噴絲頭拉伸對聚甲醛纖維結(jié)構(gòu)與性能的影響

金 旺，李建華

(1.開灤煤化工研發(fā)中心，河北 唐山 063611; 2.河北省煤基材料與化學(xué)品工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063018)

噴絲頭拉伸對聚甲醛纖維結(jié)構(gòu)與性能的影響

金 旺1,2，李建華1,2

(1.開灤煤化工研發(fā)中心，河北 唐山 063611; 2.河北省煤基材料與化學(xué)品工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063018)

采用自主開發(fā)的聚甲醛(POM)熔融紡絲設(shè)備，在其他紡絲工藝不變的條件下,改變噴絲頭拉伸倍數(shù),制備POM纖維；研究了噴絲頭拉伸倍數(shù)對POM初生纖維的取向度、后拉伸性能以及POM纖維力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：隨著噴絲頭拉伸倍數(shù)的增大，POM初生纖維的取向度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，而初生纖維的直徑呈逐漸減小的趨勢；噴絲頭拉伸倍數(shù)為90時，整體工藝狀況最佳，POM初生纖維的最大拉伸倍數(shù)達(dá)7.1，制備的POM纖維斷裂強度為6.35 cN/dtex，斷裂伸長率為13.5%。

聚甲醛纖維 噴絲頭拉伸 結(jié)構(gòu) 性能

近年來，國內(nèi)外眾多科研院所及企業(yè)對聚甲醛(POM)的紡絲工藝進(jìn)行了大量的研究工作，取得了一定的成果。東華大學(xué)、武漢紡織大學(xué)和四川大學(xué)等課題組各自制備出了一定強度的POM纖維。但是，公開發(fā)表的文獻(xiàn)資料幾乎都集中在分析POM切片的熱性能和POM初生纖維后拉伸性能這些通常的領(lǐng)域，對于直接影響POM初生纖維成纖性能的噴絲頭規(guī)格、熔體固化成形、噴絲頭拉伸等未見相關(guān)報道[1-7]。作者從紡絲工藝源頭出發(fā)，利用自主開發(fā)的POM熔融紡絲設(shè)備，制備出了一系列不同噴絲頭拉伸倍數(shù)的POM初生纖維，研究了噴絲頭拉伸倍數(shù)與POM初生纖維及POM纖維結(jié)構(gòu)及性能之間的關(guān)系，為POM纖維的紡絲工藝優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 實驗

1.1 原料

POM切片：內(nèi)部牌號K1s，紡絲級，自制；抗氧劑245、抗氧劑168：純度大于90%，瑞士汽巴公司產(chǎn)；結(jié)晶調(diào)整劑：自制。

1.2 儀器及設(shè)備

熔融紡絲機：自制；ZK-1S真空干燥箱：天津中環(huán)實驗電爐公司制；SHR-10A高速混合機：張家港華明公司制；SCY-IV聲速取向儀：上海東華凱利公司制；YG086纖維測長儀：南通宏達(dá)機電廠制；YG023B纖維強力儀：常州華紡公司制；D2型X射線衍射儀：德國布魯克公司制；Axiolab A1金相顯微鏡：卡爾·蔡司公司制；CPA324s分析天平：賽多利斯公司制。

1.3 POM纖維的制備

將干燥后的POM、抗氧劑245、抗氧劑168和結(jié)晶調(diào)整劑按照一定配比通過高速混合機混合均勻，通過真空加料的方式加入到紡絲擠出機的主加料斗中。熔融紡絲機預(yù)熱3 h后，加入目標(biāo)物料徹底清洗并用氮氣保護(hù)，備用。固定POM熔體溫度為215 ℃、噴絲板孔數(shù)72、側(cè)吹風(fēng)相對濕度72%、側(cè)吹風(fēng)溫度23 ℃；分別按照噴絲頭拉伸倍數(shù)為30，60，90，120，150，180來設(shè)定導(dǎo)絲輥(DR1)的轉(zhuǎn)動速率，得到不同噴絲頭拉伸倍數(shù)的POM初生纖維，然后將初生纖維經(jīng)過拉伸輥GR2，GR3，GR4和GR5進(jìn)行后拉伸和熱定型，即可得到目標(biāo)試樣POM纖維。

1.4 分析與測試

聲速取向因子(fs)：采用SCY-IV型聲速取向儀測定。取1 m長纖維，將其一端固定在載荷50 g的砝碼上，另外一端固定在標(biāo)尺上，通過聲速測量頭分別測量20 cm及40 cm間距的聲速值，取5次測量的平均值作為最終測試結(jié)果。利用公式(1)計算fs：

(1)

式中：Cu表示纖維在無規(guī)取向時的聲速值，C表示纖維試樣實際測出的聲速值。

X射線衍線(XRD)分析：取一定量的POM纖維，均勻的平鋪纏繞在試樣架上，然后置于X射線衍射儀的試樣室進(jìn)行測試。測試條件為：采用Cu/Kα射線(波長為0.154 nm)，電壓為40 kV、電流為40 mA，在2θ為5°～90°進(jìn)行掃描，讀取數(shù)據(jù)，掃描速度為5(°)/min。

表觀形貌：采用Axiolab A1金相顯微鏡對纖維粗細(xì)進(jìn)行觀測。取一定量的纖維，將其分散在載玻片上，然后置于金相顯微鏡的載物臺，選取適當(dāng)?shù)姆糯蟊稊?shù)觀測纖維的表觀形貌并拍照。

力學(xué)性能：采用YG023B纖維強力儀測試POM纖維的斷裂強度和斷裂伸長率。纖維夾持距離25 cm，拉伸速率50 mm/min。測試試樣為5個，取其平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 POM初生纖維的fs及表觀形貌

從圖1可以看出：隨著噴絲頭拉伸倍數(shù)的提高，POM初生纖維的fs呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢；噴絲頭拉伸倍數(shù)在30～120時，初生纖維的fs均較高，噴絲頭拉伸倍數(shù)為60時初生纖維fs達(dá)到最大值；噴絲頭拉伸倍數(shù)為120～150時，初生纖維fs急劇下降，噴絲頭拉伸倍數(shù)為150～180時，fs的降低趨于緩和，達(dá)到最小值。

這與理論上隨著噴絲頭拉伸倍數(shù)的增大，初生纖維fs隨之增大的現(xiàn)象有所不同[8]。這是因為POM屬高結(jié)晶聚合物，且結(jié)晶速度快，當(dāng)熔融狀態(tài)的POM熔體以一定的速率從噴絲板的細(xì)孔中噴出，遇到外界冷卻氣流后，熔體溫度迅速降低至熔點以下，POM熔體的黏度快速增大并固化成形，在此過程中，若對其施加軸向上的作用力，則熔體細(xì)流就會沿著噴絲頭拉伸方向發(fā)生晶體誘導(dǎo)排列，從而產(chǎn)生取向。但是，若噴絲頭拉伸倍數(shù)過大，熔體細(xì)流自噴絲板噴出后，直徑急劇變細(xì)，再加上與外界的較大溫差作用，紡絲凝固點上移，熔體細(xì)流迅速固化成型，使得分子鏈運動被快速凍結(jié)，來不及沿著作用力方向發(fā)生較大的取向，從而造成噴絲頭拉伸倍數(shù)提高，初生纖維的fs卻下降的現(xiàn)象。

從圖2可看出，隨著噴絲頭拉伸倍數(shù)的提高，POM初生纖維的直徑呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，這是因為噴絲頭拉伸倍數(shù)提高，自噴絲板噴出后熔體在未接觸到冷卻側(cè)吹風(fēng)之前，仍然具有較好的流變性，熔體細(xì)流受到拉伸的作用發(fā)生形變而細(xì)化，從而造成最終纖維的直徑變小。

圖2 不同噴絲頭拉伸倍數(shù)下POM初生纖維的表觀形貌Fig.2 Surface morphology of as-spun POM fiber at different spinneret draft ratio

2.2 POM初生纖維的XRD分析

從圖3可以看出：對POM初生纖維在2θ為23°附近的衍射峰進(jìn)行單獨處理，隨著噴絲頭拉伸倍數(shù)的增加，所對應(yīng)的衍射特征峰強度先上升后降低；噴絲頭拉伸倍數(shù)為30～60時，POM初生纖維的特征峰強度較高，噴絲頭拉伸倍數(shù)為60時達(dá)到最大值；噴絲頭拉伸倍數(shù)為90～150時，特征峰強度趨于降低，噴絲頭拉伸倍數(shù)為180時達(dá)到最小值，整體的變化趨勢與圖1中不同噴絲頭拉伸倍數(shù)下初生纖維fs的變化基本一致。這是因為高溫熔融態(tài)的熔體細(xì)流從噴絲板噴出后，與外界環(huán)境進(jìn)行熱量交換，迅速地冷卻固化并產(chǎn)生結(jié)晶作用，從而使2θ為23°附近的衍射峰強度增加，特別是噴絲頭拉伸倍數(shù)在60時，在取向誘導(dǎo)結(jié)晶的作用下，衍射峰強度達(dá)到最高[9]。但是，當(dāng)噴絲頭拉伸倍數(shù)超過60后，初生纖維的直徑下降較為顯著，紡絲凝固點明顯上移，熔體細(xì)流的冷卻固化時間縮短，噴絲頭拉伸倍數(shù)的取向作用不再產(chǎn)生顯著的影響，從而使2θ為23°附近的衍射峰強度呈現(xiàn)出下降的趨勢。

圖3 不同噴絲頭拉伸倍數(shù)下POM初生纖維的XRD圖譜Fig.3 XRD images of as-spun POM fiber at different spinneret draft ratio1—噴絲頭拉伸倍數(shù)30；2—噴絲頭拉伸倍數(shù)60；3—噴絲頭拉伸倍數(shù)90；4—噴絲頭拉伸倍數(shù)120；5—噴絲頭拉伸倍數(shù)150；6—噴絲頭拉伸倍數(shù)180

2.3 POM初生纖維的后拉伸性能

熔體細(xì)流通過噴絲頭拉伸后，形成的初生纖維具有較高的斷裂伸長率，且初生纖維的拉伸強度較低，必須經(jīng)過充分的后續(xù)拉伸才能達(dá)到使用要求。從表1可以看出，當(dāng)噴絲頭拉伸倍數(shù)為90時，POM初生纖維的最大拉伸倍數(shù)為7.1，得到的POM纖維斷裂強度為6.35 cN/dtex，拉伸張力適中且無明顯毛絲，整體工藝狀況最佳。這是因為：當(dāng)噴絲頭拉伸倍數(shù)小于90時，POM初生纖維的fs較大且纖維直徑較粗，不利于進(jìn)行后拉伸，導(dǎo)致POM纖維斷裂強度不高；當(dāng)噴絲頭拉伸倍數(shù)大于90后，雖然初生纖維的fs和結(jié)晶度都較低，但初生纖維的直徑較小，不能承受后拉伸過程中的拉伸張力，容易發(fā)生拉伸斷裂，從而導(dǎo)致POM纖維的最終強度較小。因此，當(dāng)噴絲頭拉伸倍數(shù)為90時，POM初生纖維的后拉伸性能最佳，經(jīng)后拉伸得到的POM纖維力學(xué)性能最佳，紡絲張力適中且無明顯毛絲。

表1 POM初生纖維最大拉伸倍數(shù)及POM纖維的力學(xué)性能Tab.1 Maximum draft ratio of as-spun POM fiber and mechanical properties of POM fiber

3 結(jié)論

a. 噴絲頭拉伸對POM初生纖維的fs有著顯著的影響，隨著噴絲頭拉伸倍數(shù)的增大，POM初生纖維的fs呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢，纖維的表觀直徑逐漸減小。

b. 噴絲頭拉伸倍數(shù)為90時，POM初生纖維的后拉伸性能最佳，得到的POM纖維力學(xué)性能最佳，纖維斷裂強度達(dá)6.35 cN/dtex，斷裂伸長率為13.5%。

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Effect of spinneret draft on structure and properties of polyoxymethylene fiber

Jin Wang1,2, Li Jianhua1,2

(1.Coal Chemical Research and Development Center of Kailuan Group, Tangshan 063611; 2. Hebei Provincial Engineering Technology Research Center of Coal-based Chemicals and Materials, Tangshan 063018)

A polyoxymethylene (POM) fiber was prepared on a self-developed POM melt spinning plant at different spinneret draft ratio under other fixed spinning conditions. The effect of the spinneret draft ratio on the degree of orientation and after-drawing performance of as-spun POM fiber and mechanical properties of POM fiber was studied. The results showed that the degree of orientation of the as-spun POM fiber exhibited an upward and then downward tendency and the diameter was gradually decreased while increasing the spinneret draft ratio; the spinning situation was optimized, the draft ratio of the as-spun POM fiber was maximized as 7.1, and the produced POM fiber had the breaking strength of 6.35 cN/dtex and the elongation at break of 13.5% as the spinneret draft ratio was 90.

polyoxymethylene fiber; spinneret draft; structure; properties

2017- 04-13； 修改稿收到日期：2017- 05-25。

金旺(1987—)，男，工程師，主要從事高分子材料的研發(fā)與應(yīng)用研究工作。E-mail：ecjw@kailuan.com.cn；ecjw_kl@163.com。

唐山市科技計劃項目(16110213A)。

TQ342+.79

A

1001- 0041(2017)04- 0015- 04