大直徑濾用聚合物單絲的熱處理

馬海燕 劉兆峰 張 軍 馬海軍 (.東華大學(xué)纖維材料改性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海，0005; .南通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，南通，6000)

大直徑濾用聚合物單絲的熱處理

馬海燕1，2劉兆峰1張 軍2馬海軍2(1.東華大學(xué)纖維材料改性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海，200051; 2.南通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，南通，226000)

將大直徑聚丙烯(PP)、聚己內(nèi)酰胺(PA6)、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚苯硫醚(PPS)單絲進(jìn)行熱處理，測試?yán)w維的拉伸強(qiáng)度及勾結(jié)強(qiáng)度。數(shù)據(jù)表明:PP纖維的強(qiáng)損溫度為120～130℃，PA6纖維的強(qiáng)損溫度在150℃左右，PET纖維的強(qiáng)損溫度為160～170℃，而PPS纖維的強(qiáng)損溫度為220～230℃。因此PPS單絲的熱穩(wěn)定性優(yōu)于其他幾種聚合物單絲。

單絲，熱處理，結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度

高效機(jī)織過濾織物的原料通常采用直徑為0.10 ～0.50 mm 的聚酰胺(PA6)、聚酯(PET)、聚烯烴(PP)單絲，但這些聚合物單絲不能滿足強(qiáng)酸、強(qiáng)堿及180℃以上溫度條件下可長期使用的要求［1-6]。聚苯硫醚(PPS)是一種半結(jié)晶聚合物，以苯環(huán)在對(duì)位上聯(lián)接硫原子而形成剛性主鏈，結(jié)構(gòu)上由于大π鍵的存在，所以性能極其穩(wěn)定。PPS纖維在95℃下，浸泡在各種酸、堿、有機(jī)溶劑及氧化劑中一周，測出的纖維強(qiáng)度保持率基本為100%，可見PPS纖維具有優(yōu)良的耐化學(xué)性。PPS纖維的熱穩(wěn)定性優(yōu)良，它具有出色的耐高溫性，熔點(diǎn)達(dá)285℃，高于目前工業(yè)化生產(chǎn)的其他熔紡纖維［7-9]。本文通過對(duì)大直徑聚丙烯(PP)、聚己內(nèi)酰胺(PA6)、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)、PPS單絲的熱處理，測試單絲的結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能變化。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

PP 單絲:0.12、0.25 mm;

PA6 單絲:0.12、0.20 mm;

PET 單絲:0.12、0.18 mm;

PPS 單絲:0.20、0.45 mm。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

差示掃描量熱儀:200 F3型，德國耐馳儀器制造有限公司，溫度范圍為室溫～400℃，升溫速率為10℃/min，參比物為石英砂，測試氣氛為氮?dú)獗Ｗo(hù)，氮?dú)饬髁繛?0 mL/min。

掃描電子顯微鏡:S-550型，日本日立公司，將初生纖維置于液氮中，在超低溫冷卻狀態(tài)下折斷制得橫向斷口。在纖維表面鍍上一層金屬膜后，通過掃描電鏡觀察其截面和表面的形態(tài)。

電子強(qiáng)力儀:GY061型，萊州市儀器有限公司，量程為130 N，拉伸速度為100 cm/min，試樣定長為250 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 大直徑聚合物單絲的熱分析

對(duì)大直徑 PP、PA6、PET、PPS單絲進(jìn)行熱分析，結(jié)果見圖1和表1。

由圖1和表1可以看出，PPS的熔點(diǎn)最高，達(dá)到280℃左右。這主要是由于PPS是一種半結(jié)晶聚合物，它以苯環(huán)在對(duì)位上聯(lián)接硫原子而形成剛性主鏈，同時(shí)結(jié)構(gòu)上有大π鍵的存在。

圖1 不同聚合物單絲的DSC圖

表1 PPS、PET、PP、PA6 單絲的熱分析數(shù)據(jù)

2.2 熱處理溫度對(duì)單絲強(qiáng)度的影響

圖2和圖3分別為熱處理時(shí)間為60 min時(shí)，各種單絲的斷裂強(qiáng)度及勾結(jié)強(qiáng)度與溫度的關(guān)系。

圖2 熱處理時(shí)間為60 min時(shí)斷裂強(qiáng)度與溫度的關(guān)系

圖3 熱處理時(shí)間為60 min時(shí)勾結(jié)強(qiáng)度與溫度的關(guān)系

由圖2及圖3可知，當(dāng)纖維熱處理時(shí)間一定時(shí)，隨著溫度的升高，PP單絲的斷裂強(qiáng)度損失最大，PPS的斷裂強(qiáng)度損失最小，說明PPS纖維具有良好的熱穩(wěn)定性［10]。當(dāng)溫度低于220℃時(shí)，PPS纖維的斷裂強(qiáng)度幾乎不受溫度影響，這主要與PPS自身的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)［11]。PPS分子鏈?zhǔn)怯杀江h(huán)經(jīng)對(duì)位硫原子交替連接構(gòu)成的，分子結(jié)構(gòu)中含有剛性、耐熱性好的亞苯基及柔性、耐熱性好的硫醚鍵，且苯環(huán)的剛性結(jié)構(gòu)由柔性的硫醚鍵連接起來，故PPS纖維比常規(guī)纖維具有更優(yōu)良的耐熱性和熱穩(wěn)定性［12-14]。

2.3 熱處理時(shí)間對(duì)單絲強(qiáng)度的影響

圖4為熱處理溫度分別為150、180、210和230℃時(shí)，各種單絲的斷裂強(qiáng)度與時(shí)間的關(guān)系。

由圖4可以看出，在同一溫度下，隨著熱處理時(shí)間的延長，四種纖維的斷裂強(qiáng)度都有所下降，其中PP纖維的強(qiáng)度下降最為明顯，其次是PA6、PET纖維。PPS在230℃下熱處理時(shí)，隨著熱處理時(shí)間的增加，強(qiáng)度損失仍不明顯，可見PPS具有優(yōu)良的耐熱性能，能在較高的溫度下長期使用。

在熱處理過程中，溫度的高低極為重要。當(dāng)溫度接近各種纖維的軟化點(diǎn)時(shí)，分子鏈的運(yùn)動(dòng)過分劇烈，不僅消除了纖維上的內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)使纖維結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大變化，會(huì)出現(xiàn)解取向，結(jié)晶度也發(fā)生變化，從而導(dǎo)致纖維的強(qiáng)度大幅度下降。

2.4 熱處理對(duì)聚合物單絲結(jié)構(gòu)的影響

圖5為各種單絲經(jīng)不同溫度熱處理后的SEM圖。

由圖5可以看出，隨著熱處理溫度的提高，各聚合物單絲的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了不同程度的疏松，而PPS纖維在230℃的熱處理溫度下仍能保持其原有的結(jié)構(gòu)，不出現(xiàn)疏松。

3 結(jié)論

(1)PP纖維的強(qiáng)損溫度為120～130℃，PA6纖維的強(qiáng)損溫度在150℃左右，PET纖維的強(qiáng)損溫度為160～170℃，而PPS纖維的強(qiáng)損溫度為220～230℃，表明PPS纖維具有優(yōu)良的耐熱性能。

(2)隨著熱處理溫度的提高，各聚合物單絲的結(jié)構(gòu)均出現(xiàn)了不同程度的疏松，而PPS纖維在230℃下仍能保持其原有的形態(tài)結(jié)構(gòu)。

圖4 不同熱處理溫度時(shí)纖維斷裂強(qiáng)度與時(shí)間的關(guān)系

圖5 不同熱處理溫度處理后纖維的SEM圖

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The heat treatment of the large diameter filter monofilaments

Ma Haiyan1，2，Liu Zhaofeng1，Zhang Jun2，Ma Haijun2

(1.State Key Laboratory of Fibers Modification，Donghua University;2.College of Chemistry and Chemical Engineering，Nantong University)

The tensile strength and loop strength of the large diameter monofilaments of PP，PA6，PET，PPS were tested respectively after the heat treatment.The results showed that the temperature of strength loss of PP monofilaments was 120～130℃，the temperature of strength loss of PA6 monofilaments was about 150℃，the temperature of strength loss of PET monofilaments was 160～170℃ and the temperature of strength loss of PPS monofilaments was 220～230℃.The heat resistance of the PPS monofilaments was superior to that of other monofilaments.

monofilament，heat treatment，structure，strength

TQ342.62

A

1004－7093(2011)04－0032－04

2010－08－19;修改稿:2011－03－11

馬海燕，男，1964年生，高級(jí)工程師。主要從事合成纖維成形研究。