十字形多孔超細(xì)聚酯FDY纖維結(jié)構(gòu)與性能研究

李 蘇，劉海軍

(蘇州巨源纖維科技有限公司，江蘇吳江 215237)

十字形多孔超細(xì)聚酯FDY纖維是當(dāng)今纖維領(lǐng)域的一種性能獨(dú)特、功能多、用途廣泛的新纖維材料，它具有良好的柔軟可撓性、易彎曲性、較大的比表面積及其纖維群形成的微細(xì)空間結(jié)構(gòu)、吸濕導(dǎo)濕功能等特性，它能與各種天然纖維如長(zhǎng)絨棉、真絲、羊絨等進(jìn)行復(fù)合混紡，可開發(fā)出具有多樣化、多功能、舒適性和高附加值等特點(diǎn)的超仿真纖維織物，具有很好的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展前景。因此，十字形多孔超細(xì)聚酯FDY纖維的研究開發(fā)，是當(dāng)今纖維材料開發(fā)的重心所在，也是未來(lái)的方向。筆者通過對(duì)十字形多孔超細(xì)聚酯FDY纖維聲模量、取向態(tài)結(jié)構(gòu)、沸水收縮率、力學(xué)性能的研究，探討十字形多孔超細(xì)聚酯FDY纖維結(jié)構(gòu)和性能的內(nèi)在聯(lián)系以及對(duì)纖維后加工及其織物外觀、風(fēng)格、質(zhì)地和手感等使用性能的影響因素，為深入研究和工業(yè)開發(fā)超細(xì)纖維的超仿真化、復(fù)合化和混紡天然化等特殊功能和高附加值產(chǎn)品提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

十字形多孔超細(xì)聚酯FDY纖維:55 dtex/144 f，76 dtex/144 f;

十字形多孔細(xì)旦聚酯FDY纖維:110 dtex/144 f，167 dtex/144 f。

1.2 方法及儀器

1.2.1 取向因子的測(cè)定

用SOM-Ⅱ型聲速取向測(cè)定儀，在一定條件下，隨機(jī)抽取一定數(shù)量的試樣，分別測(cè)定每個(gè)試樣在20 cm和40 cm處的聲速值，然后計(jì)算纖維的取向因子［1］。

1.2.2 沸水收縮率

用YG086型縷紗測(cè)長(zhǎng)儀繞取一定數(shù)量的纖維，在預(yù)加張力(0.1 cN/dtex)下測(cè)定纖維的原始長(zhǎng)度L0，然后用紗布包好，放入沸水中煮30 min，取出并自然冷卻，在相同預(yù)加張力下測(cè)定纖維長(zhǎng)度L1，并用下式計(jì)算纖維的沸水收縮率。

1.2.3 力學(xué)性能

用Y741型纖維強(qiáng)力儀測(cè)定纖維強(qiáng)伸度等指標(biāo)。

2 結(jié)果與討論

2.1 十字形多孔超細(xì)聚酯FDY纖維的取向態(tài)結(jié)構(gòu)

十字形多孔超細(xì)聚酯FDY纖維的取向態(tài)結(jié)構(gòu)除了與聚酯材料的本性有關(guān)外，還與紡絲成形加工過程中的工藝參數(shù)、纖維截面形態(tài)以及纖維線密度大小有很大關(guān)系。圖1、圖2給出了不同單絲纖度十字形多孔聚酯FDY纖維與聲速值、單絲纖度與取向因子關(guān)系，表1給出了相同規(guī)格不同截面形態(tài)多孔超細(xì)聚酯FDY纖維的取向因子值。

從圖1、圖2可以看出，十字形多孔超細(xì)聚酯FDY纖維聲速值和取向因子隨纖維單絲纖度改變而變化，即十字形多孔超細(xì)聚酯FDY纖維聲速值和取向因子隨其單絲纖度的增加而增大。由聚酯纖維成形加工理論［2］可知，在紡絲成形過程中，十字形多孔超細(xì)聚酯FDY纖維的單絲纖度越細(xì)，纖維的比表面積就相對(duì)越大，熔體細(xì)流冷卻固化時(shí)具有較快的冷卻速率，越容易冷卻固化，使絲條的冷卻長(zhǎng)度縮短［3］，引起熔體細(xì)流在纖維軸拉伸方向上速度梯度的增大，導(dǎo)致絲條所受軸向拉伸速率亦增大，從而使紡絲線上產(chǎn)生較高的拉伸張應(yīng)力，致使FDY超細(xì)初生纖維具有較高的預(yù)取向度和較低延伸度以及較低的后拉伸倍數(shù)，使拉伸性能變差，從而導(dǎo)致十字形多孔超細(xì)聚酯FDY纖維在二次拉伸成形中取向程度隨其單絲纖度的變細(xì)而減小。從表1還可以看出，相同規(guī)格不同截面形態(tài)多孔超細(xì)聚酯FDY纖維聲速值和取向因子隨纖維截面形態(tài)不同規(guī)格而變化，這是因?yàn)槭中味嗫壮?xì)聚酯FDY纖維比表面積最大，使紡絲成形過程中的流變阻力較大，易導(dǎo)致熔體粘度波動(dòng)變化以及可紡性不穩(wěn)定，引起紡絲線上冷卻凝固點(diǎn)位置的上下波動(dòng)和紡絲張力的波動(dòng)以及取向態(tài)結(jié)構(gòu)均勻性變差，從而使十字形多孔超細(xì)聚酯FDY纖維聲速值和取向因子比三葉形及圓形超細(xì)聚酯纖維聲速值和取向因子小。

表1 相同規(guī)格不同截面形態(tài)多孔超細(xì)聚酯FDY纖維取向因子值

圖1 單絲纖度和聲速值的關(guān)系

圖2 單絲纖度和取向因子的關(guān)系

2.2 十字形多孔超細(xì)聚酯FDY纖維的楊氏模量和柔量

在小形變下，用聲速法所測(cè)定的十字形多孔超細(xì)聚酯FDY纖維模量是一種動(dòng)態(tài)楊氏模量和柔量，是反映材料勁度和韌性的基本表征量，它主要與纖維材料的幾何形態(tài)和分子間相互作用力有關(guān)。表2給出了十字形多孔超細(xì)聚酯FDY纖維的單絲纖度變化與動(dòng)態(tài)楊氏模量和柔量的關(guān)系。

表2 不同規(guī)格十字形多孔超細(xì)聚酯FDY纖維的聲速模量和柔量

由表2可知，十字形多孔超細(xì)聚酯FDY纖維的楊氏模量隨其單絲纖度的減小而下降，而其柔量卻隨其單絲纖度的減小而增大，這是因?yàn)樵谛⌒巫兿?，纖維的楊氏模量主要與纖維的幾何形態(tài)和分子間相互作用力有關(guān)，取決于非晶區(qū)分子鏈的取向程度，取向程度愈小，楊氏模量就愈小。若纖維的取向程度愈低，纖維中大分子有序排列規(guī)整性較差，相對(duì)增加了各運(yùn)動(dòng)單元活動(dòng)空間的空隙體積和分子活動(dòng)性，減小了分子間相互作用力，分子間的作用力就愈小，纖維的模量就愈小，從而使十字形多孔超細(xì)聚酯FDY纖維分子鏈具有較好的柔性和彈性，以致十字形多孔超細(xì)聚酯FDY纖維具有較好的柔韌性。從表2還可看出，不同單絲纖度的十字形多孔超細(xì)聚酯纖維，其模量值相差較大，這主要與其大分子鏈的有序排列程度有關(guān);而柔量值卻比較接近，這說明十字形多孔超細(xì)聚酯FDY纖維的幾何橫截面形態(tài)能賦予絲條更好的韌性和手感。同時(shí)，由纖維模量與柔量的反比關(guān)系可知，纖維的模量愈小，其柔量愈大，纖維的柔性就愈好，從而賦予十字形多孔超細(xì)聚酯FDY纖維較好的柔性、手感和質(zhì)感。

2.3 十字形多孔超細(xì)聚酯FDY纖維的沸水收縮率

理論研究［2］表明，在聚酯紡絲拉伸過程中，經(jīng)軸向拉伸取向后的纖維內(nèi)部或多或少都存在著殘留應(yīng)力，在通常狀態(tài)下受玻璃態(tài)約束，分子鏈無(wú)法運(yùn)動(dòng)，當(dāng)遇到加熱介質(zhì)作用時(shí)，大分子運(yùn)動(dòng)大大加劇而發(fā)生應(yīng)力松弛，分子間結(jié)合力獲得舒展，致使分子鏈由高序態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈托驊B(tài)而產(chǎn)生收縮，由此可反映出纖維內(nèi)部取向態(tài)結(jié)構(gòu)的變化以及熱處理效果之間的關(guān)系。

從圖3、4可以看出，十字形多孔超細(xì)聚酯FDY纖維的沸水收縮率隨其單絲線密度的減小而下降，這表明十字形多孔超細(xì)聚酯FDY纖維在拉伸成形加工中，在產(chǎn)生取向作用的同時(shí)，還發(fā)生了結(jié)晶化作用，使纖維內(nèi)的結(jié)晶體增加，這就相當(dāng)于在纖維內(nèi)增加了許多物理交聯(lián)點(diǎn)，強(qiáng)化了整體分子的取向程度，使分子鏈之間的相互作用力增加以及內(nèi)旋轉(zhuǎn)勢(shì)壘增高。對(duì)于不同單絲纖度的十字形多孔超細(xì)聚酯FDY纖維來(lái)說，其沸水收縮率產(chǎn)生差異的主要原因是纖維中大分子鏈取向程度不同所致。當(dāng)受到加熱介質(zhì)作用時(shí)，大分子僅在非晶區(qū)發(fā)生松弛而引起分子的解取向;而在纖維的晶區(qū)，由于結(jié)晶體或晶格交聯(lián)點(diǎn)的作用，大分子鏈發(fā)生松弛所受阻力較大，不易發(fā)生解取向，它需獲得更多的能量才能克服分子間的摩擦力而引起分子的解取向。因此，在客觀上表現(xiàn)為十字形多孔超細(xì)聚酯FDY纖維單絲纖度越細(xì)，纖維的沸水收縮率就越低。

圖3 單絲纖度與沸水收縮率的關(guān)系

圖4 取向因子與沸水收縮率的關(guān)系

2.4 十字形多孔超細(xì)聚酯FDY纖維的力學(xué)性能

十字形多孔超細(xì)聚酯FDY纖維的力學(xué)性能與纖維幾何形態(tài)和線密度密切相關(guān)，而且對(duì)纖維后加工及其織物外觀、風(fēng)格、質(zhì)地和手感等使用性能有很大的影響。圖5、6給出了不同規(guī)格十字形多孔超細(xì)聚酯FDY纖維的力學(xué)性質(zhì)。

從圖5、6可以看出，十字形多孔超細(xì)聚酯FDY纖維的斷裂強(qiáng)伸度都隨其單絲纖度的減小而下降。這是因?yàn)槭中味嗫壮?xì)聚酯FDY纖維的線密度較小，而纖維比表面積較大，在紡絲成形中熔體拉伸粘度對(duì)溫度變化很敏感，絲條在經(jīng)向上的粘度梯度和溫度梯度亦隨之增加，絲條在拉伸成形中具有較快的冷卻速度，產(chǎn)生較大的拉伸應(yīng)力，導(dǎo)致十字形超細(xì)聚酯FDY初生纖維具有較高的預(yù)取向度和較低的伸度，使絲條表層易產(chǎn)生應(yīng)力集中或絲條表面粗糙，甚至形成裂紋。因此，在后拉伸過程中，凡是那些導(dǎo)致材料形成弱點(diǎn)而增加應(yīng)力分布不均勻性以致材料強(qiáng)度下降的因素，很容易使絲條在應(yīng)力分布的不均勻或者應(yīng)力集中處引起絲條表面裂紋處發(fā)生斷裂［4］，從而使十字形多孔超細(xì)聚酯FDY纖維斷裂強(qiáng)伸度下降。此外，十字形多孔超細(xì)聚酯FDY纖維斷裂強(qiáng)伸度還和纖維的異形度及纖維結(jié)晶程度有關(guān)。

圖5 單絲纖度與強(qiáng)度的關(guān)系

圖6 單絲纖度與伸度的關(guān)系

3 結(jié)論

a)十字形多孔超細(xì)聚酯FDY纖維的取向因子與纖維的線密度和成形加工條件密切相關(guān)，隨單絲纖度的減小而下降，不同纖度十字形多孔超細(xì)聚酯FDY纖維的動(dòng)態(tài)楊氏模量主要與取向態(tài)結(jié)構(gòu)有關(guān)，取向度愈低，其楊氏模量就愈小，柔量就愈大;

b)十字形多孔超細(xì)聚酯FDY纖維的單絲線密度愈細(xì)，其纖維的沸水收縮率也愈小;十字形多孔超細(xì)聚酯FDY纖維斷裂強(qiáng)伸度隨單絲線密度的減小而下降;

c)十字形多孔超細(xì)聚酯FDY纖維的取向因子、模量、沸水收縮率和斷裂強(qiáng)伸度均比細(xì)旦十字形多孔聚酯FDY纖維小，而纖維的柔量比細(xì)旦纖維大，從而使十字形多孔超細(xì)聚酯FDY纖維具有更好的柔韌性。

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