高強低伸型滌綸工業(yè)絲的制備及力學性能研究

楊志超，陳文興，溫國奇，石教學*，張先明，張德慧，曾衛(wèi)衛(wèi)，高亞輝，喬莎莎

(1.浙江古纖道新材料股份有限公司,浙江 紹興 312071; 2.浙江理工大學, 浙江 杭州 310018; 3.浙江古纖道綠色纖維有限公司,浙江 紹興 312071)

高強低伸型滌綸工業(yè)絲的制備及力學性能研究

楊志超1，陳文興2，溫國奇1，石教學1*，張先明2，張德慧3，曾衛(wèi)衛(wèi)1，高亞輝3，喬莎莎1

(1.浙江古纖道新材料股份有限公司,浙江 紹興 312071; 2.浙江理工大學, 浙江 杭州 310018; 3.浙江古纖道綠色纖維有限公司,浙江 紹興 312071)

通過高倍拉伸、低溫緊張熱定型的工藝路線制備了高強低伸型滌綸工業(yè)絲，研究了其力學性能。結果表明：選擇紡絲溫度295 ℃，噴絲頭拉伸比54.5，總拉伸倍數(shù)6.14，熱定型溫度180 ℃，卷繞速度2 700 m/min，制備的高強低伸型滌綸工業(yè)絲斷裂強度為8.55 cN/dtex，斷裂伸長率為12.7%，達到了GB/T 16604—2008的超高強滌綸工業(yè)絲優(yōu)等品質(zhì)量要求；高強低伸型滌綸工業(yè)絲蠕變斷裂時間與載荷呈現(xiàn)負相關關系，隨著載荷的增加，蠕變斷裂時間縮短；當載荷為斷裂強度的30%～89%時，斷裂時間和加載頻率呈指數(shù)關系，當加載頻率低至0.01 Hz時，斷裂時間達到385.69 h。

聚對苯二甲酸乙二醇酯纖維 高強低伸型工業(yè)絲 蠕變性能 疲勞特性 力學性能

滌綸工業(yè)絲是一種性能優(yōu)異、性價比高的產(chǎn)業(yè)用纖維，被廣泛應用于繩、纜、帶、索、骨架材料、浸膠線繩等領域。高強低伸型滌綸工業(yè)絲是為特定用途而開發(fā)的品種，與現(xiàn)行標準GB/T 16604—2008滌綸工業(yè)絲中的超高強型滌綸工業(yè)絲(斷裂強度大于等于8.2 cN/dtex,斷裂伸長率13%～15%)相比，具有更高的斷裂強度和更低的斷裂伸長率，其斷裂強度大于等于8.4 cN/dtex，斷裂伸長率為10%～13%，因此賦予了此種纖維更高的初始模量和更好的抗蠕變性能，常常應用于土工格柵、系泊繩索等。

作者制備了高強低伸型滌綸工業(yè)絲，研究了高強低伸型滌綸工業(yè)絲的靜態(tài)力學性能、蠕變性能以及疲勞特性，模擬系纜過程中所受的往復拉伸，為船纜設計提供參考。

1 實驗

1.1 原料

精對苯二甲酸(PTA)：工業(yè)級，寧波逸盛石化有限公司產(chǎn)；乙二醇(EG)：工業(yè)級，揚子巴斯夫石化公司產(chǎn)；乙二醇銻：工業(yè)級，廣西華凱精細化工有限公司產(chǎn)；紡絲油劑：自制。

1.2 儀器

YG086型縷紗測長儀：常州紡織儀器廠有限公司制；Instron3344型強伸儀：美國Instron公司制；LYRL-500N型纖維材料疲勞測試儀：自制。

1.3 高強低伸型滌綸工業(yè)絲的制備

將PTA、EG、乙二醇銻經(jīng)五釜聚合裝置聚合成低黏度(特性黏數(shù)為0.68 dL/g)聚酯熔體后，輸送至液相增黏反應器進行縮聚，得到高黏度(特性黏數(shù)為1.05 dL/g)熔體，經(jīng)計量擠出、紡絲、冷卻、上油、拉伸熱定型后卷繞成形，得到高強低伸型滌綸工業(yè)絲。紡絲拉伸工藝參數(shù)：紡絲頭數(shù)為6，紡絲溫度295 ℃，泵供量370 mL/min，噴絲頭拉伸比為54.5，總拉伸倍數(shù)為6.14，熱定型溫度為180 ℃，總松弛率為3.4%，卷繞速度為2 700 m/min。

1.4 性能測試

強伸性能：按GB/T 14343—2008《化學纖維長絲線密度試驗方法》測試纖維的線密度；按GB/T 16604—2008《滌綸工業(yè)長絲》測試纖維的斷裂強度、斷裂伸長率。

蠕變斷裂性能：使用Instron3344型強伸儀，測試不同載荷下的蠕變斷裂時間(tf)。

動態(tài)力學性能：使用LYRL-500N型纖維材料疲勞測試儀測試不同加載范圍、加載頻率下的斷裂循環(huán)次數(shù)。試樣夾持長度為(300±2)mm,預緊張力(0.044±0.009)cN/dtex，拉伸速度100 mm/min。測試溫度20 ℃，相對濕度60%。

2 結果與討論

2.1 高強低伸型滌綸工業(yè)絲的力學性能

GB/T 16604—2008滌綸工業(yè)長絲標準中規(guī)定超高強滌綸工業(yè)絲優(yōu)等品斷裂強度大于等于8.20 cN/dtex，斷裂伸長率11%～17%。由表1可以看出，高強低伸型滌綸工業(yè)絲的斷裂強度為8.55 cN/dtex，斷裂伸長率為12.7%，說明采用高倍拉伸、低溫緊張熱定型、總松弛過程僅在熱輥和卷繞頭之間的工藝切實可行，制備的高強低伸型滌綸工業(yè)絲達到了GB/T 16604—2008優(yōu)等品的質(zhì)量要求。

表1 高強低伸型滌綸工業(yè)絲的力學性能Tab.1 Mechanical properties of high-strength low-elongation polyester industrial yarn

2.2 強伸性能

滌綸工業(yè)絲經(jīng)高倍拉伸、熱定型后，分子結構中形成了晶區(qū)和非晶區(qū)[1]。高強低伸型滌綸工業(yè)絲在拉伸過程中的行為表現(xiàn)與其結構在拉伸過程中所發(fā)生的變化相關[2]。聚酯纖維拉伸過程中的形變可分為3種[3-4]：(1)急彈性形變，來自纖維大分子中鍵角、鍵長的變化，瞬時發(fā)生，瞬時恢復；(2)緩彈性形變，來自外力作用下纖維大分子構象的變化以及基于這一變化的大分子重排；(3)塑性形變，來自外力作用下纖維大分子鏈之間不可逆的相對滑移。

由圖1可以看出：自O′至O為纖維的伸直張緊過程；自O至M，曲線基本為直線段，表示纖維發(fā)生的是導致強力與伸長間呈直線相關的胡克形變，纖維中主要發(fā)生了分子內(nèi)或分子間鍵角鍵長的變形，主要為急彈性形變；自M至Q為強力與伸長關系進入非直線相關階段，表明纖維中非晶區(qū)內(nèi)大分子鏈開始發(fā)生構象的變化，鏈與鏈之間的關系改變，主要為緩彈性形變；自Q至S，Q點稱為屈服點，自Q點開始，原存在于分子內(nèi)或分子間的氫鍵等次價力聯(lián)系開始破壞，首先非晶區(qū)中大分子發(fā)生錯位滑移，所以，這一階段伸長增長快于強力；自S至A，隨拉伸的進行，錯位滑移的分子基本伸直平行，并可能在伸直的分子鏈間創(chuàng)造形成新次價力的機會，同時，纖維的結晶區(qū)也開始被破壞，拉斷結晶區(qū)與非晶區(qū)中分子間的聯(lián)系，需要較大外力，所以這一階段強力上升很快，到A點，纖維斷裂。PET纖維在拉伸過程的每個階段，3種形變同時發(fā)生，但其相對比例依具體條件不同而變化[5]。

圖1 高強低伸型滌綸工業(yè)絲的強伸曲線Fig.1 Strength-elongation curve of high-strength low-elongation polyester industrial yarn

2.3 蠕變斷裂性能

蠕變是指在一定的溫度和較小的外力作用下，材料的形變隨時間的增加而逐漸增大的現(xiàn)象。纖維的形變主要來自于兩方面：一是來自分子或分子鏈本身的伸長；二是分子鏈的伸直及其取向的改善以及大分子在結晶區(qū)中的被抽拔。這些變化都會伴生分子鏈間的相對滑移，但這種滑移現(xiàn)象并非瞬時就能完成，因為有黏流的性質(zhì)，滑移實際上在外力作用的整個時間內(nèi)都在進行，外力作用的時間越長，相對滑移的程度就越大，纖維的蠕變越充分[6-7]。由表2可以看出，隨著載荷增加，高強低伸型滌綸工業(yè)絲的tf變短。

表2 不同載荷下高強低伸型滌綸工業(yè)絲的tfTab.2 tf of high-strength low-elongation polyester industrial yarn under different load

圖2擬合曲線的斜率反應了纖維tf隨加載載荷的變化關系，其擬合的曲線方程為：

y=-18.47x+ 17.12

(1)

曲線越陡峭，則表明纖維的抗沖擊性能越差。這可能與纖維中結晶度較低導致的塑性形變區(qū)間小有關。

圖2 纖維試樣的tf與載荷的關系曲線Fig.2 Plot of tf versus load for fiber sample

2.4 周期載荷斷裂性能

疲勞的受力形式就是不斷“加負荷”和不斷“去負荷”，即不斷接受高變應力(應變)的作用。表征纖維疲勞特性的指標是耐久度或堅牢度，即指纖維能承受“加負荷、去負荷”反復循環(huán)的次數(shù)。由表3可知，在相同載荷范圍下，加載頻率提高為原來的10倍，斷裂時間約增加50%；相同加載頻率下，載荷上限不變時，隨載荷范圍增大，斷裂時間明顯增加。

表3 不同載荷和不同頻率下纖維試樣的斷裂時間Tab.3 Fracture time of fiber samples under different load and frequency

這一現(xiàn)象的產(chǎn)生和纖維可以利用回縮的停頓使被破壞的分子間結合得到修補有關。由于反復施力是在低于斷裂應力的水平下進行，同時每一次受力循環(huán)中都有回收和停頓等待緩彈性形變釋放的過程。急彈性形變可以瞬間恢復，而緩彈性形變的回復需要時間，塑性形變不可恢復。所以，如果連續(xù)反復拉伸，急彈性形變、緩彈性形變部分逐漸減少，塑性形變逐漸累積。當纖維中不可恢復的形變逐漸累積到結構全部被破壞時，纖維即斷裂。當加載頻率越快或加載區(qū)間越窄時，留給緩彈性形變恢復的時間越短，纖維緩彈性形變來不及恢復時又進入下一個拉伸循環(huán)，逐漸轉變?yōu)樗苄孕巫?，最終導致纖維斷裂[8-10]。

從圖3中的關系曲線可知，經(jīng)過擬合，斷裂時間和加載頻率之間呈指數(shù)關系，見式(2)：

y=0.084x-1.9

(2)

纖維的堅牢度與纖維的彈性回復率、屈服應力和斷裂強度有一定關系[11-12]。彈性回復率、屈服應力及斷裂強度大且剩余形變小的纖維，堅牢度也大。當載荷小于一定值時，理論上甚至可以不出現(xiàn)疲勞損壞。圖3表明，當加載頻率低至0.01 Hz時，纖維斷裂時間達到385.69 h。

圖3 纖維試樣的斷裂時間和加載頻率的關系曲線Fig.3 Plot of fracture time and load frequency for fiber samples載荷為斷裂強度的30%～89%。

3 結論

a. 通過高倍率拉伸、低溫緊張熱定型的工藝路線制備了高強低伸型滌綸工業(yè)絲，斷裂強度為8.55 cN/dtex，斷裂伸長率12.7%。

b. 高強低伸型滌綸工業(yè)絲tf隨著載荷的增加變短，則表明纖維的抗沖擊性能較差。

c. 在載荷為斷裂強度的30%～89%時，斷裂時間和加載頻率之間呈指數(shù)關系。當加載頻率低至0.01 Hz時，斷裂時間達到385.69 h。

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Preparation and mechanical properties of high-strength low-elongation polyester industrial yarn

Yang Zhichao1, Chen Wenxing2, Wen Guoqi1, Shi Jiaoxue1*,Zhang Xianming2, Zhang Dehui3, Zeng Weiwei1, Gao Yahui3, Qiao Shasha1

(1.Zhejiang Guxiandao Industrial Fibre Co.,Ltd, Shaoxing 312071; 2. Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018; 3. Zhejiang Guxiandao Polyester Dope Dyed Yarn Co.,Ltd, Shaoxing 312071))

A high-strength low-elongation polyester industrial yarn was prepared by high-ratio drawing and low-temperature heat setting under tension. The mechanical properties of the yarn were studied. The results showed that the high-strength low-elongation polyester industrial yarn could be produced with the breaking strength of 8.55 cN/dtex and elongation at break 12.7%, satisfying the top-quality standard requirement of ultrahigh-strength polyester industrial yarn according to GB/T 16604-2008, under the conditions as followed: spinning temperature 295 ℃, spinneret draft ratio 54.5, total draw ratio 6.14, heat setting temperature 180 ℃, winding speed 2 700 m/min; the creep fracture time showed a negative relation with the load of the high-strength low-elongation polyester industrial yarn; the creep fracture time was shortened with the increase of load; the fracture time showed an exponential relation with the load frequency as the load was 30%-89% of the breaking strength; and the fracture time reached 385.69 h when the load frequency was as low as 0.01 Hz.

polyethylene terephthalate fiber; high-strength low-elongation industrial yarn; creep property; fatigue property; mechanical properties

2017- 04-22； 修改稿收到日期：2017- 06-19。

楊志超(1971—)，男，工程師，主要從事聚酯及滌綸工業(yè)絲生產(chǎn)管控、新產(chǎn)品開發(fā)等方面的工作。E-mail：yangzhichao@guxiandao.com。

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFB0303000)。

TQ342+.21

A

1001- 0041(2017)04- 0001- 04

*通訊聯(lián)系人。E-mail：shijiaoxue08@163.com。