紡絲工藝對PET/PTT復(fù)合纖維性能的影響

馮永生,蔡 濤，歐陽文咸

(1.海興材料科技有限公司,福建 泉州 362700; 2.福建省纖維檢驗局,福建 福州 350026; 3.福建省紡織產(chǎn)品檢測技術(shù)重點實驗室,福建 福州 350026)

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紡絲工藝對PET/PTT復(fù)合纖維性能的影響

馮永生1,蔡 濤2,3*，歐陽文咸1

(1.海興材料科技有限公司,福建 泉州 362700; 2.福建省纖維檢驗局,福建 福州 350026; 3.福建省紡織產(chǎn)品檢測技術(shù)重點實驗室,福建 福州 350026)

將不同黏度的聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)與聚對苯二甲酸丙二醇酯(PTT)按質(zhì)量比40:60進(jìn)行混合，通過熔融復(fù)合紡絲、拉伸制得PET/PTT復(fù)合纖維，研究了紡絲工藝對纖維力學(xué)性能以及卷曲彈性的影響。結(jié)果表明：隨著PET與PTT的特性黏數(shù)差由0.12 dL/g增加至0.54 dL/g，PET/PTT復(fù)合纖維的斷裂強度和初始模量下降，斷裂伸長率增加；隨著拉伸比由2.5增加至4.5以及拉伸輥溫度由120 ℃升高至150 ℃，PET/PTT復(fù)合纖維的斷裂強度增加，斷裂伸長率降低，卷曲性能增加，彈性增大。

聚對苯二甲酸乙二醇酯纖維 聚對苯二甲酸丙二醇酯纖維 復(fù)合纖維 復(fù)合紡絲 力學(xué)性能

彈性纖維是目前市場附加值較高的一種纖維，市場上主要有聚氨酯纖維(氨綸)和聚烯烴彈性纖維。但由于氨綸存在成本高，易老化、耐氧化性能差的缺陷，特別是氨綸需要包覆其他纖維才能使用，工藝復(fù)雜，從而一定程度上限制了氨綸的應(yīng)用[1-2]。聚烯烴彈性纖維存在彈性模量小，彈性回復(fù)差的特性，應(yīng)用范圍較為狹窄。聚對苯二甲酸乙二醇酯/聚對苯二甲酸丙二醇酯(PET/PTT)復(fù)合纖維是新一代彈性纖維，由于兩種材料收縮性的差異，PET/PTT復(fù)合纖維具有優(yōu)良的彈性和卷曲[3]，同時還具有優(yōu)良的耐疲勞性、耐化學(xué)性和耐光性。

紡絲工藝對PET/PTT 復(fù)合纖維的性能有較大的影響，紡絲工藝中不同組分的特性黏數(shù)([η])之差(?[η])、拉伸比以及拉伸輥溫度對纖維的性能有較為重要的影響。為了探討紡絲工藝對PET/PTT復(fù)合纖維主要性能的影響，作者選用了3種不同[η]的PET切片(A，B，C)與PTT復(fù)合紡絲，研究了拉伸比、拉伸輥溫度對PET/PTT復(fù)合纖維力學(xué)性能的影響。

1 試驗

1.1 原料

PTT切片：[η]為1.01 dL/g,熔點227 ℃,美國杜邦公司產(chǎn)；PET切片：切片A的[η]為0.89 dL/g,熔點252 ℃，切片B的[η]為0.69 dL/g,熔點253 ℃,切片C的[η]為0.47 dL/g,熔點249 ℃,均為浙江恒逸集團有限公司產(chǎn)。

1.2 PET/PTT復(fù)合纖維的制備

將干燥后PET，PTT切片按質(zhì)量比40:60計量，分別通過不同的螺桿輸送到對應(yīng)的熔體管道，經(jīng)復(fù)合噴絲組件進(jìn)行分配，通過計量泵控制好紡絲液的合理配比，最后匯合于噴絲板從同一噴絲孔擠出，紡絲溫度285 ℃，紡絲速度900 m/min，經(jīng)冷卻、卷繞、拉伸制得PET/PTT復(fù)合纖維。

1.3 測試

力學(xué)性能：采用東華大學(xué)XD-2型振動式纖維纖度儀 和XQ-2型纖維強力儀測定纖維的斷裂強度、模量和斷裂伸長率。纖維夾持長度為20 mm，拉伸速率為5 mm/min。每一個試樣重復(fù)測定30次，取平均值。

截面形態(tài)：采用南通宏大實驗儀器有限公司Y172哈氏切片器，將纖維進(jìn)行切片制樣，然后利用上海光學(xué)儀器一廠59XC偏光顯微鏡對切片進(jìn)行觀察。放大倍數(shù)為400，同時利用顯微鏡配置的相關(guān)軟件，拍攝纖維截面形態(tài)照片。

差示掃描量熱(DSC)分析：利用美國TA公司DSC 2910差示掃描量熱儀測試，將纖維剪切成長度小于2 mm的試樣，稱取約10 mg的試樣,在氮氣氣氛下,以 10 ℃/min的升溫速率從室溫升至300 ℃,得到試樣的DSC曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 外觀形態(tài)

從圖1可以看出，PET/PTT復(fù)合纖維的截面形態(tài)完整，說明PET和PTT二者之間熔體混合均勻性好。PET/PTT復(fù)合纖維截面形態(tài)類似于花生形態(tài)，邊緣光滑，中間出現(xiàn)的黑點是由于切片中加入了消光劑，測試過程中切片后消光劑呈現(xiàn)出來的原因。PET和PTT材料分子結(jié)構(gòu)類似，紡絲過程中在熔融狀態(tài)下相互融合，成形后沒有明顯的界面形態(tài)，相互之間的結(jié)合力強，沒有兩組分相互分離的痕跡。

圖1 PET/PTT復(fù)合纖維截面形態(tài)Fig.1 Cross section morphology of PET/PTT composite fiber?[η]為0.32 dL/g，拉伸比3.5，拉伸輥溫度120 ℃。

2.2 熱性能

從圖2可以看出：PET/PTT復(fù)合纖維的DSC升溫曲線中出現(xiàn)了雙峰，在224.12 ℃處出現(xiàn)的是PTT的熔融峰，而在248.29 ℃處出現(xiàn)的是PET的熔融峰；DSC曲線中PTT和PET的熔融峰差異明顯，結(jié)合切片中PTT的熔融溫度為227 ℃和PET的熔融溫度為253 ℃可知，復(fù)合纖維在成形過程中產(chǎn)生了相互作用，從而造成了復(fù)合纖維材料的熔融溫度的變化。

圖2 PET/PTT復(fù)合纖維的DSC升溫曲線Fig.2 DSC endotherm curve of PET/PTT composite fiber?[η]為0.32 dL/g，拉伸比3.5，拉伸輥溫度120 ℃。

2.3 ?[η]對纖維力學(xué)性能的影響

從表1可以看出，隨著?[η]的增大，PET/PTT復(fù)合纖維的斷裂強度和初始模量降低，而斷裂伸長率增加。這是因為PET/PTT復(fù)合纖維中，PET纖維具有較強的剛性，而PTT纖維大分子鏈因為具有“奇碳效應(yīng)”，顯現(xiàn)出較好的彈性，復(fù)合纖維的應(yīng)力主要集中在PET纖維上，因而隨著PET的[η]降低，?[η]增大，復(fù)合纖維的物理機械性能降低 。

表1 ?[η]對PET/PTT復(fù)合纖維力學(xué)性能的影響

Tab.1 Effect of ?[η] on mechanical properties of PET/PTT composite fiber

[η]/(dL·g-1)斷裂強度/(cN·dtex-1)初始模量/(cN·dtex-1)斷裂伸長率，%0．123．6435420．323．3728530．543．212264

注：拉伸比3.5，拉伸輥溫度120 ℃。

2.4 拉伸比對纖維力學(xué)性能的影響

從表2可以看出：隨著拉伸比提高，PET/PTT復(fù)合纖維的斷裂強度和初始模量增加，斷裂伸長率有一定程度的降低；隨著拉伸比的提高，PET/PTT復(fù)合纖維的卷曲數(shù)呈現(xiàn)上升的趨勢。這是因為紡絲過程中，由于PET熔點較高，因而PET纖維承擔(dān)了紡絲過程中較大的紡絲張力，隨著拉伸比的提高，PET組分的大分子鏈得到較大幅度的拉伸取向，從而結(jié)晶固化，造成纖維強度增大。此外，PET/PTT復(fù)合纖維的卷曲性能是由于PET和PTT在拉伸作用下，二者在紡絲和拉伸張力上承擔(dān)的差異和比例的不同，從而導(dǎo)致纖維取向和結(jié)晶差異引起兩組分的熱收縮不同導(dǎo)致的結(jié)果。另外，隨著拉伸比增大，PET/PTT復(fù)合纖維的卷曲數(shù)呈現(xiàn)增大的趨勢，也表明了隨著拉伸比的增大，PET/PTT復(fù)合纖維成形過程中，結(jié)晶和取向的差異也呈現(xiàn)增大的趨勢[4]。

表2 拉伸比對PET/PTT復(fù)合纖維力學(xué)性能的影響

Tab.2 Effect of draw ratio on mechanical properties of PET/PTT composite fiber

拉伸比斷裂強度/(cN·dtex-1)初始模量/(cN·dtex-1)斷裂伸長率，%卷曲數(shù)(25mm)/個2．53．2728604．53．53．3728535．04．53．5632456．5

注：?[η]為0.32 dL/g，拉伸輥溫度120 ℃。

2.5 拉伸輥溫度對纖維力學(xué)性能的影響

從表3可以看出：PET/PTT復(fù)合纖維成形過程中，隨著拉伸輥溫度的提高，復(fù)合纖維的斷裂強度和初始模量呈現(xiàn)上升的趨勢；此外，纖維的卷曲數(shù)隨著拉伸輥溫度的上升，也呈現(xiàn)增加的趨勢。PET組分和PTT組分間存在較大的熱收縮性能差異[5], 這是PET/PTT 復(fù)合纖維具有卷曲彈性的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。在生產(chǎn)實際中，從紡絲線上取下來的PET/PTT復(fù)合纖維成品由于成形結(jié)構(gòu)不完善且存在一定程度的應(yīng)力松弛，呈稀疏的卷曲結(jié)構(gòu)，并且這種結(jié)構(gòu)不完善；通過拉伸后，PET/PTT復(fù)合纖維的取向度變大，在拉伸輥加熱到一定溫度環(huán)境條件下，由于兩種組分熱收縮的差異，復(fù)合纖維的卷曲潛能得到發(fā)揮和呈現(xiàn)，最終可以得到理想的卷曲彈性。

表3 拉伸輥溫度對PET/PTT復(fù)合纖維力學(xué)性能的影響

Tab.3 Effect of drawing roller temperature on mechanical properties of PET/PTT composite fiber

拉伸輥溫度/℃斷裂強度/(cN·dtex-1)初始模量/(cN·dtex-1)斷裂伸長率，%卷曲數(shù)(25mm)/個1203．3728535．01303．4230506．51503．6141457．5

注：?[η]為0.32 dL/g，拉伸比3.5。

3 結(jié)論

a. 隨著PET和PTT二者之間的?[η]增大，PET/PTT復(fù)合纖維的斷裂伸長率增加，斷裂強度和初始模量呈現(xiàn)減小的趨勢。

b. 隨著拉伸比的增大，PET/PTT復(fù)合纖維的斷裂強度和初始模量增加，斷裂伸長率減小，而復(fù)合纖維的卷曲數(shù)增大，有利于增強復(fù)合纖維的卷曲彈性。

c. 隨著拉伸輥溫度的升高，PET/PTT復(fù)合纖維的力學(xué)性能提高，其卷曲潛能得到發(fā)揮，纖維的卷曲彈性增大。

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Effect of spinning process on properties of PET/PTT composite fiber

Feng Yongsheng1, Cai Tao2,3, Ouyang Wenxian1

(1.HaixingMaterialTechnologyCo.,Ltd.,Quanzhou362700; 2.ProvincialFiberInspectionBureau,Fuzhou350026; 3.ProvincialKeyLaboratoryofTextilesInspectionTechnology,Fuzhou350026)

A polyethylene terephthalate/polytrimethylene terephthalate (PET/PTT) composite fiber was produced by mixing PET and PTT with different viscosity at the mass ratio of 40:60 via melt composite spinning prior to drawing. The effects of the spinning process on the mechanical properties and crimp elasticity of PET/PTT composite fiber were studied. The results showed that the breaking strength and initial modulus of PET/PTT composite fiber were decreased and the elongation at break was increased as the viscosity difference of PET and PTT was increased from 0.12 dL/g to 0.54 dL/g; and the breaking strength of PET/PTT composite fiber was increased, the elongation at break was decreased, the crimp properties were increased and the elasticity was increased as the draw ratio was increased from 2.5 to 4.5 and the drawing roller temperature was raised from 120 ℃to 150 ℃.

polyethylene terephthalate fiber; polytrimethylene terephthalate fiber; composite fiber; composite spinning process; mechanical properties

2016- 07-26； 修改稿收到日期：2016-10- 09。

馮永生 (1964—)，男，工程師，主要從事纖維加工及材料開發(fā)。E-mail：fys@haixingtec.com。

國際科技合作與交流專項(2014DFA50550)。

TQ342+.94

A

1001- 0041(2016)06- 0065- 03

* 通訊聯(lián)系人。E-mail：robincaitao@163.com。