大直徑PTT/PET皮芯型復(fù)合纖維的性能研究

胡婷婷，馬海軍，胡祖明，楊西峰

(1.東華大學(xué)纖維材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201620;2.江蘇南通新帝克紡織化纖有限公司，南通226003)

大直徑PTT/PET皮芯型復(fù)合纖維的性能研究

胡婷婷1，馬海軍2，胡祖明1，楊西峰2

(1.東華大學(xué)纖維材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201620;2.江蘇南通新帝克紡織化纖有限公司，南通226003)

采用一定比例的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚對(duì)苯二甲酸丙二醇酯(PTT)進(jìn)行復(fù)合紡絲紡制以PTT為皮，PET為芯的大直徑PTT/PET皮芯型復(fù)合纖維，研究了熔體溫度、冷卻水溫度、復(fù)合比對(duì)PTT/PET復(fù)合纖維力學(xué)性能和彈性回復(fù)性能的影響。結(jié)果表明:較佳的PTT和PET的熔體溫度分別為265℃和285℃，冷卻水溫度為50～60℃，PTT/PET質(zhì)量比為50/50;隨著PTT含量增加，PTT/PET復(fù)合纖維的斷裂強(qiáng)度降低，斷裂伸長(zhǎng)率增加，彈性回復(fù)率增大。

聚對(duì)苯二甲酸丙二醇酯纖維 聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯纖維 復(fù)合紡絲 力學(xué)性能

大直徑纖維是指直徑為0.08～5 mm的單根纖維。聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)纖維和聚對(duì)苯二甲酸丙二醇酯(PTT)纖維同屬聚酯類(lèi)纖維［1］。由于大分子化學(xué)結(jié)構(gòu)中亞甲基的個(gè)數(shù)存在差異，PET纖維分子鏈具有較高的剛性，較高的斷裂強(qiáng)度、彈性模量、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和熔點(diǎn)［2］;而PTT纖維化學(xué)結(jié)構(gòu)中3個(gè)亞甲基所賦予的奇碳效應(yīng)，使其具有 PET纖維所不能比擬的彈性［3－4］。通過(guò)復(fù)合紡絲制備 PTT/PET皮芯型復(fù)合纖維，可改善纖維性能，提高其使用效果。大直徑PTT/PET皮芯型復(fù)合纖維具有優(yōu)良的力學(xué)性能和回彈性，在產(chǎn)業(yè)用紡織品領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)大直徑PTT/PET皮芯型復(fù)合纖維的研究較少。作者研究了不同的復(fù)合比例、熔體溫度、冷卻成形條件等主要工藝對(duì)PTT/PET皮芯型復(fù)合纖維結(jié)構(gòu)及性能的影響，為制備以PTT為皮、PET為芯的大直徑PTT/PET皮芯型復(fù)合纖維提供了一定的理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

PET切片:玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)為67℃，熔點(diǎn)為252℃，特性黏數(shù)(［η］)1.05 dL/g，中國(guó)石化上海石化股份有限公司產(chǎn);PTT切片:Tg為54 ℃，熔點(diǎn)為223 ℃，［η］為1.3 dL/g，美國(guó)杜邦(中國(guó))公司產(chǎn)。

1.2 工藝流程與主要工藝

采用復(fù)合紡絲法生產(chǎn)PTT/PET復(fù)合纖維，其主要工藝參數(shù)為:以PTT為皮，PET為芯，皮/芯復(fù)合比例分別為60/40，50/50，40/60，拉伸倍率5.0，一級(jí)拉伸占比85%，熱水拉伸溫度90℃，熱風(fēng)拉伸溫度180℃，熱定型溫度190℃，紡絲速度120 m/min，纖維直徑0.20 mm。

大直徑PTT/PET皮芯型復(fù)合纖維的生產(chǎn)工藝流程圖如圖1所示。

圖1 PTT/PET皮芯型復(fù)合纖維生產(chǎn)工藝流程Fig.1 Flow chart of PTT/PET sheath-core composite fiber production

1.3 測(cè)試

差示掃描量熱儀(DSC)分析:采用德國(guó)耐馳儀器制造有限公司的200F3差示掃描量熱儀進(jìn)行測(cè)試。室溫～300℃，升溫速率10℃/min，氮?dú)鈿夥眨獨(dú)饬髁?0 mL/min。

力學(xué)性能:采用萊州市電子儀器有限公司YG061J型電子單紗強(qiáng)力儀進(jìn)行測(cè)試。量程130 N，拉伸速度200 mm/min，試樣定長(zhǎng)250 mm，每組試樣測(cè)10次的平均值。

聲速值:采用東華大學(xué)SCY-Ⅲ型聲速取向測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試條件:溫度為25℃，相對(duì)濕度為65%，預(yù)加張力0.098 cN/dtex。試樣在溫度為25℃，相對(duì)濕度為65%的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下放置10 h。

動(dòng)態(tài)力學(xué)性能:采用美國(guó)流變儀公司的動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試頻率1 Hz，升溫速率5℃/min，溫度范圍25～200℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 熔體溫度

紡絲溫度的選擇主要是根據(jù)切片原料質(zhì)量和紡絲是否順利等因素決定的［5］。PTT切片的熔點(diǎn)為223℃，PET聚合物的熔點(diǎn)為252℃，在實(shí)驗(yàn)中PET切片和PTT切片分別經(jīng)過(guò)螺桿熔融擠出，通過(guò)復(fù)合紡絲組件進(jìn)行紡絲。考慮到PET和PTT各自的特點(diǎn)，主、副螺桿所采用的紡絲溫度是不同的，但當(dāng)兩熔體進(jìn)入復(fù)合紡絲組件時(shí)，各自溫度受到干擾，兩者溫度發(fā)生熱交換，溫度的差異也有逐漸減小的趨勢(shì)。根據(jù)DSC數(shù)據(jù)及相關(guān)參考文獻(xiàn)［6］的分析。在其他工藝參數(shù)不變情況下，熔體溫度的設(shè)定見(jiàn)表1。

表1 不同熔體溫度下PTT/PET復(fù)合纖維的力學(xué)性能Tab.1 Mechanical properties of PTT/PET composite fiber at different melt temperature

從表1可以看出，熔體溫度對(duì)紡絲穩(wěn)定性及復(fù)合纖維的力學(xué)性能具有一定的影響，當(dāng)PTT熔體溫度較低時(shí)，PTT/PET復(fù)合纖維力學(xué)性能較低，同時(shí)紡絲穩(wěn)定性較差，這可能是由于兩相熔體溫度差異較大引起的紡絲波動(dòng)。當(dāng)PTT和PET熔體溫度分別為265，285℃和265，290℃時(shí)，紡絲穩(wěn)定性較好，同時(shí)復(fù)合纖維具有良好的力學(xué)性能，考慮到生產(chǎn)成本及節(jié)能降耗，PTT和PET熔體溫度分別設(shè)定為265，285℃。

2.2 冷卻水溫度

由圖2可知，PTT/PET復(fù)合纖維的力學(xué)性能隨著冷卻水溫度改變而變化，PTT纖維的最佳冷卻水溫度約為50℃，PET纖維的最佳冷卻水溫度約為70℃。當(dāng)PTT/PET質(zhì)量比不同時(shí)，復(fù)合纖維的最佳冷卻溫度也不相同。綜合考慮，適宜的PTT/PET冷卻水溫度為50～60℃。

圖2 冷卻水溫度對(duì)復(fù)合纖維力學(xué)性能的影響Fig.2 Effect of cooling water temperature on mechanical properties of PTT/PET composite fiber

2.3 復(fù)合比

由圖3可看出，PTT/PET皮芯型復(fù)合纖維在220～226℃都有一個(gè)峰值，是PTT組分的熔融峰。另一個(gè)峰在254℃，是PET組分的熔融峰。從圖3還可以看出，不同復(fù)合比的PTT/PET復(fù)合纖維中，兩組分熱焓值不同。熱焓值的大小可以反映出物質(zhì)結(jié)晶度的高低。PTT組分含量越大，PTT組分的峰越尖銳，峰面積越大。這說(shuō)明組分的含量越大，該組分的結(jié)晶度也越大，組分復(fù)合比對(duì)纖維的結(jié)構(gòu)有影響。當(dāng)PTT/PET質(zhì)量比為60/40時(shí)，兩組分的結(jié)晶度相近。

圖3 不同復(fù)合比的PTT/PET復(fù)合纖維的DSC曲線(xiàn)Fig.3 DSC traces for PTT/PET composite fiber with different ratios

由表2可知，隨著PTT組分含量的增加，大直徑PTT/PET皮芯型復(fù)合纖維的實(shí)測(cè)聲速值(也即復(fù)合纖維的取向度)下降。造成這種現(xiàn)象的原因主要是PTT的大分子構(gòu)型呈Z字型，而PET的大分子構(gòu)型呈直鏈狀，因此PTT的取向低于PET的取向，當(dāng)PTT組分含量增加時(shí)，PTT/PET復(fù)合纖維的取向度也就降低。同樣，隨PTT組分含量的增加，復(fù)合纖維的斷裂強(qiáng)度呈明顯下降趨勢(shì)，而斷裂伸長(zhǎng)率則呈明顯上升趨勢(shì)。這是因?yàn)镻TT材料具有良好的伸長(zhǎng)性能，而斷裂強(qiáng)度較低，PET材料則具有良好的拉伸強(qiáng)度，但斷裂伸長(zhǎng)率較低，隨著模量低的PTT組分含量的增加，PTT/PET復(fù)合纖維就會(huì)表現(xiàn)出更多的PTT組分的特性，斷裂強(qiáng)度降低，斷裂伸長(zhǎng)率增加。

表2 不同復(fù)合比的PTT/PET復(fù)合纖維的力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of PTT/PET sheath-core composite fiber with different ratios

圖4 不同復(fù)合比的PTT/PET復(fù)合纖維的彈性回復(fù)性能Fig.4 Tensile elastic recovery of PTT/PET sheath-core composite fiber with different ratios

從圖4可以看出，PTT/PET復(fù)合纖維的彈性回復(fù)性能與PTT、PET兩組份的比例相關(guān)。隨著PTT組分含量的增加，PTT/PET復(fù)合纖維的彈性回復(fù)率變大。隨著定伸長(zhǎng)從5%增加15%，純PTT纖維表現(xiàn)出較好的彈性回復(fù)性，相關(guān)的研究也已經(jīng)證明了PTT的優(yōu)異彈性［7－11］。其優(yōu)異彈性的來(lái)源是其內(nèi)部的螺旋大分子鏈結(jié)構(gòu)。在任何定伸長(zhǎng)情況下，復(fù)合纖維的彈性回復(fù)性都介于PTT和PET之間。

儲(chǔ)能模量與試樣在每周期中貯存的彈性成正比，反映材料粘彈性中的彈性成分。儲(chǔ)能模量表征的是材料變形后回彈的指標(biāo)。從圖5可以看出，隨著PTT含量的增加，PTT/PET復(fù)合纖維的儲(chǔ)能模量增大。這個(gè)趨勢(shì)與圖4的變化趨勢(shì)相吻合。因此，PTT/PET復(fù)合纖維中，適宜的 PTT/PET質(zhì)量比為50/50。

圖5 不同復(fù)合比的PTT/PET復(fù)合纖維的粘彈性能Fig.5 Viscoelasticity of PTT/PET composite fiber with different ratios

3 結(jié)論

a.熔體溫度對(duì)復(fù)合纖維的紡絲穩(wěn)定性及力學(xué)性能具有較大的影響，PTT/PET適宜熔體溫度為275/285℃。

b.大直徑PTT/PET皮芯型復(fù)合纖維的適宜熔體冷卻溫度為50～60℃。

c.PTT/PET復(fù)合比是影響復(fù)合纖維結(jié)構(gòu)及性能的主要因素，隨著 PTT組分含量的增大，PTT/PET復(fù)合纖維的斷裂強(qiáng)度降低，斷裂伸長(zhǎng)率增加，彈性回復(fù)率增大。PTT/PET復(fù)合纖維的適宜比為50/50。

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Properties of large-diameter PTT/PET sheath-core composite fiber

Hu Tingting1，Ma Haijun2，Hu Zuming1，Yang Xifeng2
(1.State Key Laboratory of Fibers Modification，Donghua University，Shanghai201620;2.Nantong Newtec Textile＆Chemical Fiber Co.，Ltd，Nantong226003)

A large-diameter sheath-core composite fiber with polytrimethylene terephthalate(PTT)as the sheath and polyethylene terephthalate(PET)as the core was prepared from PTT and PET at different ratios via composite spinning process.The effects of melt temperature，cooling water temperature and sheath-core ratio on the mechanical properties and elastic recovery of PTT/PET composite fiber were studied.The results showed that the PTT and PET melt temperature should be reasonably controlled as 265℃ and 285℃，respectively，the cooling water temperature as 50－60℃ and PTT/PET mass ratio as 50/50;and the breaking strength of PTT/PET composite fiber was decreased，the elongation at break was increased，and the elastic recovery was increased when PTT content was increased.

polytrimethylene terephthalate fiber;polyethylene terephthalate fiber;composite spinning;mechanical properties

TQ342.2

A

1001-0041(2012)04-0038-04

2011-07-11;修改稿收到日期:2012-05-20。

胡婷婷(1987—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)槔w維材料改性。E-mail:htt061008@163.com。