 的折光指数， 加之其芯部形状为带有三个尖角的圆形， 有利于光线从芯鞘交界面折射出去， 并与从三角棱柱形的鞘部 ( 纤维表面 ) 反射出去的无色光叠加， 从而产生光彩夺目的效果 (Karare， JP104811， 1989 ； Karare， JP104812， 1989)。
目前工业化生产的异形纤维主要有三角形、 三叶形、 四叶形、 五叶形、 五角形、 六叶 形、 八叶形、 Y 形、 T 形、 山字形、 I 或 H 或工字型、 W 形， 扇形、 井字形、 中空以及多边形或多叶 形与中空等截面的复合形态。 不同截面形态的异形纤维对纤维集合体的弯曲、 压缩、 手感和 表面特性都有着非常显著的影响， 其重要特性表现在因高比表面积而具有高芯吸和高导湿 的特性， 尤其表现在光学性质方面， 三角形截面涤纶会发出类似丝绸般的光泽， 而五叶形截 面显示出类似人造丝， 醋酯丝般的光泽， 异形纤维的性质随截面形状不同而异。
天然异形截面纤维蚕丝的横截面呈近似三角形， 可使纤维表面产生的反射光亮增 强， 而且蚕丝纤维由原纤组成， 原纤呈层状排列， 使照射到纤维或织物的光线进入纤维内部
后层层折射、 反射后在纤维外表面产生光干涉， 形成光泽亮丽、 悦目的闪光效应。棉纤维也 有日轮层结构， 层层折射、 反射后纤维外表面有彩度， 光泽也很优美。羊毛的鳞片也能产生 膘光等视觉美感。同时， 所有天然纤维表面都不平整， 存在细沟槽或鳞片， 这使得纤维外表 面反射光发生充分的散射， 任一方向上的外表面反射光强度大幅度降低， 织物能够充分显 示来自纤维内部的有色光线。由于物体外表面反射光波长等于入射光波长， 使外表面反射 光一般呈现入射光的白色。
然而， 普通化学纤维内部很难作出层状结构， 尤其是合成纤维表面光滑， 使得纤维 外表面反射的白光很强， 在制作深色纺织品时颜色明显发白、 发灰， 存在表观颜色较浅或显 示真正颜色的性能差、 手感蜡状感等缺点。 发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种显真色多沟槽截面纤维及其制备方法， 该 纤维染色后具有较深、 较纯正的颜色， 且导湿性能得到提高， 消除了表面蜡状感 ； 该制备方 法简单， 对设备要求低， 可大规模生产。
本发明的一种显真色多沟槽截面纤维， 该纤维截面为沟槽状， 沟槽数为 1 ～ 14。 所述的纤维截面有对称式、 错位式或两种方式组合排列的微孔单元。
所述的多沟槽截面纤维的单丝纤度为 1.0 ～ 15dtex， 是由适合熔融纺丝的大有光 或半消光聚酯、 聚酰胺的切片或熔体直纺原料纺丝制得。
所述的大有光或半消光聚酯、 聚酰胺优选为聚对苯二甲酸乙二醇酯 PET 或聚对苯 二甲酸丙二醇酯 PTT。
所述的沟槽的平均深度为 2 ～ 30μm， 沟槽平均宽度为 2 ～ 30μm。
本发明的一种显真色多沟槽横截面纤维的制备方法， 包括 ：
将干燥后的高聚物切片或熔体通过螺杆挤出机纺丝组件， 进行熔融纺丝， 经侧吹 风冷却， 进行上油， 卷绕， 得到多沟槽横截面纤维 POY， 然后牵伸得到多沟槽横截面纤维 DT 丝或加弹得到多沟槽横截面纤维 DTY 丝 ；
或将干燥后的高聚物切片或熔体通过螺杆挤出机纺丝组件， 进行熔融纺丝， 经侧 吹风冷却， 进行上油， 牵伸， 卷绕， 最后得到多沟槽横截面纤维 FDY 长丝 ；
其中熔融纺丝中喷丝板的喷丝孔为多沟槽结构， 沟槽数为 1 ～ 14。
所述的高聚物为适合熔融纺丝的大有光或半消光聚酯、 聚酰胺类高聚物， 优选为 聚对苯二甲酸乙二醇酯 PET 或聚对苯二甲酸丙二醇酯 PTT。
所述喷丝板的厚度为 5 ～ 15mm， 喷丝板上复丝的排列方式与常规纤维类似， 例如 图 3 所示。
所述的喷丝孔为纵向， 其长径比为 0.5 ∶ 1-5 ∶ 1 ； 单根纤维喷丝孔的排列形式为 整体式或分离式， 整体式是单个异形孔如图 1 和图 2 的 b-1 和 b-2 所示， 分离式由 1-15 个 规则的基本微孔单元组成， 如附图 1 ～图 2 的 a-1 和 a-2 所示， 其中一个为主微孔， 其余皆 为侧微孔， 侧微孔以主微孔为轴呈现为对称式和错位置的分布， 纺丝熔体经分离式微孔喷 出后膨化粘合成一个多沟槽横截面结构。
单 根 纤 维 的 整 体 式 和 分 离 式 喷 丝 孔 的 参 数 设 计 如 下 ( 参 见 图 1- 图 2) ： 0.05 ≤ d ≤ 0.30mm， 0.08 ≤ s ≤ 0.30mm， 0.05 ≤ h ≤ 0.25mm， 0.20 ≤ L ≤ 1.20mm，
0.02 ≤ p ≤ 0.06mm， 0.05 ≤ W ≤ 0.20mm， 0.05 ≤ g ≤ 0.10， 0.04mm ≤ r ≤ d， 其中， L和W 分别是主微孔的长度和宽度， h 和 d 分别是侧微孔的长度和宽度 ； p 是侧微孔与主微孔的间 距， g 是最边缘的侧微孔与主微孔的基准距 ( 在矩形侧微孔结构中是最边缘的侧微孔外侧 与主微孔外侧之间的距离 ； 在椭圆侧微孔结构中是最边缘的侧微孔的长轴与主微孔外侧之 间的距离 )， r 是侧微孔在主微孔上的开口尺寸。
所 述 的 沟 槽 中 每 个 沟 槽 的 平 均 深 度 为 0.15 ～ 0.60mm， 平 均 宽 度 为 0.10 ～ 0.30mm。
本发明的纤维具有表面曲率变化大和多沟槽异形截面特性， 能够使纤维集合体对 外表面反射光发生充分散射， 降低处于某一观察位置的人眼能够看到纤维表面反射光的 量， 并且使光线在纤维沟槽之间及内部发生多次的反射折射而增加来自纤维内部的反射光 含量， 进而使染色后的纤维集合体具有较深、 较纯正的颜色。同时， 可以提高纤维的导湿性 能， 消除表面蜡状感。
本发明的技术原理是将数值模拟技术引入纤维形态结构设计， 纤维横截面设计遵 循三原则 ： (1) 增大纤维表面曲率， 让纤维的外表面产生的反射光发生充分散射 ； (2) 增大 纤维比表面积， 让光线有更多机会进入纤维内部， 这部分光线经内表面反射到纤维集合体 外部时就会显示纤维的纯正颜色 ； (3) 让纤维内表面对光线进行反射并汇聚， 增强纤维集 合体表面有色光的含量。
例如， 我们对圆形、 三叶形和四叶形截面 PET 纤维的反射光方向分布计算结果见 图 4， 其中图 4(d) 为三叶形截面纤维的光路坐标图， 横坐标 αt 表示纤维表面任意一点与坐 标原点连线和 Y 轴正向的夹角 ( 弧度 )， 纵坐标 βr 表示纤维表面任意一点的反射光线和 Y 轴正向的夹角 ( 弧度 )， θ0 表示入射光线与 Y 轴正向夹角， 其它二种纤维有类似的坐标系 和各角度定义。在 3 种入射角度 θ0 ＝ π/3rad、 θ0 ＝ π/4rad、 θ0 ＝ π/6rad 条件下， 纤 维表面不同位置 αt 处的反射光方向角分别如图 4(a)、 4(b) 和 4(c) 所示， 圆形、 三叶形和 四叶形纤维的表面反射光方向 βr 变化幅度范围大致分别为 2rad、 3rad、 2rad， 更重要的是 四叶形纤维的反射光方向变化快， 使得处于某一方向的观察者只能看到纤维表面某一狭长 条的反射光， 看到表面反射光的量自然减小。 另外， 三叶形和四叶形截面纤维的折射光方向 变化并非单调， βr 增大部分类似凸透镜效果， βr 逐渐减小部分表现为对光线有散射的作 用， 类似凹透镜效果， 综合效果造成折射光及透射光方向的扭曲变化， 对纤维集合体的遮蔽 性能也有好处。
对于多沟槽异形截面纤维而言， 截面沟槽凹凸的个数越多以及沟槽的深度越大， 表面曲率变化频数较大， 光线在纤维沟槽外表面的散射分布方向更加散乱， 以及经过多次 的反射而衰减， 使得表面反射光的强度和方向性变差。而在纤维内部的光线经过多次的反 射折射， 使得内部折射光透射出纤维表面光线产生的色光的数量增多， 因而体现纤维本身 的颜色。
有益效果 ：
(1) 本发明的纤维染色后具有较深、 较纯正的颜色， 且导湿性能得到提高， 消除表 面蜡状感。
(2) 本发明的制备方法简单， 对设备要求低， 可大规模生产。附图说明 图 1 是矩形单元的多沟槽异形截面纤维喷丝孔设计 ； 其中 a-1 为分离式对称排列， a-2 为分离式对错排列， b-1 为整体式对称排列， b-2 为整体式对错排列 ；
图 2 是椭圆单元的多沟槽异形截面纤维喷丝孔设计 ；
图 3 是喷丝板上复丝喷丝孔的排列示意 ；
图 4 是圆形、 三叶形和四叶形纤维的表面反射光方向角分布 ；
图 5 是本发明的多沟槽异形截面纤维模拟效果示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例， 进一步阐述本发明。 应理解， 这些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围。 此外应理解， 在阅读了本发明讲授的内容之后， 本领域技术人 员可以对本发明作各种改动或修改， 这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定 的范围。
实施例 1
制作 222.2dtex/24F 的 PET DTY 长丝。 原料 ： PET， 特性粘度 (0.675±0.015)dL/g， 熔点 240 ～ 255℃
喷丝孔设计如图 1(a-1) 所示， 喷丝孔参数分别 d ＝ 0.05mm， s ＝ 0.10mm， h＝ 0.15mm， g ＝ 0.05， L ＝ 1.05mm， p ＝ 0.02mm， W ＝ 0.10mm， 2×6( 两侧各 6 条沟槽， 下同 ) 沟 槽。
采用 Foume110L 真空转鼓干燥机对 PET 切片进行干燥 ( 工艺条件 ： 温度 145℃， 时 间 48h ； 干燥后含水率 50ppm) 而得到均匀性较好的干燥切片， 送入型号为 ABEΦ25×2 的螺 杆挤出纺丝机熔融挤压， 经熔体管道进入纺丝组件由喷丝板喷出， 再经侧吹风冷却、 上油、 卷绕、 落筒， 得到 POY 丝， 最后经过第一热箱变形、 假捻器、 第二热箱定型、 上油卷绕， 其具体 纺丝工艺参数见表 1。
实施例 2
制作 111.1dtex/24F 的聚酯 PET DTY 长丝。
原料 ： PET， 特性粘度 0.496±0.015)dL/g， 熔点 240 ～ 251℃。
喷丝孔如图 1(b-1) 所示， 喷丝孔参数分别 d ＝ 0.05mm， s ＝ 0.10m， h ＝ 0.15mm， g ＝ 0.05， r ＝ 0.05， L ＝ 0.60mm， W ＝ 0.10mm， 2×3 沟槽。
采用 Foume110L 真空转鼓干燥机对 PET 切片进行干燥 ( 工艺条件 ： 温度 145℃， 时 间 48h ； 干燥后切片含水率 50ppm) 而得到均匀性较好的干燥切片， 送入型号为 ABEΦ25×2 的螺杆挤出纺丝机熔融挤压， 经熔体管道进入纺丝组件由喷丝板喷出， 再经侧吹风冷却、 上 油、 卷绕、 落筒， 得到 POY 丝， 最后经过第一热箱变形、 假捻器、 第二热箱定型、 上油卷绕， 卷 绕速度为 800m/min， 其他纺丝工艺参数同于表 2。
实施例 3
制作 111.1dtex/36F 的聚酯 PTT DTY 长丝。
原料 ： PTT， 特性粘度 (1498±0.015)dL/g， 熔点 228 ～ 233℃。
喷丝孔如图 2(a-1) 所示， 喷丝孔参数分别 d ＝ 0.08mm， s ＝ 0.10mm， h ＝ 0.12mm， g ＝ 0.05m， L ＝ 0.64mm， p ＝ 0.02mm， W ＝ 0.10mm， 2×3 沟槽。
采用 Foume110L 真空转鼓干燥机对 PET 切片进行干燥 ( 工艺条件 ： 温度 120℃， 时 间 48h ； 干燥后切片含水率 30ppm) 而得到均匀性较好的干燥切片， 送入型号为 ABEΦ25×2 的螺杆挤出纺丝机熔融挤压， 经熔体管道进入纺丝组件由喷丝板喷出， 再经侧吹风冷却、 上 油、 卷绕、 落筒， 得到 POY 丝， 最后经过第一热箱变形、 假捻器、 第二热箱定型、 上油卷绕， 其 具体纺丝工艺参数见表 2。
实施例 4
制作 83.3dtex/36F 的聚酯 PTT DTY 长丝。
原料 ： PTT， 特性粘度 1.327±0.015)dL/g， 熔点 228 ～ 233℃。
喷丝孔如图 2(b-1) 所示， 喷丝孔参数分别 d ＝ 0.10mm， s ＝ 0.12mm， h ＝ 0.12mm， g ＝ 0.05， r ＝ 0.04mm， L ＝ 0.54mm， W ＝ 0.10mm， 2×2 沟槽。
用 JM-500ZGX 真空干燥箱对 PTT 切片进行干燥 ( 工艺条件 ： 温度 120℃， 时间 48h ； 干燥后切片含水率 30ppm) 而得到均匀性较好的干燥切片， 送入型号为 ABEΦ25×2 的螺杆 挤出纺丝机熔融挤压， 经熔体管道进入纺丝组件由喷丝板喷出， 再经侧吹风冷却、 上油、 卷 绕、 落筒， 得到 POY 丝， 最后经过第一热箱变形、 假捻器、 第二热箱定型、 上油卷绕， 其中部分 的具体纺丝工艺参数见表 2。
表 1 熔融纺丝主要工艺参数表 2 熔融纺丝主要工艺参数