雙組分并列復合纖維“啞鈴型”結構的控制

周靜宜+張大省+王春梅

摘要：雙組分并列復合纖維“啞鈴型”結構的控制可以更好地顯示其三維立體卷曲結構和彈性功能。研究結果表明，并列復合纖維兩組分的體積組成比、兩組分在紡絲工藝條件下的熔體黏度比及噴絲板的結構均為控制雙組分并列復合纖維形成“啞鈴型”結構的重要影響因素。

關鍵詞：雙組分并列復合纖維；啞鈴型；形態(tài)結構；控制

中圖分類號：TQ342.29 文獻標志碼：A

Control of the Dumbbell Structure of Side-by-side Bicomponent Fiber

Abstract： By controlling the dumbbell structure of side-by-side bicomponent fiber can better show their three-dimensional crimp structure and elastic function. The research results show that the volume ratio， the melt viscosity ratio of the two components of side-by-side composite fibers and the structure of the nozzle plate in the spinning process are the three important factors in controlling the formation of dumbbell structure of side-by-side bicomponent fiber.

Key words： side-by-side bicomponent fiber； dumbbell； morphological structure； control

多年來，國內(nèi)對于并列型彈性復合纖維的研究與開發(fā)十分活躍，通過改變并列雙組分的組成、分布、比例、橫截面形狀以及紡絲和后加工工藝條件等可制得不同性能的彈性復合纖維，這類纖維具有很好的應用前景。至今，并列型彈性復合纖維中研究最多且較深入的品種為聚對苯二甲酸乙二醇酯/聚對苯二甲酸丙二醇酯（PET/PTT）組合，此外也有不少關于其他聚合物原料組合的研究，例如采用兩種不同特性黏數(shù)的PET或PTT、PET/改性PET、聚酰胺6（PA6）/改性PA6以及PET/聚對苯二甲酸丁二醇酯（PBT）等。此類纖維的彈性主要來源于其自身的卷曲結構，而使其能形成三維立體卷曲結構的因素有許多，如并列雙組分需具備良好的相容性、具有較大的熱收縮率差異，纖維需經(jīng)過適宜的熱處理等。

另外，并列復合纖維的橫截面結構亦是決定纖維螺旋狀卷曲形態(tài)和彈性功能優(yōu)劣的重要因素之一。羅錦以PET/ PTT并列復合纖維為研究對象，通過分析纖維的卷曲半徑和螺距之間的關系發(fā)現(xiàn)，卷曲半徑和螺距均趨于最小時，纖維的卷曲曲率最高；而“啞鈴型”橫截面的并列纖維則對應相對最小的卷曲半徑和螺距，葫蘆形次之，圓形橫截面復合纖維的卷曲半徑和螺距相對最大，這就意味著“啞鈴型”橫截面結構能賦予并列復合纖維較佳的卷曲彈性。本文將重點研究雙組分并列復合纖維“啞鈴型”橫截面形態(tài)結構的控制，以確保纖維獲得優(yōu)良的彈性。

1 實驗

1.1 雙組分并列復合纖維的制備

1.1.1 原料及其主要性能

PTT半消光切片，杜邦公司產(chǎn)；高收縮聚酯（HSPET）切片，自制。各原料的特性黏數(shù)[η]、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）、結晶溫度（Tc）及熔點（Tm）如表 1 所示。

1.1.2 雙組分并列復合纖維的制備

采用雙組分復合紡絲機（大連合成纖維研究所制造）進行HSPET/PTT并列紡絲，主、副螺桿直徑均為Φ30 mm，長徑比為25︰1；紡絲組件由日本化纖噴絲板廠生產(chǎn)，噴絲孔規(guī)格為Φ0.25 mm×24孔；紡絲速度為1 000 m/min。初生纖維的拉伸和熱定形在TF100-08型撥叉式平牽機（蘇州特發(fā)公司制造）上完成，卷繞速度為500 m/min。

1.2 纖維結構與性能分析

采用DSC6200差示掃描量熱儀（日本精工電子有限公司）測定原料熱性能，升溫速度為20 ℃/min，N2氣氛；采用JEOL JSM-7500F型掃描電子顯微鏡（日本電子株式會社）及OLYMPUS BX41型顯微鏡（日本奧林帕斯株式會社）觀察并記錄纖維的形態(tài)結構；采用Rosand RH7毛細管流變儀（英國馬爾文儀器公司）測定原料的流變性能，毛細管直徑為 1 mm，毛細管長度為 16 mm，剪切速率為10 ～ 10 000 s-1。

2 結果與討論

2.1 雙組分并列復合纖維橫截面形態(tài)結構控制的相關

理論解析

在關于并列復合纖維形態(tài)與其卷曲彈性的關系研究方面，Rwei等對比了圓形與三角形橫截面并列纖維的卷曲性能（圖1），發(fā)現(xiàn)在橫截面面積相同的情況下，三角形復合纖維的卷曲性能優(yōu)于圓形橫截面的復合纖維；同時發(fā)現(xiàn)高收縮率組分置于三角形頂端時，表現(xiàn)出更優(yōu)異的卷曲性能；雙組分并列復合纖維最適宜的組分體積比是50/50。

對自卷曲纖維的理論分析源于1925年Timoshenko提出的雙金屬片彎曲作用原理，當溫度發(fā)生變化時，由于兩種金屬的膨脹系數(shù)不同可產(chǎn)生彎曲。由此推出影響并列型復合纖維卷曲曲率的主要因素為：（1）兩組分間的收縮率差異；（2）兩組分的模量差異；（3）纖維的整體橫截面和每個組分獨立的橫截面形狀以及纖維的線密度；（4）兩種聚合物的復合比及熔體黏度的差異。Fitzgerald和Knudsen推導得出了并列復合纖維卷曲曲率與影響因素之間的關系，如式（1）所示。

式（1）中，R為纖維的卷曲半徑；1/R為卷曲曲率；K為常數(shù)（一定程度上依賴于組分模量比和纖維的橫截面形狀）；h為纖維線密度；Cp為卷曲勢能函數(shù)，對給定的纖維橫截面來說，兩個組分對稱性越大，其卷曲勢能Cp越高；△L/L為兩個組分的收縮差。

可見，此類彈性纖維的卷曲結構和彈性優(yōu)劣與復合纖維的橫斷面形態(tài)結構密切相關。而影響橫斷面形態(tài)結構的主要因素可歸納為：（1）兩組分的體積組成比；（2）兩組分黏度差異；（3）紡絲組件結構。

并列復合纖維兩組分比例與其卷曲性能的關系如圖 2所示。當兩組分的體積組成比為50/50時，可以得到卷曲半徑最小、單位長度卷曲數(shù)最多的纖維，此時纖維的彈性伸長率及其回復率最佳；兩組分的體積組成比高于或低于50/50時，纖維的卷曲半徑和卷曲螺距增大，卷曲曲率減小，纖維的卷曲率和卷曲回復率降低。

在紡絲工藝條件下，A、B兩組分的熔體黏度差異改變時，并列復合纖維的橫截面結構也會有所不同。如圖 3 所示，若兩組分的熔體黏度差異很大時，則會出現(xiàn)“稀包稠”的現(xiàn)象。因為熔體黏度較高者具有較大的表面張力，更傾向于成球狀，從而被熔體黏度相對較低者所包圍。圖 3（a）和（b）均為熔體A的黏度低于熔體B的，即B被A包圍；此種結構的纖維常被稱為偏心式皮芯型復合纖維，其也能表現(xiàn)出大卷曲半徑的三維卷曲結構，并略有彈性（圖 4 和圖 5）。

2.2 并列復合纖維體積組成比與纖維橫斷面及縱向結構的關系

如上文所述，構成并列復合纖維兩組分的體積組成比是影響并列復合纖維橫截面結構的重要因素。圖 6 和圖 7為不同體積比的HSPET/PTT并列復合纖維的橫截面形態(tài)和經(jīng)熱處理后纖維的縱向卷曲結構。

從圖 7 可以看出，當HSPET/PTT的體積組成比為50/50時，并列復合纖維的橫斷面顯示出界面兩側(cè)面積均等的形狀，其縱向則呈現(xiàn)卷曲半徑小、卷曲波紋較為密實的形態(tài)；而當HSPET/PTT體積組成比為60/40或40/60時，纖維的橫斷面顯現(xiàn)出中心線兩側(cè)大小不一的形狀，其縱向則呈卷曲半徑大且較為松散的狀態(tài)，該結果與圖 2 的分析一致。2.3 并列復合纖維兩組分熔體黏度差異與纖維橫斷面

及縱向結構的關系

依據(jù)圖 2 和圖 3 的分析，在紡絲工藝條件下，兩組分的熔體黏度近似相等時，其纖維橫截面形狀最理想，可呈現(xiàn)中間平均分割的并列型結構。但僅是兩組分體積比為50/50、并列纖維橫截面兩側(cè)平分還不足以使復合纖維獲得優(yōu)異的彈性，還需創(chuàng)造條件使并列復合纖維的橫斷面呈現(xiàn)理想的“啞鈴型”。在此種形態(tài)結構時，雙組分處于最大的對稱結構狀態(tài)，也就是使式（1）中提及的卷曲勢能函數(shù)Cp值盡力提高。促使雙組分并列復合纖維形成“啞鈴型”截面的關鍵在于控制兩組分均具有較高的表面張力，以達到各自易于形成球狀的趨勢。在紡絲加工過程中，應使并列復合的兩個組分的熔體黏度在保證可紡性的前提下盡可能地提高。

影響高聚物熔體黏度的因素包括高聚物的相對分子質(zhì)量、熔體溫度以及剪切速率等。HSPET和PTT在不同溫度下的流動性能如圖 8 所示。從圖 8 可見，隨著剪切速率增加，兩種熔體的黏度均隨之降低，即都屬于切力變稀流體。并且在低剪切速率下，熔體黏度的下降對剪切速率的依賴性較為明顯，而在高剪切速率下，熔體黏度隨剪切速率增大而減小的趨勢減緩。此外，隨著溫度升高，兩種熔體的表觀黏度變小，即熔體的流動性變好；而熔體溫度愈高，熔體黏度對剪切速率的依賴性愈小，因而可以通過改變紡絲溫度或剪切速率來調(diào)節(jié)熔體的黏度。

實際生產(chǎn)中可通過選擇聚合物原料的特性黏數(shù)、設計噴絲孔的孔徑及長徑比、改變泵供量等措施來調(diào)節(jié)熔體黏度。但在上述條件已基本確定的情況下，一般通過調(diào)節(jié)紡絲溫度來控制熔體的黏度。從圖 8 可以發(fā)現(xiàn)，在相同溫度（例如270 ℃或280 ℃）下，HSPET熔體的表觀黏度均高于PTT熔體的黏度，即PTT熔體的流動性能優(yōu)于HSPET熔體。因此紡絲加工時必須設法加以調(diào)整，以使紡絲熔體流出噴絲孔時，兩個組分的熔體黏度保持相等或相近，避免發(fā)生因兩組分熔體黏度差異過大而形成圖 3 的“稀包稠”現(xiàn)象。

圖 9 為兩組分熔體溫度調(diào)整時所形成的雙組分并列復合纖維的橫斷面結構及經(jīng)熱處理后的纖維縱向外觀形態(tài)。

圖 9（a）圖淺色部分組成物的熔體黏度高于深色部分，因此在兩組分的界面處淺色組分成凸出狀并嵌入深色部分的組成物中；圖 9（b）圖的雙組分熔體黏度基本相同，在雙組分的界面處基本呈直線，且略有“啞鈴型”結構；圖 9（c）圖的雙組分黏度不僅相一致，而且二者的熔體黏度較高，橫斷面展現(xiàn)出完美的“啞鈴型”形態(tài)結構，該橫斷面結構的雙組分復合纖維經(jīng)熱處理后，纖維縱向外觀呈現(xiàn)兩組分相互粘結形成穩(wěn)定的三維立體卷曲狀結構，如圖 9（d）所示，此時纖維具有較佳的彈性伸長率和彈性回復性能。2.4 紡絲組件結構對“啞鈴型”結構的影響

紡絲組件的結構對于并列型復合纖維橫截面形態(tài)結構的形成也具有一定的影響。如圖10所示，在使用圖中深、淺擋板式和直接并流式噴絲板時，如果兩組分的熔體黏度控制不當，很容易出現(xiàn)兩組分的流體還未從噴絲孔擠出已發(fā)生“稀包稠”的現(xiàn)象，形成除圖 3（c）以外的 4 種偏心型復合纖維的橫斷面結構。而使用圖10的出口并流式和出口外并流式更容易控制形成真正的并列復合橫截面結構，因為兩組分熔體從噴絲孔擠出接觸并相互粘結后，很快會由于熔體溫度的降低而黏度驟升，繼而凝固。

3 結論

具有三維立體卷曲結構的雙組分并列復合纖維形成“啞鈴型”形態(tài)的主要控制因素包括兩組分的體積組成比、兩組分黏度差異和紡絲組件結構。只有滿足兩組分體積組成比為50/50、兩組分熔體黏度相近且具有盡量高的黏度、采用出口并流式或出口外并流式噴絲板結構時，才容易得到擁有“啞鈴型”橫截面結構的并列復合纖維。

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