納米云母改性聚酰胺6纖維的制備及其力學(xué)性能研究

毛雄亮，寧佐龍，郁萍華，張順花

(1.浙江理工大學(xué)，杭州 310018；2.義烏華鼎錦綸股份有限公司，浙江義烏 322000)

納米云母改性聚酰胺6纖維的制備及其力學(xué)性能研究

毛雄亮1，寧佐龍2，郁萍華1，張順花1

(1.浙江理工大學(xué)，杭州 310018；2.義烏華鼎錦綸股份有限公司，浙江義烏 322000)

添加3%、5%云母微粒到聚酰胺6切片中，用紡絲—牽伸一步法制得云母改性PA6纖維。測(cè)試分析不同云母微粒含量對(duì)聚酰胺纖維的力學(xué)性能和回彈性等指標(biāo)的影響。結(jié)果表明：云母微粒的添加量對(duì)PA6纖維的大分子取向有明顯影響，加入云母后的改性纖維取向因子減小，纖維的斷裂強(qiáng)度和彈性模量降低，而斷裂伸長(zhǎng)率增大；云母改性PA6纖維的彈性回復(fù)率較高，當(dāng)定伸長(zhǎng)為3%、5%和7%時(shí)，添加3%云母微粒的改性PA6纖維的急彈性變形回復(fù)率依次為99.2%、97.0%和92.4%，比未改性PA6纖維的分別高7.5、3.0和3.0個(gè)百分點(diǎn)。適量添加云母微粒，可提高PA6纖維的急彈性變形回復(fù)率，但對(duì)PA6纖維的大分子取向有明顯影響。在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)合理調(diào)整加工工藝，可以改善和提高云母改性PA6纖維的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。

聚酰胺6；云母微粒；共混改性；力學(xué)性能；回彈性

0 引 言

聚酰胺6(PA6)纖維具有耐磨性好、彈性回復(fù)率高和強(qiáng)度高等特點(diǎn)，大量應(yīng)用在襪品、內(nèi)衣等服飾中。隨著生活水平的提高，休閑時(shí)間的增多，人們對(duì)服飾面料的品質(zhì)提出了更高的要求，時(shí)尚、健康、舒適休閑的服飾越來(lái)越受消費(fèi)者的歡迎，服飾面料正向高檔化、多樣化、功能化方向發(fā)展。輕質(zhì)、吸濕透氣、涼爽、保暖等差異化錦綸纖維織物受到消費(fèi)者青睞[1-3]。云母(mica)是一種片狀結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)材料，來(lái)源廣泛，具有熱膨脹系數(shù)小、滑動(dòng)性好、耐酸堿腐蝕、耐高溫、有光澤、物理化學(xué)性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，可用于多種高分子材料的共混改性。在PA6纖維中加入少量云母微粒，可以顯著改善纖維的導(dǎo)熱性能，這將有利于舒適性涼爽纖維的開(kāi)發(fā)[4]。本課題組已經(jīng)對(duì)云母改性PA6纖維的可紡性、改性纖維的結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[3-4]，本文實(shí)驗(yàn)研究納米云母添加量對(duì)PA6纖維的取向、強(qiáng)伸、回彈性等指標(biāo)的影響，以期為PA6纖維涼爽功能的開(kāi)發(fā)生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料

PA6切片(纖維級(jí)，相對(duì)黏度2.4，真空包裝，含水率小于100mg/kg)；改性母粒(基體成分為PA6，云母微粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%)。

1.2 試樣的制備

將云母微粒真空干燥，干燥溫度為105℃，干燥時(shí)間為24h，使母粒含水率小于100mg/kg；按比例與PA6切片共混，其配比見(jiàn)表1。

在高速紡絲機(jī)上，一步法制備Mica/PA6共混纖維。熔融、紡絲溫度為280～260℃，牽伸比1.25，卷繞速度為4500m/min。紡絲工藝流程：共混切片→擠壓熔融→過(guò)濾→計(jì)量→紡絲→吹風(fēng)冷卻→上油→導(dǎo)絲→熱牽伸→高速卷繞→FDY。

表1 Mica/PA6纖維的配比

1.3 結(jié)構(gòu)性能測(cè)試

1.3.1 改性聚酰胺纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)

采用JSM-5610型掃描電子顯微鏡放大(2000倍和5000倍)，對(duì)純聚酰胺以及改性聚酰胺纖維表面形態(tài)以及橫截面進(jìn)行觀察。

1.3.2 線密度測(cè)試

用YG081縷紗測(cè)長(zhǎng)機(jī)和電子天平測(cè)定試樣長(zhǎng)度和質(zhì)量，然后換算成纖維的線密度。

1.3.3 強(qiáng)伸度測(cè)試

用XL-2紗線強(qiáng)伸度儀進(jìn)行測(cè)試，夾具間距離為250mm，預(yù)加張力為0.05cN/dtex，拉伸速度250mm/min。

1.3.4 定伸長(zhǎng)回彈性測(cè)試

采用XL-2紗線強(qiáng)伸度儀。預(yù)加張力為0.05cN/dtex，夾持距離為500mm，拉伸速度為100mm/min，分別將纖維拉伸至3%、5%和7%，停頓時(shí)間30s，回復(fù)時(shí)間90s，開(kāi)始第二次拉伸，重復(fù)這一拉伸過(guò)程直至循環(huán)5次，并按下式計(jì)算定伸長(zhǎng)回彈率。

(1)

式中：L-定伸長(zhǎng)度；L1-拉伸至定伸長(zhǎng)值后試樣的長(zhǎng)度；L2-試樣復(fù)位后的長(zhǎng)度。

1.3.5 纖維取向度測(cè)試

用SCI-Ⅲ型聲速取向測(cè)量?jī)x，對(duì)纖維取向度進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)試樣測(cè)試5次，并按下式計(jì)算取向度F,

(2)

式中：Cu為聲波沿著未取向試樣的傳播速度；C0為聲波沿著取向試樣的傳播速度。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)

改性前后聚酰胺6纖維的表面形態(tài)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1顯示，純聚酰胺纖維的表面和橫截面均較光滑(圖1(a)、(b)),而云母微粒改性纖維(圖1(c)、(d))的表面和橫截面有細(xì)小云母顆粒，顆粒分散較均勻。

圖1 改性前后PA6纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)

2.2 改性纖維的力學(xué)性能

纖維具有結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)，結(jié)晶區(qū)的結(jié)晶度和非晶區(qū)的取向度是纖維超分子結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，其數(shù)值大小對(duì)纖維的力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)等性能都有影響，其中對(duì)纖維的力學(xué)性能影響尤為顯著。用聲速法測(cè)試試樣的取向因子，結(jié)果如表2。表2可見(jiàn)，云母微粒的添加量對(duì)PA6纖維的大分子取向有明顯影響，加入云母后的改性纖維取向因子減小，取向度下降，這將導(dǎo)致纖維的力學(xué)性能的改變。

表2 摻雜不同含量云母微粒PA6的取向度與模量

云母微粒含量/%取向因子fs聲速模量/(cN/dtex)00．54837．22030．45730．95150．44630．412

不同云母微粒含量PA6纖維的主要力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表3。表3顯示，添加云母微粒的PA6纖維的斷裂強(qiáng)度和彈性模量有所降低，斷裂伸長(zhǎng)率提高。

表3 云母微粒含量對(duì)纖維力學(xué)性能的影響

注：試樣線密度為95.0dtex

無(wú)機(jī)粒子改性纖維的力學(xué)性能在一定程度上取決于填料粒子在基體中的分散度和分布均勻性以及兩者界面狀態(tài)。無(wú)機(jī)粒子加入增大了聚酰胺6纖維大分子鏈間間距，削弱了分子鏈之間的連接，同時(shí)也改變了PA6纖維的超分子結(jié)構(gòu)，大分子的取向、結(jié)晶性能均會(huì)發(fā)生變化[5]。從聲速取向因子測(cè)試結(jié)果看，纖維的取向度明顯下降。這導(dǎo)致了改性纖維的強(qiáng)度、模量的下降和斷裂伸長(zhǎng)率的提高。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)改性母粒的添加量，合理調(diào)整加工工藝，改善和提高云母改性纖維的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。

2.3 改性纖維的回彈性測(cè)試

回彈性表征纖維的變形恢復(fù)能力，對(duì)纖維的尺寸穩(wěn)定性、抗折皺性有影響，常用指標(biāo)是回彈率。實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析了定伸長(zhǎng)率為3%、5%、7%時(shí)的不同云母微粒含量的PA6纖維的回彈性能。結(jié)果如圖2、表4所示。從圖2可以看出，同一伸長(zhǎng)率條件下，樣品1比樣品2和樣品3承受更大負(fù)荷，變形更難。表4數(shù)據(jù)顯示，定伸長(zhǎng)為3%時(shí)，樣品2急彈性變形為99.2%，回彈率為100%，樣品1急彈性變形為91.7%，回彈性為100%；定伸長(zhǎng)為5%時(shí)，樣品2急彈性變形為97.0%，回彈率為100%，樣品1急彈性變形94.0%，回彈性99.4%；定伸長(zhǎng)為7%時(shí)，樣品2急彈性變形為92.4%，回彈率為100%，樣品1急彈性變形89.4%，回彈率99.4%。由此可見(jiàn)，添加了3%云母母粒的PA6纖維具有較好的回彈性。

圖2 不同云母微粒含量PA6纖維的彈性恢復(fù)率

表4 含不同云母微粒的PA6纖維的彈性恢復(fù)率

定伸長(zhǎng)率/%云母微粒含量/%急彈性變形Ei/%塑性變形Ep/%緩彈性變形Es/%回彈率Er/%3091．70．08．3100．0399．20．00．8100．0589．61．88．798．25094．00．65．099．4397．00．03．0100．0591．41．07．599．07089．40．610．099．4392．40．013．6100．0586．41．811．798．2

3 結(jié) 論

a) 云母微粒的添加量對(duì)PA6纖維的大分子取向有明顯影響，加入云母后的改性纖維取向因子減小，斷裂強(qiáng)度和彈性模量降低，而斷裂伸長(zhǎng)率增大。在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)改性母粒的添加量，合理調(diào)整加工工藝，改善和提高云母改性PA6纖維的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。

b) 當(dāng)添加3%云母微粒，定伸長(zhǎng)為3%、5%和7%時(shí)，改性PA6纖維的急彈性變形回復(fù)率依次為99.2%、97.0%和92.4%，比未改性PA6纖維提高7.5、3.0和3.0個(gè)百分點(diǎn)。適量添加云母微粒，可提高PA6纖維的急彈性變形回復(fù)率，進(jìn)而提高織物的彈性和穿著舒適性。

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[3] Zhang S H,Zhu G X,Yang F C. Influence of mica particles on rheological and thermal properties of polypropylene[J].Rare Metal Material and Engineering,2012,41(S3):234-237.

[4] 朱桂新,張順花,徐鑫燦.云母/聚丙烯共混物熔體的拉伸流變性能[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2012(4):42-46.

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(責(zé)任編輯：張祖堯)

Study on Preparation and Mechanical Properties of Polyamide 6 Fiber Modified with Nano-mica

MAOXiongliang1,NINGZuolong2,YUPinghua1,ZHANGShunhua1

(1.College of Materials and Textiles, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China;2.Yiwu Huading Nylon Co., Ltd., Yiwu 322000, China)

This study adds 3% and 5% mica master-batches to polyamide 6 slices, prepares mica modified PA6 fiber with spinning-drafting one-step method and tests and analyzes the influence of different contents of mica particles on performance indicators of polyamide fiber such as mechanical properties and rebound resilience. The result shows that the volume of addition of mica master-batches has significance influence on macromolecular orientation of PA6 fiber. The orientation factor of modified fiber added with mica decreases, its breaking strength and elasticity modulus decrease and its elongation at break increases. Mica modified PA6 fiber has a high elastic recovery rate. When certain elongation is 3%, 5% and 7%, the fast elastic deformation recovery rate of modified PA6 fiber added with 3% mica master-batches is respectively 99.2%, 97.0% and 92.4%, respectively 7.5%, 3.0% and 3.0% higher than that of unmodified PA6 fiber. Appropriate addition of mica master-batches can increase the fast elastic deformation recovery rate of PA6 fiber, but has significant influence on macromolecular orientation of PA6 fiber. In practical production, it can be used to adjust the processing technology reasonably and improve structural and mechanical properties of mica modified PA6 fiber.

polyamide 6; mica master-batches; blending modification; mechanical properties; rebound resilience

2014-06-03

浙江省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013T103)；義烏市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012-G1-10)

毛雄亮(1988-)，男，江西上饒人,碩士研究生，主要從事新纖維材料及功能性纖維材料的研究。

寧佐龍，E-mail:ninglong11@163.com

TS102.521

A

1009-265X(2015)01-0006-03