紡絲工藝參數(shù)對PET FDY結(jié)構(gòu)性能的影響分析

楊 彬

（浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 紹興312000）

隨著化纖紡絲技術(shù)的不斷發(fā)展，一步法紡制FDY工藝漸趨成熟。FDY產(chǎn)品的性能取決于纖維的超分子結(jié)構(gòu)，而纖維超分子結(jié)構(gòu)取決于纖維紡制過程中的工藝參數(shù)。PET FDY在紡制過程中纖維超分子結(jié)構(gòu)主要受噴絲板拉伸倍數(shù)、第一熱輥的溫度以及名義拉伸倍數(shù)影響。文章通過研究噴絲板拉伸倍數(shù)、第一熱輥的溫度以及名義拉伸倍數(shù)對纖維結(jié)構(gòu)的影響，進(jìn)而分析對纖維性能的影響，為紡制出高質(zhì)優(yōu)異的產(chǎn)品提供參考。

1 實(shí)驗部分

1.1 試樣制備

1.1.1 制備方法

采用熔體直紡技術(shù)，聚酯合成采用美國康泰斯聚酯裝置，熔體通過管道輸送至紡絲箱體，在輸送過程中采用聯(lián)苯作為熱媒保持熔體的溫度，兩種試樣均采用巴馬格公司的SP8X紡絲箱體，卷繞頭為Oerlikon Barmag的ACW卷繞頭。

1.1.2 工藝參數(shù)

熔體的參數(shù)如下：

熔體特性粘度η＝0.643 dL／g

端羧基含量：32.7mol·t－1

聚酯熔點(diǎn)：254.5℃

制取PET FDY試樣兩個，其紡絲工藝參數(shù)如表1所示。

PET FDY纖維試樣紡制過程中所受的拉伸倍數(shù)［1］如表2所示。

表1 纖維試樣規(guī)格及工藝參數(shù)

1.2 實(shí)驗方法

1.2.1 纖維取向度測試

使用SCY一Ⅲ聲速取向儀測試?yán)w維的取向度。每個試樣測5次，每次測定40cm和20cm兩個長度的纖維內(nèi)聲波的傳播時間TL。

采用倍長法求延長時間Δt。

聲速值C的計算公式：

纖維試樣聲速取向因子的計算公式：

L——測定長度取40cm；

Cu——無規(guī)取向PET纖維的聲速值，取Cu＝1.35km／s。

表2 纖維試樣紡制過程中的拉伸倍數(shù)

1.2.2 纖維X射線衍射測試

用消除取向的粉末樣品，在日本理學(xué)（Rigaku）公司的 D／Max－2550PC型 X射線衍射儀上測試。掃描速度0.5°～1°／min，2θ范圍在5°～60°，所用的管電壓40kV，管電流200mA。X射線為經(jīng)過Ni片濾光單色化的CuKa射線，波長為1.54056?，進(jìn)行廣角衍射掃描。

1.2.3 纖維的強(qiáng)伸性測試

使用YG061FQ型電子單紗強(qiáng)力儀測試?yán)w維的拉伸性能。參照GB／T3916，測試時預(yù)加張力為0.5±0.05cN／tex，隔距為500mm，拉伸速度為500mm／min，溫度為20℃，濕度為65% ，試驗管數(shù)為2，每管測試10次。測得PET POY的相對強(qiáng)度、伸長率、初始模量等力學(xué)性能指標(biāo)，并計算出相應(yīng)指標(biāo)的CV值。

1.2.4 纖維沸水收縮率測試

參照GB／T6505－2001合成纖維長絲熱收縮率試驗方法進(jìn)行測試。沸水收縮率S（%）可由下式計算得到。

S—沸水收縮率；

L0—長絲經(jīng)沸水處理前的長度，這里取50 cm；

L1—長絲經(jīng)沸水處理后的長度。

2 結(jié)果與分析

2.1 纖維X射線衍射分析

圖1為兩試樣的X射線衍射圖譜，從圖譜中可以看出，F(xiàn)－1試樣的衍射曲線所占面積比F－2試樣大，經(jīng)過計算機(jī)分峰處理后得出兩試樣的結(jié)晶度如表3所示，試樣F－1的結(jié)晶度明顯高于F－2。這是因為F－1試樣第一熱輥的溫度比F－2試樣的高，初生纖維內(nèi)大分子的活動能力較強(qiáng)，有利于結(jié)晶；而且溫度高纖維的結(jié)晶速率高；同時從表2所列數(shù)據(jù)可知F－1試樣的名義拉伸倍數(shù)為3.19，而F－2試樣的名義拉伸倍數(shù)只有1.98，這使得試樣F－1在拉伸過程中纖維所受應(yīng)力大于F－2，應(yīng)力誘導(dǎo)作用促進(jìn)結(jié)晶，由于上述三方面的綜合作用使得試樣F－1纖維最終的結(jié)晶度高于F－2。

圖1 X射線衍射圖

表3 X射線衍射圖譜分析

2.2 纖維聲速取向分析

纖維的取向度主要與初生纖維在紡絲線上所受的噴絲板拉伸有關(guān)。如表4所示，F(xiàn)－1的取向度小于F－2，這可能是兩試樣在紡絲過程中所受噴絲板拉伸倍數(shù)所致。從表2可知F－1試樣在紡絲過程中的噴絲板拉伸倍數(shù)為41.27，而F－2試樣在紡絲過程中噴絲板的拉伸倍數(shù)高達(dá)806，這使得熔體從噴絲孔擠出后，由于受拉伸作用，熔體中大分子受應(yīng)力作用沿纖維軸向產(chǎn)生取向，又F－2第一熱輥的溫度低，纖維中大分子熱運(yùn)動不劇烈，解取向作用低，從而使得試樣F－2的取向度高于F－1。

2.3 纖維力學(xué)性能分析

纖維的力學(xué)性能是纖維微觀結(jié)構(gòu)在宏觀方面的表現(xiàn)，其微觀結(jié)構(gòu)決定了纖維的力學(xué)性能。如表5所列兩試樣的力學(xué)性能指標(biāo)中除初始模量指標(biāo)試樣F－1均低于試樣F－2外，斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長率指標(biāo)試樣F－1均高于試樣F－2。試樣F－1的斷裂強(qiáng)度高于試樣F－2，可能是由于F－1的結(jié)晶度高于F－2，雖然F－1的取向稍低于 F－2，但是結(jié)晶結(jié)構(gòu)使大分子三維有序排列，結(jié)晶區(qū)大分子之間的作用力比非晶區(qū)但取向的大分子之間的作用要強(qiáng)得多，這使得纖維在拉伸時同時受力的大分子多，同時使大分子產(chǎn)生滑移的力要高于非晶區(qū)的大分子，宏觀表現(xiàn)為F－1的斷裂強(qiáng)度大于F－2。斷裂伸長率F－2低于F－1，這可能是由于F－2的取向度大于F－1，F(xiàn)－2試樣纖維中大分子沿軸向排列整齊度高于F－1，使得纖維受拉伸后伸長低于F－1。由表5可知試樣F－2的初始模量略高于F－1，這是因為PET的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度在70℃左右，故PET在室溫下處于玻璃態(tài)，當(dāng)高聚物處于玻璃態(tài)時其晶態(tài)與非晶態(tài)的彈性模量是十分接近的［2］，因此雖然F－1的結(jié)晶度高于F－2，但由于F－1的取向度稍低于F－2，使得試樣F－1的初始模量略低于F－2。

表4 纖維聲速取向度

表5 纖維力學(xué)性能指標(biāo)

纖維分子結(jié)構(gòu)即結(jié)晶取向結(jié)構(gòu)越完善、越規(guī)整，則纖維的力學(xué)性能就越均勻［2］。如表5所示，試樣F－2的各力學(xué)性能指標(biāo)的變化率均高于F－1，這可能是F－1的第一熱輥的溫度高于F－2，使得初生纖維中大分子活動能力更好，形成的晶體較為完善規(guī)整，從而使得F－1的力學(xué)性能更為均勻。

2.4 纖維沸水收縮率分析

從表6數(shù)據(jù)可知，F(xiàn)－1的沸水收縮率低于F－2，這可能是由于F－2的結(jié)晶度低于F－1，在紡絲過程中纖維所受應(yīng)力以彈性能儲存于纖維中，而F－1在紡絲過程中所受應(yīng)力使得纖維大分子形成結(jié)晶，使得纖維發(fā)生塑性變形，故在纖維經(jīng)過沸水處理后，F(xiàn)－2中儲存的應(yīng)力被釋放，纖維中大分子由于應(yīng)力的解除發(fā)生自然收縮，使得纖維在宏觀上表現(xiàn)出收縮；而F－1在經(jīng)沸水處理后，其已形成的塑性形變未發(fā)生變化，纖維內(nèi)部的應(yīng)力解除后，纖維內(nèi)大分子多數(shù)已參與到結(jié)晶結(jié)構(gòu)中，大分子收縮少，故導(dǎo)致F－1的沸水收縮率低于F－2。

表6 纖維沸水收縮率

3 結(jié)論

3.1 噴絲板拉伸倍數(shù)越大，熔體從噴絲孔被擠出后，熔體內(nèi)的大分子越易沿纖維軸向取向，纖維的取向度就越大。

3.2 第一熱輥的溫度高纖維中大分子的活動能力較好，形成的晶體較完善，纖維性能均勻性好；名義拉伸倍數(shù)高纖維中大分子受應(yīng)力誘導(dǎo)作用，易形成結(jié)晶。

3.3 纖維的結(jié)晶結(jié)構(gòu)與取向度共同作用決定纖維的物理力學(xué)性能。

［1］郭大生，王文科.聚酯纖維科學(xué)與工程［M］.北京：中國紡織出版社，2001.

［2］何曼君，陳維孝，董西俠.高分子物理（修訂版）［M］.上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，2000.

［3］周淑倩.錦綸66彈力紡絲工藝探討［J］.山東紡織科技，2006，47（1）：25—27.