PET/PTT復(fù)合纖維的卷曲性能與形態(tài)結(jié)構(gòu)

郭 靜, 鄭 楠, 張 欣, 李 曉 萌

( 大連工業(yè)大學(xué) 化工與材料學(xué)院, 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

三維卷曲纖維的誕生源于人們對(duì)羊毛纖維卷曲特性的認(rèn)識(shí),Dupont公司早于上世紀(jì)60年代就率先進(jìn)行了自卷曲丙綸的研究工作,瑞士也于1996年在我國(guó)申請(qǐng)了雙組分自卷曲纖維的制造專利[1]。

PET/PTT復(fù)合纖維就是由PET(聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯Polyethylene terephthalate)、PTT (聚對(duì)苯二甲酸丙二醇酯Polytrimethylene terephthalate )兩種高聚物并列復(fù)合紡絲而成。PTT和PET兩種高聚物在相同的機(jī)械加工和熱處理后產(chǎn)生不同的收縮量,從而繞纖維軸產(chǎn)生螺旋狀彎曲,使纖維縱向呈現(xiàn)三維螺旋狀卷曲,這種卷曲的永久蓬松性、彈性、覆蓋性能等是其他機(jī)械加工方法得到的卷曲無(wú)法比擬的[2]。本文研究了濕熱處理對(duì)PET/PTT復(fù)合纖維卷曲性能和卷曲穩(wěn)定性的影響,并對(duì)PET/PTT復(fù)合纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原 料

PET/PTT復(fù)合纖維樣品規(guī)格及來(lái)源見(jiàn)表1。

表1 PET/PTT復(fù)合纖維樣品規(guī)格及來(lái)源

1.2 卷曲性能測(cè)試

1.2.1 測(cè)試前處理?xiàng)l件

本次實(shí)驗(yàn)采用的絲束分為兩種:絞絲和單絲。絞絲纏繞標(biāo)準(zhǔn)為總線密度在2 500 dtex左右,采用100 ℃的沸水熱處理30 min；單絲絲束長(zhǎng)度為50 cm左右,采用100 ℃的熱水處理30 min。處理完畢后,絲束在溫度為20 ℃、濕度為65%的環(huán)境中平衡24 h進(jìn)行測(cè)試。

1.2.2 卷縮性能測(cè)試

采用GB 6506—2001《合成纖維變形絲卷縮性能試驗(yàn)方法》[3]對(duì)絲束進(jìn)行測(cè)試。

固定絞絲一端,另一端加載0.2 cN/dtex的負(fù)荷,持續(xù)10 s后,測(cè)量絞絲長(zhǎng)度lg；改變負(fù)荷,使絞絲承受0.001 cN/dtex的張力,持續(xù)10 min后,測(cè)量絞絲長(zhǎng)度lz；改變負(fù)荷,使絞絲承受0.01 cN/dtex的張力,持續(xù)10 s后,測(cè)量絞絲長(zhǎng)度lf；改變負(fù)荷,使絞絲承受1.0 cN/dtex的張力,持續(xù)10 s后,將絞絲所承受的負(fù)荷減至0.001 cN/dtex,再持續(xù)20 min,測(cè)量絞絲的長(zhǎng)度lb。

卷曲收縮率(CC)、卷曲模量(CM)、卷曲穩(wěn)定度(CS)分別按式(1)、(2)、(3)計(jì)算:

CC=(lg-lz)/lg

(1)

CM=(lg-lf)/lg

(2)

CS=(lg-lb)/(lg-lz)

(3)

1.2.3 卷縮伸長(zhǎng)率和卷縮彈性回復(fù)率測(cè)試

從每個(gè)已經(jīng)剝?nèi)ケ韺咏z的卷裝絲上分別剪取長(zhǎng)度約50 cm的試樣兩根,放入100 ℃熱水中處理30 min,取出后進(jìn)行自然干燥。截取每根約30 cm長(zhǎng)的試樣,一端固定,另一端加載0.001 8 cN/dtex的負(fù)荷,持續(xù)30 s,在20 cm處作標(biāo)記,即為試樣的初始長(zhǎng)度l1。改變負(fù)荷為0.09 cN/dtex的負(fù)荷,持續(xù)30 s,測(cè)量標(biāo)記點(diǎn)的位置,即為試樣加重負(fù)荷時(shí)的長(zhǎng)度l2。去掉重負(fù)荷,試樣無(wú)負(fù)荷回縮2 min后再加0.001 8 cN/dtex的負(fù)荷,持續(xù)30 s,測(cè)量標(biāo)記點(diǎn)在標(biāo)尺上的位置,即為回復(fù)長(zhǎng)度l3。

緊縮伸長(zhǎng)率(CE)、彈性回復(fù)率(SR)按式(4)、(5)計(jì)算:

CE=(l2-l1)/l1

(4)

SR=(l2-l3)/(l2-l1)

(5)

1.3 力學(xué)性能測(cè)試

采用電子單紗強(qiáng)力儀(LLY-06,萊州市電子儀器有限公司)夾具上,在20 mm/min的拉伸速度和溫度為25 ℃、濕度為65%的條件下,對(duì)復(fù)合纖維力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。

1.4 表面形態(tài)及纖維斷面測(cè)試

表面形態(tài)用光學(xué)顯微鏡(中國(guó)永豐機(jī)電技術(shù)公司的XPB-01型偏光顯微鏡)觀察。

斷面形態(tài)用JSM-6460LV型掃描電子顯微鏡(日本電子株式社會(huì)提供)觀察,先將纖維置于液氮中冷卻,取出后立即用刀片切斷,觀察斷面形態(tài)。

2 結(jié)果與討論

2.1 PET/PTT復(fù)合纖維卷縮性能

2.1.1 線密度對(duì)PET/PTT復(fù)合纖維的卷縮性能的影響

由圖1可見(jiàn),卷曲收縮率、卷曲模量、緊縮伸長(zhǎng)率和卷曲穩(wěn)定度均隨著線密度的增大,在130 dtex附近達(dá)到最大值后逐漸降低。產(chǎn)生這種情況的原因在于:當(dāng)線密度較小時(shí),單根纖維的直徑較小,兩組分由于收縮率差異而產(chǎn)生的卷曲應(yīng)力相對(duì)也較小,因此卷曲收縮率和卷曲模量也較??；而由于卷曲應(yīng)力較小,在受到外力作用時(shí),應(yīng)力消除較多,因此卷曲穩(wěn)定度也較小。隨著線密度的增加,卷曲應(yīng)力也相應(yīng)增大,因此四者均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。當(dāng)線密度增大到一定程度,由于單根纖維的直徑增大或者單纖維數(shù)量增加,卷曲應(yīng)力不足以使纖維的卷曲達(dá)到最大值,因此在130 dtex后,卷曲收縮率、卷曲模量、緊縮伸長(zhǎng)率和卷曲穩(wěn)定度隨著線密度的增加而降低。

圖1 復(fù)合纖維卷縮性能隨線密度的變化

2.1.2 色母粒對(duì)PET/PTT復(fù)合纖維卷縮性能的影響

由表2可見(jiàn),未添加色母粒的復(fù)合纖維卷曲收縮率、卷曲模量和彈性恢復(fù)率均高于色母粒染色纖維,而卷曲穩(wěn)定度和緊縮伸長(zhǎng)率則低于色母粒染色纖維。這是由于:(1)在進(jìn)行濕熱處理時(shí),由于未染色纖維解取向程度相對(duì)于色母粒染色纖維高,纖維中兩組分收縮產(chǎn)生的卷曲應(yīng)力相對(duì)較大,纖維的卷曲程度也較高;(2)由于色母粒中含有小分子染料,從而擴(kuò)大了纖維中大分子鏈間距,使得大分子的運(yùn)動(dòng)較為容易,在受到外力時(shí)更容易沿外力方向上取向。

表2 色母粒對(duì)復(fù)合纖維卷縮性能的影響

2.1.3 成型工藝路線對(duì)PET/PTT復(fù)合纖維卷縮性能的影響

由表3可見(jiàn),POY-DT(后拉伸工藝)工藝得到的復(fù)合纖維的卷曲收縮率、卷曲模量、緊縮伸長(zhǎng)率、卷曲穩(wěn)定度均高于FDY(全拉伸工藝)工藝得到的纖維,而POY-DT工藝得到的復(fù)合纖維的彈性恢復(fù)率則低于FDY纖維。這是因?yàn)橛捎诠に嚶肪€的不同,由于FDY工藝的特性,絲束在受到外力作用時(shí)應(yīng)力被熱消除,因此由于收縮率差異而產(chǎn)生的卷曲應(yīng)力較POY-DT工藝得到的纖維小,因此卷曲收縮率、卷曲模量、緊縮伸長(zhǎng)率、卷曲穩(wěn)定度均較低。而FDY工藝?yán)w維彈性恢復(fù)率較大的原因則是由于纖維在受到外力后,又產(chǎn)生了一定程度的取向和解取向過(guò)程,從而產(chǎn)生了一部分卷曲應(yīng)力的緣故。

表3 工藝路線對(duì)復(fù)合纖維卷縮性能的影響(線密度:83.3 dtex)

2.2 PET/PTT復(fù)合纖維的力學(xué)性能

由表4可看出,POY-DT工藝得到的復(fù)合纖維斷裂強(qiáng)度高于FDY工藝得到的纖維,而斷裂伸長(zhǎng)則低于FDY纖維。這是因?yàn)?FDY的拉伸過(guò)程是在紡絲線上直接拉伸,拉伸過(guò)程中只有熱輥加熱,而POY-DT纖維是由POY(預(yù)取向絲)后拉伸得到的,在拉伸過(guò)程中,經(jīng)過(guò)熱輥和熱盤(pán)/熱箱加熱,因而由POY-DT工藝得到的復(fù)合纖維的結(jié)晶度和取向度均高于FDY纖維,從而斷裂強(qiáng)度高且斷裂伸長(zhǎng)低。

表4 PET/PTT復(fù)合纖維力學(xué)性能

另外,對(duì)比有色和本色纖維,有色纖維的斷裂強(qiáng)度低于本色纖維,斷裂伸長(zhǎng)稍高于本色纖維。這是由于染料為小分子物質(zhì),起到了一定的增塑效果,因此有色纖維的斷裂伸長(zhǎng)稍高于本色纖維。

2.3 纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)

由表5可見(jiàn),經(jīng)過(guò)濕熱處理后的復(fù)合纖維的卷縮半徑明顯減小,卷縮性能得到提升,從而蓬松性和彈性提高[4]。

表5 復(fù)合纖維的軸向形態(tài)結(jié)構(gòu)

Tab.5 The axial morpho structure of PET/PTT conjugated yarn

由圖2可見(jiàn),由于分子結(jié)構(gòu)的差異,組成復(fù)合纖維的PET和PTT組分在絲條成型時(shí),兩組分的孔口長(zhǎng)大效應(yīng)不一致而導(dǎo)致復(fù)合纖維的斷面并不呈圓形,而是一頭大一頭小的“梨形”且相對(duì)于圓形斷面,“梨形”斷面的長(zhǎng)寬比較大,慣性矩較大,有利于形成較大的卷曲曲率[5],而牢固的界面結(jié)合力則使絲條的卷曲能永久存在。

圖2 復(fù)合纖維斷面SEM照片

3 結(jié) 論

(1)PET/PTT復(fù)合纖維的卷曲性能隨著線密度的增加而升高,在130 dtex附近達(dá)到峰值后逐漸下降。

(2)色母粒的加入對(duì)纖維中大分子的躍遷有一定影響,使得未添加色母粒的復(fù)合纖維卷曲收縮率、卷曲模量和彈性恢復(fù)率均高于色母粒染色

纖維,而卷曲穩(wěn)定度和緊縮伸長(zhǎng)率則低于色母粒染色纖維。

(3)POY-DT工藝得到的復(fù)合纖維的卷曲收縮率、卷曲模量、緊縮伸長(zhǎng)率、卷曲穩(wěn)定度均高于FDY工藝得到的纖維,而POY-DT工藝得到的復(fù)合纖維的彈性恢復(fù)率則低于FDY纖維；且POY-DT工藝得到的復(fù)合纖維斷裂強(qiáng)度高于FDY工藝得到的纖維,而斷裂伸長(zhǎng)則低于FDY纖維。

(4)經(jīng)過(guò)濕熱處理后的復(fù)合纖維的卷縮半徑明顯減小,卷縮性能得到提升。

[1] 沈新元,吳向東.高分子材料加工原理[M].北京:中國(guó)紡織出版社, 2000:265,276,278,285

[2] RWEO S P, LIN Y T, SU Y Y. Study of self-crimp polyester fibers[J]. Polymer Engineering and Science, 2005, 45(6) :838-845.

[3] 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6506-2001. 合成纖維變形絲卷縮性能試驗(yàn)方法[S]. (2001-05-23)[2010-9-21]. http://www.doc88.com/p-79459339537. html.

[4] 羅錦,徐廣標(biāo),王府梅. 濕熱處理對(duì)PTT/PET自卷曲纖維卷曲性能的影響[J]. 國(guó)際紡織導(dǎo)報(bào), 2008(11):31-34.

[5] 王江水,羅錦,王府梅. PTT/PET并列復(fù)合纖維的自卷曲形態(tài)[J]. 東華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2009, 35(4):401-405.