聚醚酯-聚酯共混體短纖維的制造和性能

劉曉東，李瑞霞,，張 康，朱譜新，吳大誠,

(1.成都紡織高等?？茖W(xué)校 纖維材料創(chuàng)新中心，四川 成都 611731；2.四川大學(xué) 輕工科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065)

羊毛纖維具有優(yōu)良的力學(xué)性能，其彈性在天然纖維中居首位，在常見的纖維材料中，羊毛纖維的彈性回復(fù)率僅次于錦綸纖維[1]。錦綸纖維和羊毛纖維的力學(xué)性能可以滿足工業(yè)化生產(chǎn)的要求，但其彈性還不足以滿足許多實用性目的。橡膠絲和氨綸長絲是歷史上使用非常早的彈性纖維材料[2]，具有優(yōu)良的彈性，但其模量和強度很低，而伸長較長，難以符合現(xiàn)有的紡紗設(shè)備和工藝要求。因此需要開發(fā)既具優(yōu)良彈性，又能適應(yīng)現(xiàn)代紡織工業(yè)化生產(chǎn)的纖維。

聚醚酯(PEE)是一種發(fā)展?jié)摿艽蟮膹椥岳w維[3-4],本文先采用同向雙螺桿對PEE和聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)進行共混造粒，再對PEE-PBT共混體進行熔體紡絲，制得了PEE-PBT共混體纖維。本文制得的PEE-PBT共混體纖維比氨綸纖維強度高、斷裂伸長小，預(yù)計可以用常規(guī)棉紡設(shè)備和工藝進行紡紗。

1 實驗部分

1.1 原料及技術(shù)指標(biāo)

聚醚酯(PEE)SW-1切片(成都吉侖公司提供)。切片的特性粘數(shù)[η]為1.3 dL/g，測試溫度為(25±0.01)℃，溶劑為苯酚/四氯乙烷1/1，熔點為214.7 ℃。

PBT切片(中石化江蘇儀征化纖股份有限公司)的特性粘數(shù)[η]為0.98 dL/g。

1.2 造粒、紡絲與干燥設(shè)備

PEE和PBT共混造粒設(shè)備：TSSJ-同向旋轉(zhuǎn)雙螺桿(Φ25)擠出機、PQ-5.0塑料切粒機(中藍(lán)晨光化工研究設(shè)計院有限公司)。干燥設(shè)備：100 L真空轉(zhuǎn)鼓干燥機(常州科宇干燥設(shè)備有限公司)；纖維制造設(shè)備：采用Φ50單螺桿短纖維紡絲機(杭州漢邦化纖有限公司)、長徑比為2的1248孔圓孔紡絲板(鎮(zhèn)江新浪潮精密機械有限公司);后紡設(shè)備：七輥牽伸實驗線、卷曲機(杭州漢邦化纖有限公司)，纖維切斷機(張家港港鷹實業(yè)有限公司)。以上設(shè)備均為成都紡織高等?？茖W(xué)校纖維材料創(chuàng)新中心紡絲平臺的中試設(shè)備或生產(chǎn)設(shè)備。

2 測試儀器與條件

2.1 DSC測試

熱分析采用 DSC 214 Polyma 型差示掃描量熱儀(德國耐馳儀器制造有限公司)進行測試。對待測樣品均先消除熱歷史后再進行測定，全程N2氣氛，測定溫度范圍為-50～300 ℃，升溫速率為10 ℃/min。

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線和彈性回復(fù)率的測試

采用YG065C型電子織物強力儀(山東萊州市電子儀器有限公司)進行力學(xué)性能的測試。

應(yīng)力-應(yīng)變測試條件：纖維絲束的夾持長度為10 cm，拉伸速度為100 mm/min，控制室溫為20 ℃，濕度為65%。

彈性回復(fù)率的測試條件：纖維絲束的夾持長度為10 cm，拉伸速度為30 mm/min，停留時間為10 s。在伸長率為5%、10%、 15%、20%、25%、30%、35%、40%時，測定纖維的彈性回復(fù)率。樣品在測定中控制室溫為20 ℃，相對濕度為65%。

3 結(jié)果與討論

3.1 原料切片及PEE-PBT共混體的DSC

DSC熱分析的測試數(shù)據(jù)是材料的基本表征指標(biāo)之一，可以為加工方法和產(chǎn)品性能的評價提供依據(jù)。PEE(WS-1)切片、PBT切片、PEE-PBT共混體切片的DSC曲線見圖1，從圖中可以看出，PEE(WS-1)切片熔點為214.7 ℃、PBT切片熔點為223.3 ℃，PEE-PBT共混體纖維切片熔點為214 ℃和223.4 ℃、在221.9 ℃處有1個小峰，說明有較長PBT鏈段的聚集[5-6]。PEE(SW-1)是一種嵌段共聚體，硬段含量較高的樣品中出現(xiàn)PBT的熔融峰，可以說明PEE(SW-1)與PBT均聚體之間可能有較好的相容性，適合于共混體加工。

3.2 短纖維制造工藝

根據(jù)PEE(SW-1)切片及PBT切片的特點和測試結(jié)果，選擇常規(guī)的混合造粒工藝和熔體紡絲工藝路線，具體工藝路線如下：

3.2.1 PEE(SW-1)和PBT的混合造粒

PEE(SW-1)切片/PBT切片25/75投入雙螺桿中→切片熔融并擠出樣條(在雙螺桿的前進線上抽真空，真空度為0.08 MPa)→樣條進入水浴冷卻→冷卻線上用空氣氣流將樣條吹干→用塑料切斷機將樣條切斷。

3.2.2 PEE-PBT共混體切片的干燥和紡絲

將PEE-PBT共混體切片投入真空干燥轉(zhuǎn)鼓中進行干燥→將PEE-PBT共混體干燥切片在單螺桿中進行切片熔融→熔體經(jīng)過保溫的紡絲箱→熔體經(jīng)紡絲組件實現(xiàn)紡絲→紡出PEE-PBT共混體纖維并給其上油→收絲→將PEE-PBT共混體纖維進行集束→PEE-PBT共混體纖維經(jīng)過第一水浴→PEE-PBT共混體纖維在第二水浴中進行牽伸→PEE-PBT共混體纖維經(jīng)過蒸汽牽伸箱→經(jīng)過保溫的蒸汽箱→對PEE-PBT共混體纖維進行卷曲—將PEE-PBT共混體纖維進行松弛干燥→按照纖維的設(shè)計長度將PEE-PBT共混體纖維進行切斷。

3.3 紡絲與牽伸的主要工藝條件

實驗表明紡絲與牽伸合理的工藝條件為：PEE-PBT造粒時熔融溫度為245 ℃，?？诔隽蠝囟葹?35 ℃，樣條空氣流溫度為30 ℃；經(jīng)共混造粒的切片在160 ℃、0.092 MPa下干燥9 h,水分控制在40 ppm左右；紡絲時PEE-PBT熔體溫度控制在260 ℃，紡絲箱溫度控制為257 ℃，組件壓力5 MPa；紡絲速度為1 200 m/min。牽伸時水浴溫度控制在63 ℃；蒸汽箱拉伸儀表溫度為102 ℃；設(shè)計卷曲數(shù)為12 個/cm，名義牽伸比設(shè)定為3.05。

3.4 PEE-PBT共混體卷繞絲和拉伸后成品纖維的拉伸性能

錦綸、滌綸和丙綸等纖維的熔紡初生纖維拉伸時均很容易進行“冷拉”，且在纖維進行“冷拉”后出現(xiàn)細(xì)頸，其自然拉伸比約為3倍。這也是認(rèn)定纖維結(jié)晶形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的根據(jù)之一，即這種細(xì)頸的宏觀表現(xiàn)代表了纖維在牽伸工藝中大分子的結(jié)晶和取向發(fā)生了巨大變化。PEE-PBE共混體在熔融紡絲中的卷繞絲絲束和單絲也同樣表現(xiàn)出“冷拉”的特點，可觀察到明顯的冷拉細(xì)頸。按照熔紡纖維拉伸工藝的原理[5-6]，纖維牽伸倍率愈大強度愈高，并且斷裂伸長率就愈小，同時纖維的細(xì)度也就愈小。

圖2 PEE-PBT共混體纖維的卷繞絲和成品絲的拉伸負(fù)荷-拉伸率曲線

PEE-PBT共混體的卷繞絲和成品絲的拉伸負(fù)荷-拉伸率曲線見圖2，可以看出卷繞絲的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，這也是進一步分析和設(shè)計拉伸工藝條件的依據(jù)。所以在保證工藝能夠正常運行的情況下，盡可能采用比較高的牽伸倍率，并將牽伸比的值設(shè)定為3.05。將多次測定數(shù)據(jù)進行平均，得到纖維卷繞絲束的拉伸強度為0.67 cN/dtex,斷裂伸長率為290%。

PEE-PBT共混體經(jīng)過3.05倍的拉伸和卷曲工藝后，得到了成品纖維典型的拉伸負(fù)荷-拉伸率曲線。多次測定數(shù)據(jù)取平均值，得到PEE-PBT共混體纖維在拉伸工藝完成后，成品纖維束的位伸強度為2.84 cN/dtex,斷裂伸長率為63%。

PEE嵌段共聚體結(jié)構(gòu)中的軟段成分、材料形變中分子鏈構(gòu)象的可逆轉(zhuǎn)變使得PEE-PBT共混體纖維有著與PEE纖維[7-10]相似的優(yōu)良彈性回復(fù)率。

PEE-PBT共混體纖維與其他幾種纖維在不同伸長率下的彈性回復(fù)率見表1?？梢钥闯觯琍EE-PBT共混體纖維的彈性回復(fù)性能均好于錦綸、羊毛、PTT等彈性優(yōu)良的纖維。

表1 PEE-PBT共混體纖維與其他幾種纖維在不同伸長率下的彈性回復(fù)率 %

注：PEE*為本課題組實驗樣品，實驗溫度為20 ℃，相對濕度為65%。

圖3 各種纖維應(yīng)力-應(yīng)變曲線趨勢示意圖

應(yīng)力-應(yīng)變曲線是纖維材料基本力學(xué)性能的重要表征曲線。6大類纖維應(yīng)力-應(yīng)變曲線趨勢示意圖見圖3。氨綸與其他普通紡織纖維相比，存在巨大差距，其斷裂伸長率太大，而斷裂強度及拉伸模量又太低，因此用傳統(tǒng)紡紗工藝[11](如環(huán)錠紡紗)對于其短纖維進行加工是十分困難的。本文中的PEE-PBT共混體纖維，與羊毛纖維力學(xué)性能十分接近，因此可以用傳統(tǒng)的紡紗設(shè)備對其進行紡紗或共混紡紗，制出新的彈性紗線。

4 結(jié)束語

本文制出的PEE-PBT共混體短纖維的線密度為1.67 dtex，拉伸強度為2.84 cN/dtex,斷裂伸長率為63%；其纖維在15%的拉伸下，彈性回復(fù)率大于95%。PEE-PBT共混體纖維與羊毛纖維應(yīng)力-應(yīng)變曲線的趨勢較為接近，為采用傳統(tǒng)紡紗設(shè)備(如環(huán)錠紡紗機)進行加工創(chuàng)造了條件，值得進一步探索。