PET／PTT和PET／PBT復合纖維的性能

郭 靜，于 春 芳，牟 思 陽，張 麗，管 福 成，劉 元 法，張 森

（大連工業(yè)大學 紡織與材料工程學院，遼寧 大連 116034）

0 引 言

PTT（聚對苯二甲酸丙二醇酯）作為一種新型芳香族線型聚酯纖維原料［1］，因多方面性能優(yōu)異而被廣泛關(guān)注和研究［2－4］，其與芳香族線型聚酯PBT（聚對苯二甲酸丁二醇酯）、PET（聚對苯二甲酸乙二 醇酯）［5－6］相互之間的對比研究［7－9］也有很多。研究發(fā)現(xiàn)，三者之間的性能有顯著差異［10］，可以通過三者之間的復合紡絲獲得新型功能纖維［11］。陳四海［12］、羅錦［13］等分別研究了PET／PTT 復合纖維的拉伸和斷裂行為及卷曲特性，發(fā)現(xiàn)熱處理后的卷曲形態(tài)結(jié)構(gòu)改變很大，卷取環(huán)的尺寸更加緊湊。但鮮見對于PET／PTT 和PET／PBT 復合纖維的對比研究報道［14］。作者通過對PET／PTT 和PET／PBT 2種相同線密度復合纖維的熱收縮率、卷曲收縮率、卷曲模量、卷曲穩(wěn)定度、斷裂強度、上染百分率等指標進行測試分析，比較了2種復合纖維間的性能差異，旨在為芳香線型聚酯復合纖維的進一步開發(fā)和應用提供借鑒。

1 試 驗

1.1 試 樣

PET／PTT 復合纖維：86.8dtex／36f，自制。PET／PBT 復合纖維：86dtex／36f，自制。

1.2 熱收縮率的測定

參照GB／T 6505—2001《合成纖維長絲熱收縮率試驗方法》進行測試。熱收縮率按式（1）計算。

式中：S為熱收縮率，%；L0為試樣的熱處理前長度，mm；L1為試樣的熱處理后長度，mm。

1.3 卷曲性能的測定

1.3.1 卷縮性能測試

測試采用的絲束為絞絲，絞絲纏繞標準為總線密度2 500dtex左右，采用100 ℃的沸水熱處理30 min，自然干燥24h 后測試。參照GB／T 6506—2001《合成纖維變形絲卷縮性能試驗方法》進行測試。將絞絲在0.20cN／dtex的張力下，持續(xù)10s 后測量長度Lg；改變負荷，使張力為0.001cN／dtex，持續(xù)10min后測量絞絲長度Lz；改變負荷，使張力變?yōu)?.01cN／dtex，持續(xù)10s后測量絞絲長度Lf；改變負荷，使絞絲承受1.0cN／dtex的張力，持續(xù)10s后，將絞絲所承受的負荷減至0.001cN／dtex，再持續(xù)20min，測量絞絲長度Lb。卷曲收縮率（CC）、卷曲模量（CM）、卷曲穩(wěn)定度（CS）為測試指標。卷曲收縮率、卷曲模量、卷曲穩(wěn)定度分別按式（2），（3），（4）計算。

CC＝（Lg－Lz）／Lg×100% （2）CM＝（Lg－Lf）／Lg×100% （3）CS＝（Lg－Lb）／（Lg－Lz）×100% （4）

1.3.2 卷縮伸長率和卷縮彈性回復率測試

從每個已經(jīng)剝?nèi)ケ韺咏z的卷裝絲上分別剪取長度約50cm 的試樣2根，放入100℃熱水中處理30min，取出后進行自然干燥。截取每根約30cm長的試樣，一端固定，另一端加載0.001 8cN／dtex的負荷，持續(xù)30s，在20cm 處作標記，即為試樣的初始長度L1。改變負荷為0.09cN／dtex的負荷，持續(xù)30s，測量標記點的位置，即為試樣加重負荷時的長度L2。去掉重負荷，試樣無負荷回縮2min后再加0.001 8cN／dtex的負荷，持續(xù)30s，測量標記點再標尺上的位置，即為恢復長度L3。緊縮伸長率（CE）和彈性恢復率（SR）為測試指標。緊縮伸長率和彈性恢復率分別按式（5），（6）計算。

1.4 卷曲形態(tài)的測試

采用北京創(chuàng)格科技集團生產(chǎn)的SZ66型連續(xù)變倍體視光學顯微鏡對纖維卷曲形態(tài)進行觀察。

1.5 力學性能的測試

采用中國萊州市電子儀器有限公司制造的YG061型電子單紗強力試驗儀，隔距250mm，拉伸速度50mm／min。每組復合纖維隨機取樣，重復測試20次，實驗數(shù)據(jù)取平均值。

1.6 染色性能的測試

用分散黃染料（纖維質(zhì)量的0.05%）對復合纖維（4g）進行染色，染液為300mL，加有擴散劑NNO 1g／L、磷酸二氫銨2g／L，其中200mL 用于染色，另100 mL 用于測試。染色過程中染液加熱至沸騰持續(xù)60min，并隨時補加適量的水以保證浴比不變。染色完后采用721型分光光度計于最大吸收波長處測染液前后的光密度A1，A2，上染率（F）按式（7）計算。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱收縮性能

由表1 可知，PET／PTT 和PET／PBT 復 合纖維經(jīng)干熱處理，收縮率都隨溫度的升高而升高。這是由于隨著溫度的升高，復合纖維中分子鏈運動加劇，更多的分子鏈由有序向無序狀態(tài)發(fā)展，解取向增加，纖維的形變增加，收縮率也隨之提高。但是在同一溫度時，PET／PTT 復合纖維的收縮率明顯高于PET／PBT 復合纖維，這主要是在復合纖維制備過程中，由于每個鏈段上亞甲基數(shù)量少的優(yōu)勢，PTT 分子鏈的柔性小于PBT，PTT 分子鏈向結(jié)晶表面擴散和排列的速度慢于PBT，導致PET／PTT 復合纖維的整體結(jié)晶度低于PET／PBT，而結(jié)晶度越低，在同一溫度時，發(fā)生解取向的分子鏈越多，體系的收縮率也就越高。

表1 不同熱處理條件下PET／PTT 和PET／PBT 復合纖維的收縮率Tab.1 The shrinkage of PET／PTT and PET／PBT bicomponent filaments after different heat treatment

此外，從表1 中還可以看出經(jīng)過沸水處理PET／PTT 復合纖維的收縮率要大大高于PET／PBT 復合纖維，這說明PET／PTT 復合纖維的收縮率對水的敏感性要強于PET／PBT 復合纖維。這是因為PET／PTT 復合纖維結(jié)晶度低于PET／PBT 復合纖維，水分子能更好地滲透到PET／PTT 復合纖維內(nèi)部，對其潤脹，使更多的大分子鏈發(fā)生解取。

2.2 卷曲性能

由表2可知，2種復合纖維在熱處理前，卷曲收縮率、卷曲模量、緊縮伸長率都很小，說明纖維卷曲小，這是因為復合纖維在熱處理前兩組分的熱收縮差異沒有充分體現(xiàn)，收縮力矩不足以帶動收縮率小的組分發(fā)生卷曲。由表2 還可見，2 種復合纖維經(jīng)熱處理后，卷曲收縮率、卷曲模量、緊縮伸長率、卷曲穩(wěn)定度、彈性恢復率均有提高，表明經(jīng)過熱處理后，復合纖維的卷曲勢能大量釋放，卷曲進一步顯現(xiàn)，卷曲性能大幅度提升。

表2 PET／PTT 和PET／PBT 復合纖維的卷曲性能Tab.2 The crimp property of PET／PTT and PET／PBT bicomponent filaments before and after heat treatment %

此外，對比兩復合纖維經(jīng)熱處理后的卷曲性能發(fā)現(xiàn)，PET／PTT 復合纖維的卷曲收縮率、卷曲模量、卷曲穩(wěn)定度、緊縮伸長率和彈性恢復率都比PET／PBT 復合纖維要高，這說明PET／PTT 復合纖維的卷曲性能比PET／PBT 復合纖維要好。在PTT 大分子中，每個鏈節(jié)有3 個亞甲基，大分子鏈之間會產(chǎn)生“奇碳效應”，使苯環(huán)不能與3個亞甲基處于同一平面，臨近2個羰基不能呈180°平面排列，只能以空間120°錯開，由此使分子鏈形成特殊的“Z”形彈簧結(jié)構(gòu)［15］。當PPT 與PET復合之后，PTT 組分在一定程度上保留了這種彈簧結(jié)構(gòu)，這使得PET／PTT 復合纖維具有更好的卷曲性能，所以PET／PTT 復合纖維的卷曲性能比PET／PBT 復合纖維要好。

2.3 卷曲形態(tài)

由圖1可見，在沸水處理前，兩種復合纖維的卷曲大而稀疏，但是PET／PTT 復合纖維的卷曲形態(tài)稍微比PET／PBT 復合纖維細和稠密一點，而經(jīng)沸水處理后，2種復合纖維的卷曲形態(tài)發(fā)生了很大的變化，卷曲充分顯現(xiàn)，變得很細很稠密，可見PET／PTT 復合纖維的卷曲形態(tài)要比PET／PBT 復合纖維更細、更稠密，這在一定程度上說明并再一次驗證了PET／PTT 復合纖維的卷曲性能要優(yōu)于PET／PBT 復合纖維。

圖1 PET／PTT 和PET／PBT 復合纖維沸水處理前后的卷曲形態(tài)Fig.1 The crimp morphology of PET／PTT and PET／PBT bicomponent filaments before and after boiling water treatment

2.4 力學性能

由表3數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)2種復合纖維的斷裂伸長率相差不大。對于PET／PTT 復合纖維來說，當其被拉伸時，僵硬的PET 分子直鏈結(jié)構(gòu)以及橫向連接鍵受到較大的變形而使PET 組分首先斷裂，斷裂后全部應力瞬間轉(zhuǎn)移到PTT 組分上，由于巨大沖擊力的作用，PTT 組分瞬間發(fā)生斷裂，從而導致整個PET／PTT 復合纖維的斷裂，此時PTT 大分子鏈沒伸展完全，因此可以看出PTT組分對于復合纖維整體斷裂伸長率影響不大，起決定作用的屬于PET 組分。同樣，PET／PBT 復合纖維中的PBT 組分也是如此，對斷裂伸長率沒多大影響，起決定作用的還是PET 組分。綜上所述，PET／PTT 復合纖維的斷裂伸長 率 與PET／PBT復合纖維相比不會有很大的差別。

表3 PET／PTT 和PET／PBT 復合纖維的力學性能Tab.3 The mechanical property of PET／PTT and PET／PBT bicomponent filaments

從表3中還可以看出，PET／PTT 復合纖維的斷裂強度高于PET／PBT 復合纖維，這是由于復合纖維兩組分間的大分子鏈存在橫向連接鍵，它能使PET 組分承受的應力值增大，而PET 組分決定著復合纖維的斷裂，因此橫向連接鍵強度越大，復合纖維的斷裂強度越高，而PET／PTT 復合纖維兩組分間大分子鏈的橫向連接鍵強度要高于PET／PBT 復合纖維，所以PET／PTT 復合纖維的斷裂強度高于PET／PBT 復合纖維。其中PET／PTT 復合纖維兩組分間大分子鏈的橫向連接鍵強度要高于PET／PBT 復合纖維，是因為在復合纖維制備過程當中，兩組分的特性黏度相差越小橫向連接鍵就越容易形成，強度就越高，而PET，PTT，PBT 的特性黏度分別為0.5，1.02，1.2dL／g。很明顯，PET／PTT 復合纖維兩組分的特性黏度差值要小于PET／PBT 復合纖維。

2.5 染色性能

分散染料與聚酯纖維分子之間主要靠范德華力吸引而相結(jié)合，實現(xiàn)上染的先決條件是聚酯纖維分子間的微隙，當空穴的體積與染料分子的大小相當或超過染料體積時，染料才能向纖維內(nèi)部擴散［16］，因此當空穴的體積越大、數(shù)量越多，纖維分子與染料結(jié)合概率越大，上染率也就越高。

通過染色性能測試得出，PET／PTT 復合纖維的上染率為88.12%，PET／PBT 復合纖維的上染率為88.51%，即PET／PBT 復合纖維的上染率高于PET／PTT 復合纖維。這是因為當溫度升高時，纖維中分子鏈段運動變得激烈，自由體積增大，空穴變大，數(shù)量增多；而PBT 分子鏈因柔性優(yōu)勢其運動要比PTT 分子鏈更劇烈，這就使得PET／PBT 復合纖維比PET／PTT 復合纖維中空穴的體積要大，數(shù)量要多，因此PET／PBT 復合纖維的上染率要高于PET／PTT 復合纖維。

3 結(jié) 論

研究結(jié)果表明，無論是干熱處理還是沸水處理，PET／PTT 復合纖維的收縮率都高于PET／PBT 復合纖維，而PET／PTT 復合纖維的收縮率對水的敏感性強于PET／PBT 復合纖維；PET／PTT 復合纖維的整體卷曲性能及斷裂強度優(yōu)于PET／PBT 復合纖維，但是2 種復合纖維的斷裂伸長率相差不大；同時，PET／PBT 復合纖維的染色性能更優(yōu)于PET／PTT 復合纖維。

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