PET聚集態(tài)結構對滌綸全拉伸絲物性指標的影響

張祥

摘 要：滌綸全拉伸絲簡稱為FDY，是指利用紡絲拉伸一步法生產(chǎn)的全拉伸絲，本文主要從分子結構角度分析影響FDY物性指標的因素，為提升FDY產(chǎn)品質(zhì)量提供理論基礎。

關鍵詞：FDY;PET;物性指標

1 概論

高分子的聚集態(tài)結構（超分子結構），是指具有一定構象的高分子鏈通過（分子間作用力）范德華力或氫鍵的作用，排列成具有一定規(guī)則的的結構。其結構形態(tài)主要有無規(guī)線團膠團、線團交纏結構，纓狀膠束、折疊鏈晶片，雙重螺旋結構等。

總體上來看，上述結構是一環(huán)扣一環(huán)的緊密相關的有機整體，人們所見的聚合物產(chǎn)品（包括PET）先是由原子經(jīng)過化學反應構成小分子，這些小分子又經(jīng)過一定的反應方式（加聚、縮聚等）通過共價鍵連接成具有一定的空間的構型的大分子鏈。這些大分子鏈又由于單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)而構成高分子構象。具有一定構象的大分子鏈通過次價鍵或氫鍵的作用，聚集成具有一定規(guī)則的高分子聚集體，又把這種聚集體稱之為高分子的聚集態(tài)結構。

高分子的聚集態(tài)結構包括高分子的晶態(tài)結構，非晶態(tài)結構，取向態(tài)結構，液晶態(tài)結構以及織態(tài)結構。

本文主要介紹PET（聚對苯二甲酸已二醇酯）分子鏈的聚集態(tài)結構，以及對其制品滌綸全拉伸絲（FDY）的物性指標的影響。

2 PET聚集態(tài)結構的簡單介紹

2.1 取向態(tài)結構

當高分子鏈受到外力作用拉伸時，高分子鏈會沿著外力的方向舒展并有序的排列。這種現(xiàn)象就是高分子鏈或鏈段的取向，對應的結構為取向態(tài)結構。在外力消除后，取向排列的大分子又會回到自由卷曲的狀態(tài)，稱之為高分子的解取向。PET是含有苯環(huán)結構的線型大分子，其重復單元中分子沿苯環(huán)對稱排列，沒有大的支鏈，因此分子線型好，易于沿著纖維拉伸方向取向而平行的排列。在此過程中的取向為單軸取向，PET分子鏈只沿一個方向拉伸，長度增加，厚度的寬度變小。在紡絲時，從噴絲孔噴出的絲中，分子鏈有些已經(jīng)取向了，再經(jīng)過拉伸，分子鏈沿纖維軸向的取向度得到進一步提高。

PET在取向以前，高分子的性質(zhì)在分子鏈的各個方向平均相同，稱為各向同性。取向以后，PET的分子鏈的性質(zhì)在縱向和橫向上有都差異，如力學、光學、聲學等的差異。

2.2 晶態(tài)結構

當PET高分子為固態(tài)時，其分子鏈結構呈現(xiàn)出晶態(tài)和非晶態(tài)。PET大分子鏈的晶區(qū)和非晶區(qū)是相互穿插的，二者同時存在。在晶區(qū)中，分子鏈互相平行排列形成規(guī)整的結構。PET的晶區(qū)在通常情況下是無規(guī)取向的，而在非晶區(qū)，分子鏈的排列是完全無序的。

PET分子的基本結構單元中雖然含有苯環(huán)，難以繞單鍵旋轉(zhuǎn)，故該部分較為硬挺。但在基本結構單元中還存在一定數(shù)量的亞甲基，該基團比較容易繞單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)，在該處分子鏈顯得比較柔順，因而滌綸分子在該處就能就能發(fā)生重疊，形成折疊鏈結晶。

3 PET聚集態(tài)結構對滌綸全拉伸絲的物性影響

PET的聚集態(tài)結構的變化（這里主要指晶態(tài)、非晶態(tài)以及取向態(tài)）主要影響了滌綸全拉伸絲（以下簡稱FDY）的物性指標有：斷裂強度、斷裂伸長率、沸水收縮率（BWS）、以及纖維的上染率。

3.1 對FDY斷裂強度和斷裂伸長率的影響

由于FDY的紡絲速度較高（4000-4800m/min），而且又經(jīng)過熱輥的拉伸定型作用，拉伸過程，實際上是纖維的聚集態(tài)結構進行重新組合和建立的過程。經(jīng)過兩個熱輥的拉伸作用，絲條從低取向，基本上無結晶的結構變成取向和結晶均較高的成品絲結構。在未產(chǎn)生解取向的溫度范圍內(nèi)，拉伸效果越好，F(xiàn)DY分子鏈的取向度也越高，直至其拉伸斷裂。隨著一熱輥（GR1）的拉伸溫度的適當提高，F(xiàn)DY的拉伸倍數(shù)也隨之增大，二熱輥（GR2）的溫度為定型加熱處理的溫度，在適宜的定型溫度內(nèi)，可消除PET分子間的內(nèi)應力，產(chǎn)生應力松弛效應，防止已經(jīng)取向的大分子鏈或鏈段改變它的取向狀態(tài)。

大分子取向后的分子有序排列，與取向軸平行方向的拉伸強度大為增強，使分子鏈能夠協(xié)同的抵抗外力破壞作用。因此，纖維的分子取向度越高，其斷裂強度也越高。但其斷裂伸長率卻隨著分子取向度的增加而降低了，這是因為取向度大的分子排列過于規(guī)整，分子間的相互作用力太大，纖維反而顯得彈性小，出現(xiàn)脆性，其斷裂伸長率低。

為了防止PET分子的取向度過大而導致的斷裂伸長率過低，可采用降低拉伸倍數(shù)（DR）的方法來降低PET分子的取向度，使斷裂伸長率增大，斷裂強度變小。還可以采用調(diào)整FDY二熱輥的溫度，使其達到對纖維熱處理的效果，其熱處理的溫度，時間都要適宜。以促使大分子鏈中小的連段解取向，消除內(nèi)部應力，而整個大分子連段不解取向。小鏈段的解取向能夠使纖維具有一定的彈性，而整個鏈段仍保持取向狀態(tài)，使纖維具有高強度。

3.2 對FDY沸水收縮率和染色性能的影響

沸水收縮率（BWS）的定義為：一定長度的長絲放沸水中煮沸一定時間后，其收縮的長度與原來長度的比值稱為沸水收縮率，用百分率%表示。FDY的沸水收縮率的決定性因素是PET分子鏈的取向度，取向使PET的分子鏈二維有序，緊密排列，增強了分子間作用力。纖維在沸水中煮沸的過程可以看做一個熱處理的過程，如果纖維沒有經(jīng)過熱處理，那么取向后的鏈段呈拉直狀態(tài)，有很大的卷曲傾向，纖維在使用或受熱過程中容易卷曲收縮，導致變形。由此可知，當PET分子鏈取向度大時，纖維的沸水收縮率會隨之增大。在FDY

生產(chǎn)工藝中，F(xiàn)DY沸水收縮率主要取決于二熱輥（GR2）溫度。二熱輥溫度為FDY的定型溫度，可以理解為對纖維進行了熱處理定型，二熱輥溫度高，PET分子中非晶區(qū)取向部分會發(fā)生解取向，經(jīng)過解取向的纖維在經(jīng)過沸水的熱處理作用，不會產(chǎn)生很大的形變，所以，纖維的沸水收縮率較低。

FDY的結晶度對沸水收縮率的影響起到至關重要的作用。在纖維熱收縮的過程中，F(xiàn)DY晶區(qū)的變化包含晶粒的增長，新的不完善晶粒的形成和晶區(qū)的完善過程。晶粒的增長在較短的時間內(nèi)基本完成，熔融再結晶則存在于整個收縮過程。晶區(qū)的顯著改善有利于抑制非晶區(qū)解取向。合適的結晶度和晶區(qū)結構能有效抑制非晶區(qū)解取向。FDY的結晶度升高，其沸水收縮率降低。

FDY的染色性能主要決定于纖維內(nèi)單個晶體的體積含量（結晶度）。PET分子的滲透和溶解過程都是低分子物質(zhì)向高分子間浸入擴散的過程。與PET高分子的結晶度有關。結晶后的PET分子晶區(qū)的分子鏈緊密堆砌，按一定的晶格有序排列，這種緊密的結構不能使染料小分子滲入，也不能溶解染料小分子。因此，隨著FDY結晶度的升高，F(xiàn)DY染色性能變差。FDY隨著二熱輥溫度的提高，F(xiàn)DY的結晶度和晶區(qū)的取向增大，晶區(qū)結構更加完整，F(xiàn)DY的染色性能隨二熱輥或熱箱內(nèi)溫度的升高而變差。

FDY的沸水收縮率與染色性能有著密不可分的關系，它們都隨二熱輥溫度的變化而呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律。FDY沸水收縮率增大，其染色性能變好。（具體解釋可參見上訴內(nèi)容）在二熱輥溫度一定的情況下，熱箱門的開關對纖維染色性能也有著重要的影響。

4 結論

①PET分子取向度越大，纖維斷裂強度越大，斷裂伸長率越小;②PET分子結晶度越大，纖維剛性越強，斷裂強度越大，斷裂伸長率越小;③滌綸全拉伸絲的沸水收縮率的主要決定因素是PET高分子鏈的取向與解取向;④PET分子的晶態(tài)結構是決定FDY染色性能的關鍵;⑤熱箱內(nèi)溫度的一致性是使FDY獲得穩(wěn)定適宜的沸水收縮率和染色性能的保證。

參考文獻：

[1]蔡再生.纖維化學與物理[M].北京：中國紡織出版社，2009.

[2]李允成，徐心華.滌綸長絲生產(chǎn)[M].北京：中國紡織出版社，2002.

[3]桂在斌.三葉大有光FDY沸水收縮率影響因素探討[J].2004（03）：03.