加捻對熱致液晶聚芳酯初生纖維拉伸性能的影響

施偉利，蔡 勉，王小俊，王羅新，王 樺,2

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加捻對熱致液晶聚芳酯初生纖維拉伸性能的影響

施偉利1，蔡 勉1，王小俊1，王羅新1*，王 樺1,2

（1 武漢紡織大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢430073；2 四川省紡織科學(xué)研究院，四川 成都 610072）

熱致液晶聚芳酯（TLCP）的特殊化學(xué)結(jié)構(gòu)使其具有高強(qiáng)度、高模量、低粘度、易加工等諸多優(yōu)良特性，且TLCP纖維力學(xué)性能對其應(yīng)用于紡織業(yè)具有舉足輕重的作用。本論文主要研究加捻對TLCP纖維力學(xué)性能的影響，探究其影響機(jī)理。研究結(jié)果表明：加捻對其力學(xué)性能影響很大,TLCP纖維束的強(qiáng)力隨著捻度的增加呈先增大后減小趨勢。當(dāng)TLCP纖維束的線密度為52.50 tex，捻度為130Tm時，最大強(qiáng)度為9.14 cN/dtex。未加捻TLCP單纖維的線密度為1.394 tex時，最大強(qiáng)度為11.3cN/dtex。

TLCP纖維；加捻；拉伸性能；強(qiáng)度；斷裂強(qiáng)力

作為一種具有微纖自增強(qiáng)作用的高分子材料，熱致性液晶聚芳酯（TLCP）兼具優(yōu)異的耐熱性、耐腐蝕和抗沖擊性等優(yōu)良的理化和加工性能，逐漸在尖端科技領(lǐng)域得到應(yīng)用，作為結(jié)構(gòu)材料、電子材料和纖維材料等在航空航天、電子和通訊等高技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[1-2]。熱致性液晶聚芳酯在高剪切應(yīng)力下擠壓通過噴絲孔時，其分子鏈高度取向，由于松弛時間長，冷卻固化后能幾乎完全保持取向結(jié)構(gòu)[3]。芳族聚酰亞胺、聚酰亞胺-酯、聚酰亞胺-醚由于具有良好的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和低可燃性而被廣泛用于商業(yè)化的工程塑料，但它們絕大部分不能熔融不具有熱致液晶性能[4]。

加捻是紡紗的工序之一，加捻的多少則是衡量紗線性能的重要指標(biāo)，一般用捻度表示（捻度影響紗線的強(qiáng)力、剛?cè)嵝?、彈性、縮率等指標(biāo)）。由于TLCP纖維不同于普通的纖維，熱致性液晶聚芳酯（TLCP）纖維是一類具有較高強(qiáng)度與模量的高性能纖維，高性能纖維具有普通纖維所不及的物理機(jī)械性能、熱性能和化學(xué)性能，它是近年來纖維高分子材料領(lǐng)域發(fā)展迅速的一類特種纖維[5-7]。而關(guān)于捻度對TLCP纖維拉伸性能的影響，國內(nèi)尚未見報道。研究加捻作用對TLCP纖維力學(xué)性能的影響，對TLCP纖維的后續(xù)加工和應(yīng)用具有重要意義。本文采用紗線捻度儀對TLCP纖維進(jìn)行加捻，采用萬能測力儀測試其拉伸性能，研究加捻對TLCP纖維力學(xué)性能的影響，并探究其影響機(jī)理。

1 實驗

1.1 材料與儀器

TLCP纖維：四川省紡織科學(xué)研究院提供，試樣a、b、c、d、e、f是紡絲速度分別為500r/min、600r/min、700r/min、800r/min、900r/min、1100r/min的單纖維，試樣A、B、C、D、E是紡絲速度分別為500r/min、600r/min、700r/min、800r/min、900r/min，50根一束的纖維束。

Y311N紗線捻度儀：寧波紡織儀器廠；Instron5566萬能強(qiáng)力儀：Instron 公司。

1.2 實驗方法

稱重法測試TLCP纖維的線密度。

對試樣A、B、C、D、E進(jìn)行加捻，加捻的方式為轉(zhuǎn)速800r/min，順時針旋轉(zhuǎn)，采用直接計數(shù)法，試樣長度1m。試樣A、B、C、D、E加捻后試樣編號分別為A′、B′、C′、D′、E′。以同樣的實驗參數(shù)對試樣A′、C′、D′、E′進(jìn)行退捻，再從試樣A′、C′、D′、E′退捻后的纖維束中抽取單根纖維，試樣編號分別為a′、c′、d′、e′。

用萬能強(qiáng)力儀測試樣A′、B′、C′、D′、E′的拉伸性能，測試?yán)焖俾蕿?50mm/min，夾距為500mm，每個試樣測試10次取平均值。用萬能強(qiáng)力儀測試試樣a、b、c、d、e、f和試樣a′、c′、d′、e′的拉伸性能，測試?yán)焖俾蕿?50mm/min，夾距為200mm，每個試樣測試10次取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維束的力學(xué)性能

圖1為原料相同、線密度不同的TLCP束纖維加捻后，斷裂強(qiáng)力（即纖維受外力直接拉伸到斷裂時所需要的力）隨捻度的變化曲線。A′、B′、C′、D′、E′束纖維的線密度分別為84.74tex、69.72tex、58.08tex、49.30tex、52.50tex。從圖中可以看出，隨著線密度的增大，斷裂強(qiáng)力也越大。五種不同細(xì)度的TLCP束纖維隨捻度的增加斷裂強(qiáng)力均呈先增大后減小的趨勢，且在小捻度時斷裂強(qiáng)力較大。這是由于增加一定的捻度，TLCP纖維束之間的摩擦力（即抱合力）和分子之間的范德華力增大，因此斷裂強(qiáng)力增大[8-9]。當(dāng)超過一定的捻度后，加捻破壞了TLCP纖維的大分子鏈取向，使纖維的分子鏈取向越來越偏離纖維軸，從而減弱了分子鏈在纖維軸上承擔(dān)的外力，因而斷裂強(qiáng)力減小[10]。

圖1 五種TLCP纖維束的斷裂強(qiáng)力隨捻度的變化圖

（A′、B′、C′、D′、E′的線密度分別為84.74tex、69.72tex、58.08tex、49.30tex、52.50tex）

圖2 TLCP纖維束在最佳捻度的斷裂強(qiáng)力隨線密度變化圖

圖2為TLCP束纖維在各自最佳捻度的斷裂強(qiáng)力隨線密度的變化曲線，這里的最佳捻度指纖維束在此捻度的斷裂強(qiáng)力或強(qiáng)度最大。不同線密度的TLCP纖維在各自最佳捻度的力學(xué)性能見表1。由圖2可知，隨線密度的增加斷裂強(qiáng)力逐漸增大，這與圖1的結(jié)論一致。由表1可知不同的線密度其最佳捻度也不同；并且強(qiáng)度呈先增大后減小趨勢；對于TLCP纖維束而言，線密度為52.50tex，捻度為130Tm時，我們制備的TLCP初生纖維的強(qiáng)度最大為9.14cN/dtex。

表1 TLCP纖維束在最佳捻度的力學(xué)性能

2.2單纖維的力學(xué)性能

未加捻TLCP單纖維的力學(xué)性能見表2，圖3給出了未加捻TLCP單纖維斷裂強(qiáng)力隨線密度的變化曲線。由圖3可以看出，與TLCP纖維束隨線密度變化類似，單纖維斷裂強(qiáng)力也隨線密度的增大呈線性增長。對于未加捻的TLCP單纖維而言，當(dāng)其線密度為1.394tex時，強(qiáng)度最大為11.3cN/dtex。

圖3 未加捻TLCP單纖維斷裂強(qiáng)力隨線密度變化圖

表2 未加捻TLCP單纖維的力學(xué)性能

從前面的分析可知，TLCP纖維束隨捻度的增加斷裂強(qiáng)力均呈先增大后減小的趨勢，我們進(jìn)一步研究了加捻對TLCP單纖維斷裂力學(xué)性能的影響。表3列舉了四種纖維分別在不加捻及加捻-退捻后的斷裂強(qiáng)力和強(qiáng)度，四種纖維對應(yīng)的是線密度分別為1.694tex、1.162tex、0.986tex、1.050tex。由表3可知，TLCP纖維在小捻度再退捻時的斷裂強(qiáng)力最大。這可能是因為未加捻時TLCP纖維大分子鏈之間的空隙較大，大分子鏈未完全沿纖維軸取向；而加捻使TLCP纖維分子鏈之間更加緊密、空隙減小，從而增加了大分子鏈沿纖維軸取向，使斷裂強(qiáng)力較未加捻的要大。但當(dāng)捻度增大時，部分大分子鏈?zhǔn)艿綋p傷，同時部分大分子鏈的取向又偏離纖維軸，從而使得斷裂強(qiáng)力減小。此外，由表3可知，不同細(xì)度的TLCP纖維，其捻度臨界值不同。

表3 TLCP單纖維在不同捻度加捻退捻后的力學(xué)性能

3 結(jié)論

通過研究加捻作用對TLCP初生纖維力學(xué)性能影響，可以得出如下結(jié)論：

（1）對于TLCP纖維束而言，加捻對其力學(xué)性能影響很大，斷裂強(qiáng)力隨捻度的增大呈先增大后減小趨勢；在最佳捻度時，其強(qiáng)度隨線密度的增加呈先增大后減小趨勢；當(dāng)線密度為52.50tex，捻度為130Tm時，TLCP纖維的強(qiáng)度最大為9.14cN/dtex。

（2）對于TLCP單纖維而言，加一定的捻度能夠增強(qiáng)其斷裂強(qiáng)力，當(dāng)超過捻度臨界值時，由于加捻對纖維大分子鏈造成破壞，斷裂強(qiáng)力反而減小。未加捻的纖維，斷裂強(qiáng)力也隨線密度增大而增大，當(dāng)線密度為1.394tex時，強(qiáng)度最大為11.3cN/dtex。

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[10]李棟高．纖維材料學(xué)[M]．北京：中國紡織出版社，2006．

Effects of Twisting on the Tensile Properties of Thermotropic Liquid-Crystal Polyarylate As-spun Fiber

SHI Wei-li1, CAI Mian1,WANG Xiao-jun1, WANG Luo-xin1, WANG Hua1,2

(1 School of Materials Science &Engineering, Wuhan Textile University,Wuhan Hubei 430073,China; 2 The Research Institute of Textile Science in Sichuan Province, Chengdu Sichuan 610072, China)

Thermotropic liquid-crystalline polyarylate (TLCP) has many excellent characteristics such as high strength, high modulus, low viscosity, easy processetc. because of its special chemical structure. The good mechanical properties of TLCP fiber make it a suitable material for textile applications. In this work, we explored the influence of twisting on the mechanical properties of TLCP as-spin fiber. Results showed that the tensile properties of the fiber were obviously influenced by the twisting. The strength of TLCP fiber bunch was found to first increase, and then decrease, with increasing the twist. When the linear density of the TLCP fiber bunch is 52.50 tex and the twist is 130Tm, the maximum strength of the fiber bunch is 9.14 cN/dtex. When the linear density of non-twisting single fiber is 1.39 tex, the maximum strength of the single fiber is 11.3cN/dtex.

TLCP Fiber ; Twisting ; Tensile Properties ; Intensity ; Breaking Strength

TQ342

A

1009－5160(2012)03－0017－04

中國紡織工業(yè)協(xié)會科技指導(dǎo)性項目（2011017）.

*通訊作者：王羅新（1971-），男，博士，副教授，研究方向：高性能纖維.