PBT/PBST長絲的結(jié)構(gòu)與性能研究

黎 丹，趙明良，李發(fā)學，俞建勇

(東華大學紡織學院，上海201620)

聚丁二酸丁二醇-共-對苯二甲酸丁二醇酯(PBST)是一種脂肪族與芳香族的共聚酯，它是丁二酸丁二醇酯(BS)與對苯二甲酸丁二醇酯(BT)的無規(guī)共聚物，兼有脂肪族聚酯的生物可降解性能和芳香族聚酯的良好機械性能［1－3］。PBST大分子中含有軟鏈段BS和硬鏈段BT結(jié)構(gòu)，使其具有獨特的彈性和柔軟手感。這使得PBST長絲在紡織和服裝領(lǐng)域具有較廣闊的應用前景。但無規(guī)共聚的易變性及熱收縮率較大的特點給織物的后整理及尺寸穩(wěn)定性帶來諸多問題。聚對苯二甲酸丁二醇酯(LPBT)纖維較PET纖維具有更好的染色性和卷曲性，且纖維在拉伸應變中存在α與β晶型的可逆轉(zhuǎn)變而具有一定彈性，但PBT制品的手感較為粗糙，且產(chǎn)品價格顯著高于 PET纖維［4］。因此，PBT的改性一直是人們關(guān)心的問題?；诖?，作者針對PBST與PBT纖維的特性，研制出PBT/PBST共混長絲，通過分析研究3種纖維的結(jié)構(gòu)和性能，探索制備出具有良好服用性能的纖維。

1 實驗

1.1 原料

PBT，PBT/PBST，PBST 假捻變形絲(DTY):規(guī)格均為82.5 dtex/24 f。其中，PBT/PBST混合絲中PBST質(zhì)量分數(shù)為20%，而PBST纖維中芳香族共聚單元BT摩爾分數(shù)為70%，均由江蘇和時利新材料股份有限公司提供。

1.2 分析測試

力學性能:采用萊州市電子儀器有限公司的YG061型電子單紗強力儀測定纖維的拉伸性能。根據(jù)GB/T14344—1993設(shè)定測試條件。測試溫度為20 2℃，相對濕度為(65±2)%。

熱性能:采用美國Perkin-Elmer公司的Pyris-1型差示掃描量熱儀(DSC)對試樣的熱性能進行測試。以銦(In)和正庚烷進行校正，氮氣流速為20 mL/min。以10℃/min的升溫速率加熱至樣品熔點以上約20℃，保溫2 min，然后以相同的降溫速率將試樣降至室溫。

晶體結(jié)構(gòu):采用日本 Rigaku公司 D/Max 2550 VB/PC型X射線衍射儀進行廣角X射線衍射(WAXD)測試。測試條件為:CuKα靶(λ為0.154 nm)，電壓 40 kV，電流 250 mA，掃描速度0.02(°)/min，掃描范圍 5°～60°。

沸水收縮率:用絞紗測長儀繞取長絲5圈，每圈長為1 m。在0.02 cN/dtex張力下測得長絲原始長度，將絲繞成8字形，再對折，松弛狀態(tài)下用紗布包好放入沸水中煮30 min，取出冷卻晾干。在同樣的張力下測得其收縮后的長度，計算得到沸水收縮率［5］。

干熱收縮率:用絞紗測長儀繞取長絲5圈，每圈長為1 m。在0.02 cN/dtex張力下測得長絲原始長度，將絲繞成8字形，再對折，松弛狀態(tài)下用紗布包好放入烘箱內(nèi)。烘箱溫度為100℃，加熱時間為30 min，在恒溫恒濕條件下平放晾干。在同樣張力下測得其收縮后的長度，計算得到干熱收縮率。

2 結(jié)果與討論

2.1 晶體結(jié)構(gòu)

從圖1可以看出，PBT纖維衍射峰對應2θ分別為 16°，17°，20.9°，23°，25°，呈現(xiàn)出三斜晶型的晶體結(jié)構(gòu)。PBT/PBST和PBST纖維的衍射特征峰與PBT纖維相似，表明3種纖維具有類似的晶體結(jié)構(gòu)，即均為三斜晶型。

圖1 PBT及PBT/PBST和PBST纖維的WAXD曲線Fig.1 WAXD curves of PBT，PBT/PBST and PBST fibers

對于PBST纖維而言，芳香族鏈段BT摩爾分數(shù)為70%，這表明脂肪族鏈段BS的引入并沒改變聚合物的晶體結(jié)構(gòu);而對 PBT/PBST纖維，PBST樹脂的質(zhì)量分數(shù)為20%，這表明PBST樹脂的添加也未改變纖維的晶體結(jié)構(gòu)。晶體結(jié)構(gòu)的保持不變有利于聚合物熱力學性能的控制，從而有利于纖維的成形及紡織后加工。

2.2 力學性能

從圖2可以看出:PBT纖維的斷裂強度與初始模量均高于PBT/PBST和PBST纖維，但斷裂伸長率則顯著低于后二者，所以PBT纖維顯現(xiàn)出脆性特征，手感較硬;PBST纖維的斷裂強度最低，斷裂伸長率最大，表現(xiàn)出良好的韌性，但這會導致其織物缺少骨架，保形性較差;而PBT/PBST纖維的應力應變曲線與PBT纖維走向趨勢相似，其斷裂強度和斷裂伸長率處于PBT和PBST纖維之間，這表明在PBT纖維中引入PBST組分可顯著改善其柔韌性。

圖2 PBT和PBT/PBST及PBST纖維的拉伸曲線Fig.2 Tensile curves of PBT，PBT/PBST and PBST fibers

從表1可以看出，3種纖維的拉伸回復率都隨著定伸長率和循環(huán)次數(shù)的增加而降低。這是因為隨著定伸長率的增加，纖維的急彈性變形和緩彈性變形占總變形的比例降低，塑性變形增加，同時緩彈變形回復需要一定時間，所以3種纖維的拉伸回復率隨著定伸長率的增加而降低。此外，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，纖維緩彈性變形和塑性變形占總變形的比例增加，同時塑性變形逐漸積累，因此3種纖維的彈性回復率相應降低。

表1 PBT與PBT/PBST和PBST纖維的拉伸回復率Tab.1 Stretch elastic recovery of PBT，PBT/PBST and PBST fibers

從表1還可發(fā)現(xiàn)，PBT纖維的拉伸回復率在不同定伸長下均低于PBT/PBST和PBST纖維。這是由于PBT在應變過程中產(chǎn)生α與β晶型的可逆轉(zhuǎn)變，松弛狀態(tài)下為α晶型，呈螺旋構(gòu)象;拉伸狀態(tài)呈β晶型。通常，α型為穩(wěn)態(tài)，β型為非穩(wěn)態(tài)，并具有向α型轉(zhuǎn)變的趨勢，因此PBT纖維具有彈性特性［6］。但α與β構(gòu)型的轉(zhuǎn)變，因苯環(huán)的位阻作用，所需的能量較大，因此其伸長所需的外界應力較大，而且當外界張力約束作用消失后，其彈性回復可能較慢且回復性較小。而PBST擁有軟鏈段BS和硬鏈段BT的大分子結(jié)構(gòu)，硬鏈段形成穩(wěn)定的結(jié)晶區(qū)段，軟鏈段具有一定分子柔性和構(gòu)象自由度，使得PBST纖維具有一定彈性。此外PBST中BT鏈段有4個亞甲基，它的這個結(jié)構(gòu)與PBT的結(jié)構(gòu)相同，在應變過程中也產(chǎn)生α與β晶型的可逆轉(zhuǎn)變，因此，使得PBST纖維的拉伸回復率高于PBT和PBT/PBST纖維。PBST的引入也導致PBT/PBST纖維的拉伸回復率高于PBT纖維，這表明共混改善了PBT纖維的耐疲勞性。

2.3 熱性能

從圖3可以看出，PBT和PBST纖維分別有一個熔融峰，對應溫度為纖維熔點，分別是220.5℃和177.9℃，而 PBT/PBST纖維作為 PBT和PBST的共混物，存在兩個熔融峰，分別為177.1℃和216.2℃。通過計算還可知，PBT，PBT/PBST，PBST 熱焓分別為 45.93，41.64，30.02 J/g，依次降低，表明它們的結(jié)晶度相應降低。這是因為隨著共聚鏈段BS的引入，破壞了以BT為主的晶體結(jié)構(gòu)的規(guī)整性，從而導致纖維的結(jié)晶度降低。

圖3 PBT及PBT/PBST和PBST纖維的DSC曲線Fig.3 DSC endotherm curves of PBT，PBT/PBST and PBST fibers

從表2可以看出，PBT作為均聚物具有相對較低的干熱收縮率，而PBST作為共聚物干熱收縮率最高，為44.42%。較高的干熱收縮率會影響織物的尺寸穩(wěn)定性，進而影響織物的服用性能。通過與PBT共混后制成的PBT/PBST纖維具有相對適中的干熱收縮率(39.58%)，有利于制成具有較好尺寸穩(wěn)定性的面料。對于沸水收縮率，3種纖維表現(xiàn)出同樣的變化規(guī)律。

表2 PBT及PBT/PBST和PBST纖維的熱收縮率Tab.2 Heat shrinkage of PBT，PBT/PBST and PBST fibers

3 結(jié)論

a.PBT/PBST長絲的拉伸曲線與PBT長絲的趨勢相似，在性能上接近PBT長絲，斷裂強度、初始模量和斷裂伸長率處于PBT長絲和PBST長絲之間。PBST長絲軟而強韌。這表明在PBT切片中加入PBST切片可以改善PBT的柔韌性。

b.PBT，PBT/PBST，PBST 長絲的拉伸回復率都隨著定伸長率和循環(huán)次數(shù)的增加而降低;PBT長絲的拉伸回復率明顯小于PBST長絲的拉伸回復率，略小于PBT/PBST長絲的拉伸回復率。

c.PBT，PBT/PBST，PBST 纖維的結(jié)晶度依次降低;PBT纖維和PBT/PBST纖維的沸水收縮率和干熱收縮率均比PBST纖維的小很多;PBST纖維沸水收縮率和干熱收縮率最大，PBT/PBST纖維的沸水收縮率和干熱收縮率差異最大。

d.隨著BS段成分的提高，PBT，PBT/PBST，PBST長絲衍射峰的位置和晶型與PBT纖維的相比并沒有發(fā)生太大變化。

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