不同固含量PAN漿液制備的抗起球腈綸的性能研究

徐 靜，劉喬伊，張 磊

(東華大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 高性能纖維及制品教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620)

根據(jù)美國材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)的定義[1]：由一根纖維或更多根纖維在織物表面上纏結(jié)形成的纖維線束或球即為起球。這種起毛起球的現(xiàn)象在針織物和機(jī)織物上都能觀察到，但針織物由于纖維結(jié)構(gòu)更松散，紗線毛羽更多，因此也更易起球。腈綸是典型的針織產(chǎn)品原料，力學(xué)性能好，但易起球，起球后也不易摩擦脫落，使其織物的服用性能下降。通常提高腈綸抗起球性能可采用聚合改性、紡絲工藝調(diào)整和后整理改性等方法實(shí)現(xiàn)[2-7]。其中，聚合改性涉及工藝流程長，對(duì)紡絲影響大，而后整理改性法制備的抗起球腈綸紡制的織物又不耐洗。因此，國內(nèi)腈綸企業(yè)在抗起球纖維工業(yè)化應(yīng)用上基本采用紡絲工藝調(diào)整法，即不改變聚合和原液制備條件，僅改變紡絲成形、拉伸以及熱處理工藝使纖維力學(xué)性能得到一定程度下降[8-11]。但國產(chǎn)纖維的抗起球級(jí)數(shù)通常在3級(jí)至3.5級(jí)，普遍較同類進(jìn)口產(chǎn)品低，性能亟待提高。

作者針對(duì)抗起球腈綸的生產(chǎn)流程，通過調(diào)整紡絲工藝，研究了以硫氰酸鈉(NaSCN)為溶劑的正常固含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)13%)和低固含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)9%)兩種聚丙烯腈(PAN)漿液的流變性能。進(jìn)而分別以固含量為9%，13%的PAN漿液制備線密度分別為0.89，1.67 dtex的常規(guī)纖維及抗起球纖維，對(duì)比研究不同固含量PAN漿液對(duì)抗起球腈綸主要性能的影響，為腈綸抗起球性能提高摸索可行的優(yōu)化途徑。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料及儀器

PAN漿液：中國石化上海石油化工股份有限公司提供。腈綸二步法轉(zhuǎn)向紡生產(chǎn)線：日本川崎重工業(yè)株式會(huì)社制；Physica MCR301高級(jí)旋轉(zhuǎn)流變儀：奧地利安東帕公司制；SU8010型掃描電子顯微鏡(SEM)：日本日立公司制；XQ-1A纖維強(qiáng)伸度儀：上海新纖儀器有限公司制。

1.2 抗起球腈綸的制備

以固含量分別為9%，13%的PAN漿液，采用濕法轉(zhuǎn)向紡絲工藝制備常規(guī)腈綸及抗起球腈綸，其中以固含量為13%的PAN漿液制備的0.89 dtex常規(guī)腈綸標(biāo)記為1#試樣，制備的1.67 dtex常規(guī)腈綸及抗起球腈綸分別標(biāo)記為3#，4#試樣；以固含量為9%的PAN漿液制備的0.89 dtex抗起球腈綸標(biāo)記為2#試樣?？蛊鹎螂婢]和常規(guī)腈綸在聚合、原液制備和紡絲生產(chǎn)流程上基本一致，區(qū)別在于前者在紡絲過程增加了一道二次拉伸工序，以及凝固成形、拉伸倍數(shù)和熱處理等工藝參數(shù)有變化。

圖1 抗起球腈綸生產(chǎn)工藝流程
Fig.1 Flow chart of anti-pilling acrylic fiber production

1.3 測(cè)試與表征

截面形態(tài)：采用SU8010型掃描電子顯微鏡在1 kV加速電壓下觀察纖維截面形態(tài)。

飽和吸水倍率(m)：取適量絕干纖維(m1)，在蒸餾水中浸泡24 h后取出，使其自然滴水1 h并稱重(m2)，按式(1)計(jì)算纖維的m。

m=(m2-m1)/m1×100%

(1)

力學(xué)性能：采用XQ-1A纖維強(qiáng)伸度儀在拉伸速度為10 mm/min，夾持距離為20 mm條件下測(cè)試單絲打結(jié)強(qiáng)度、打結(jié)伸長；參照GB / T 14337—2008《合成短纖維斷裂強(qiáng)力及斷裂伸長試驗(yàn)方法》測(cè)定單根纖維的斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同固含量PAN漿液的流變性能

圖2 固含量為9%的PAN漿液的穩(wěn)態(tài)曲線Fig.2 Steady-state curves of PAN slurry with solid content of 9% ■—40 ℃；●—50 ℃；▲—60 ℃

圖3 固含量為13%的PAN漿液的穩(wěn)態(tài)曲線Fig.3 Steady-state curves of PAN slurry with solid content of 13%■—40 ℃；●—50 ℃；▲—60 ℃

圖4和圖5分別是兩種固含量漿液的動(dòng)態(tài)流變曲線，顯示了兩種固含量漿液的儲(chǔ)能模量(G′)和損耗模量(G″)隨溫度和ω變化情況。

圖4 不同溫度下固含量為9%的PAN漿液的G′和G″ Fig.4 G′ and G″ of PAN slurry with solid content of 9% at different temperaturesG′：△—40 ℃；○—50 ℃；□—60 ℃G″ ：■—40 ℃；●—50 ℃；▲—60 ℃

圖5 不同溫度下固含量為13%的PAN漿液的G′和G″ Fig.5 G′ and G″ of PAN slurry with solid content of 13% at different temperaturesG′：□—40 ℃；○—50 ℃；△—60 ℃G″ ：■—40 ℃；●—50 ℃；▲—60 ℃

從圖4和圖5可以看出，兩種固含量漿液的G′和G″ 都隨著ω的提高而增加，反映出PAN大分子纏結(jié)形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的重建速度高于拆分速度。而從溫度依賴性看，相對(duì)較低溫度下的G′和G″ 更高，表現(xiàn)出PAN漿液在低溫下的黏彈性更強(qiáng)。在低頻區(qū)，G″ 高于G′，高聚物溶液的黏性效應(yīng)大于彈性效應(yīng)，在高頻區(qū)則以彈性為主。此外，固含量為13%的漿液由于聚合物濃度高，大分子纏結(jié)相對(duì)較多，顯示出較強(qiáng)的彈性效應(yīng)。

2.2 纖維的形貌分析

從圖6可以看出，固含量為13%的PAN漿液制備的1.67 dtex常規(guī)腈綸(3#試樣)和抗起球腈綸(4#試樣)的截面致密性基本一致，而固含量為9%的PAN漿液制備的0.89 dtex抗起球腈綸(2#試樣)與同規(guī)格常規(guī)腈綸(1#試樣)相比，截面的微孔增多，微纖結(jié)構(gòu)相對(duì)松散。這也與抗起球纖維內(nèi)部由于高聚物濃度下降，大分子網(wǎng)絡(luò)物理交聯(lián)點(diǎn)減少有關(guān)。這樣的結(jié)構(gòu)不僅影響纖維的吸水率，而且將對(duì)纖維的物理機(jī)械性能產(chǎn)生影響，進(jìn)而利于降低纖維之間的纏結(jié)，利于抗起球性能的改善。

圖6 試樣的截面SEM照片F(xiàn)ig.6 Cross-section SEM images of samples

2.3 纖維的m

從表1可以看出，1.67 dtex腈綸的m均低于0.89 dtex腈綸的m，且抗起球腈綸的m高于同規(guī)格常規(guī)腈綸，其中又以0.89 dtex抗起球腈綸(2#試樣)的m提高幅度最大，約39%，1.67 dtex抗起球腈綸(4#試樣)的m則提高了19%。這主要是由于PAN大分子結(jié)構(gòu)不含有親水基團(tuán)，纖維對(duì)水分的吸附依靠物理吸附作用。纖維線密度越大，直徑越粗，比表面積越小，表面水分吸附就越少，纖維的m就越低。而抗起球腈綸由于制備時(shí)在紡程上的總拉伸倍數(shù)遠(yuǎn)低于常規(guī)腈綸[13-15]，大分子取向程度低，有序區(qū)面積相對(duì)小，水分易于進(jìn)入。并且0.89 dtex抗起球腈綸的制備采用了低固含量PAN漿液，與SEM分析結(jié)果相印證，較1.67 dtex抗起球腈綸具有更為疏松的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，孔隙更多，內(nèi)部比表面積更大，毛細(xì)效應(yīng)使吸水性能更顯著提高。

表1 試樣的mTab.1 m of samples

2.4 纖維的力學(xué)性能

常規(guī)腈綸具有良好的力學(xué)性能，毛羽易纏結(jié)成球，而抗起球腈綸由于弱化了力學(xué)性能，不僅降低了毛羽纏結(jié)幾率，而且即使發(fā)生纏結(jié)也較易通過摩擦而脫落。在纖維性能表征上，通常纖維的打結(jié)強(qiáng)度與打結(jié)伸長的乘積小于30情況下，具有較好的抗起球性能[4,15]。

從表2可以看出，抗起球腈綸的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)明顯低于同規(guī)格常規(guī)腈綸，尤其是打結(jié)強(qiáng)度和打結(jié)伸長差異明顯，抗起球腈綸的結(jié)強(qiáng)結(jié)伸乘積均小于30，為常規(guī)腈綸的30%～40%。相應(yīng)織物經(jīng)馬丁代爾法(500次)測(cè)試，抗起球級(jí)數(shù)達(dá)到4級(jí)。由織物起球機(jī)理[16-17]可知，纖維越細(xì)越柔順，力學(xué)性能越好，抗彎折能力和耐磨能力越強(qiáng)，形成毛茸及纏結(jié)成毛球的幾率越多，毛球也越難經(jīng)摩擦而脫落，因此0.89 dtex細(xì)旦腈綸較1.67 dtex腈綸通常更易起球。

表2 試樣的力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of samples

從表2還可看出，采用低固含量PAN漿液制備的0.89 dtex抗起球腈綸的結(jié)強(qiáng)結(jié)伸乘積低于1.67 dtex抗起球腈綸的，表明其具有與1.67 dtex腈綸同級(jí)別甚至更優(yōu)的抗起球性能。這主要是由于在原有降低總拉伸、弱化熱處理的抗起球生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過降低漿液的固含量，可有效降低脫溶劑化后PAN大分子的物理交聯(lián)點(diǎn)密度，纖維內(nèi)部孔洞數(shù)增加，纖維的物理機(jī)械性能下降，使抗起球性能提高。

3 結(jié)論

a.在相同的溫度下，固含量為9%的PAN漿液的η更低，隨著溫度升高，η下降，且在低溫下的黏彈性更高。

b.固含量為13%的PAN漿液制備的1.67 dtex常規(guī)腈綸和抗起球腈綸的截面致密性基本一致，而固含量為9%的PAN漿液制備的0.89 dtex抗起球腈綸橫截面孔隙較多，內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為松散。

c.相較于固含量為13%的PAN漿液制備的1.67 dtex常規(guī)抗起球腈綸，固含量為9%的PAN漿液制備的0.89 dtex抗起球腈綸的m提高幅度更大，力學(xué)性能更低，抗起球性能提升。