加工工藝對(duì)聚酰胺1012纖維摩擦性能的影響

李立鳳，陳美玉,陳 欣,董 俠

(1.西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710048；2.廣東新會(huì)美達(dá)錦綸股份有限公司 產(chǎn)品研發(fā)部，廣東 江門 529100；3.中國科學(xué)院化學(xué)研究所 北京分子科學(xué)國家研究中心 工程塑料院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190)

0 引 言

目前市場上聚酰胺6(PA6)和聚酰胺66(PA66)占尼龍生產(chǎn)總額的90%以上。然而其在實(shí)際應(yīng)用中存在吸水率高，尺寸穩(wěn)定性差，低溫性能較差的缺點(diǎn)[1-3]。為了滿足高端產(chǎn)業(yè)對(duì)特殊性能材料的需求，長碳鏈尼龍應(yīng)運(yùn)而生，聚酰胺1012(PA1012)纖維便是其中一種典型材料[4-6]。相較于其他品種長碳鏈尼龍，PA1012纖維除具備潤滑性、耐磨抗壓和易加工、尺寸穩(wěn)定性好、介電性能優(yōu)異、耐磨損性能好、密度低等通用性能，其突出優(yōu)點(diǎn)是韌性好、延展性好、吸濕率低[7-8]。作為工程塑料主要應(yīng)用于航空航天、建筑、交通、化工設(shè)備等領(lǐng)域[9-10]。然而，有關(guān)PA1012在紡織纖維領(lǐng)域的應(yīng)用研究迄今尚未見報(bào)道[11-13]。

纖維的可紡性能是成紗質(zhì)量和可加工的前提。纖維生產(chǎn)與后加工過程中，纖維與纖維、纖維與設(shè)備之間均存在摩擦作用，由此帶來卷繞、纏輥、紗疵多、滑絲、靜電大等問題[14-16]。研究纖維的摩擦性能，不僅有利于優(yōu)化纖維的紡紗、織造工藝[17-19]，且對(duì)調(diào)節(jié)織物的手感軟硬、光滑、起毛起球等服用性能有一定作用[20-22]，目前還未有對(duì)PA1012纖維摩擦性能的相關(guān)研究。本文對(duì)不同牽伸比以及不同加工方式的PA1012纖維的摩擦性能進(jìn)行測試，結(jié)合掃描電鏡和纖維初始模量分析其摩擦性能,并與PA6纖維進(jìn)行對(duì)比，為PA1012纖維的工藝參數(shù)優(yōu)化及紡絲質(zhì)量控制提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試樣與儀器

1.1.1 樣品制備 以PA1012纖維樹脂(山東廣垠新材料有限公司)為原料，利用中國科學(xué)院化學(xué)研究所的纖維制備技術(shù)[23]，由廣東新會(huì)美達(dá)錦綸股份有限公司加工生產(chǎn)。利用PA1012纖維POY(pre-oriented yarn)長絲制備牽伸比1.3～2.7的PA1012纖維FDY(fully drawed yarn)長絲；利用牽伸比為1.7的FDY長絲通過加彈工藝制備相應(yīng)的DTY(draw textured yarn)長絲。采用相同的加工工藝制備規(guī)格相同的PA1012纖維與PA6纖維FDY長絲。熱板溫度為190 ℃，加工速度為450 m/min，熱箱溫度為180 ℃，摩擦盤表面速度與絲條離開假捻器的速度比(D/Y)為1.68。所有試樣均經(jīng)過洗滌除去表面油劑，烘干后待用。表1為不同加工條件的聚酰胺長絲的生產(chǎn)工藝參數(shù)。加工過程中，螺桿各區(qū)溫度分別為一區(qū)270 ℃，二區(qū)272 ℃，三區(qū)273 ℃，四區(qū)274 ℃，五區(qū)275 ℃；紡絲速度為4 300 m/s;風(fēng)速為0.6 m/s;熱度為160 ℃。

表1 不同加工條件聚酰胺長絲工藝參數(shù)

1.1.2 儀器 Y151型纖維摩擦系數(shù)儀(常州第二紡織機(jī)械有限公司)，JN-B型精密扭力天平(常州第二紡織機(jī)械有限公司)，Instron5565萬能材料試驗(yàn)機(jī)(美國英斯特朗公司)，JCM-5000 Neoscope 臺(tái)式掃描電鏡(日本電子株式會(huì)社)。

1.2 性能測試

1.2.1 纖維摩擦性能 抽取試樣放置于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，溫度(20±0.5)℃，濕度65%±2%的條件下平衡4 h以上。采用絞盤法[24-26](見圖1)進(jìn)行測試。

圖1 絞盤法原理圖

將纖維以一定角度θ包圍在絞盤上，纖維與扭力天平相連端的張力記為T0，與金屬夾相連端的預(yù)加張力記為T1。根據(jù)歐拉公式，計(jì)算纖維的摩擦系數(shù)μ:

(1)

(2)

式中：T0為連接傳感器一端的重力，mg；T1為預(yù)加張力,mg。

絞盤法測試時(shí)，當(dāng)θ為180°，π取3.14，則式(2)可轉(zhuǎn)換為

μ=0.733[lgT1-lg(T1-T0)]

(3)

將測試輥固定于Y151纖維摩擦系數(shù)儀的主機(jī)軸內(nèi)，抽取一根待測纖維，在纖維兩端掛上T1=200 mg的預(yù)加張力夾，將纖維垂直懸掛于測試輥上，調(diào)節(jié)測試輥的位置，使纖維一端自由下垂，另一端騎跨在測力裝置(扭力天平)的秤鉤上，并保證纖維與測試輥間夾角為180°，保證纖維處于伸直但不伸長狀態(tài)[27]。轉(zhuǎn)動(dòng)扭力天平手柄，使扭力天平平衡指針回復(fù)到零位，讀取扭力天平數(shù)據(jù)，為了盡可能消除測試誤差，每個(gè)樣品測試20次，取平均值。

1.2.2 纖維初始模量 設(shè)置初始夾距500 mm，拉伸速度500 mm/min，將不同牽伸比的PA1012纖維單纖維逐次夾持到儀器夾頭上，測試過程中得到纖維的應(yīng)力應(yīng)變曲線，在此曲線上取拉伸伸長為1%時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變的比值，得到纖維初始模量[28]。

1.2.3 纖維微觀形貌 將不同牽伸比的單根PA1012纖維逐根排列，粘在貼有導(dǎo)電膠帶的掃描電鏡樣品臺(tái)上，進(jìn)行噴金處理后，置于掃描電鏡樣品倉中進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 牽伸比對(duì)PA1012纖維摩擦性能的影響

分別對(duì)不同牽伸比的PA1012纖維在橡膠測試輥和金屬測試輥上進(jìn)行動(dòng)、靜摩擦測試。金屬輥動(dòng)摩擦實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于所有加工條件的PA1012纖維試樣，開啟電動(dòng)機(jī)(電機(jī)固定速度)旋轉(zhuǎn)金屬輥，纖維一端均隨金屬輥轉(zhuǎn)動(dòng)而同向運(yùn)動(dòng)，直至纖維夾越過金屬輥掉落，整個(gè)過程在金屬輥轉(zhuǎn)動(dòng)2～3圈內(nèi)完成，均不能形成穩(wěn)定的摩擦運(yùn)動(dòng)。因此未測得纖維于金屬輥上的動(dòng)摩擦系數(shù)，后續(xù)條件改善可進(jìn)一步探討。

2.1.1 牽伸比對(duì)PA1012纖維橡膠輥摩擦性能的影響 表2為A、B、C、D、E纖維樣品的橡膠輥摩擦力測試結(jié)果。纖維張力夾重量為200 mg。相應(yīng)的動(dòng)、靜摩擦系數(shù)與牽伸比的關(guān)系如圖2所示。

表2 不同牽伸比的PA1012纖維橡膠輥摩擦力

圖2 PA1012纖維橡膠輥摩擦系數(shù)與牽伸比的關(guān)系

影響纖維摩擦性能測試結(jié)果的因素很多。首先，纖維的摩擦性能與其受力時(shí)接觸面積的大小密切相關(guān)[27]。由表1可知，隨牽伸比的增大，纖維細(xì)度總體逐漸減小，即單纖維進(jìn)行摩擦測試時(shí)接觸面積隨牽伸比的增大整體呈下降趨勢。纖維摩擦力測試時(shí)所懸掛的張力夾即正壓力相同時(shí)，纖維接觸面積不同，纖維與橡膠輥的接觸狀態(tài)也會(huì)發(fā)生改變。纖維越細(xì)，其與橡膠輥間的接觸面積越小，相互作用越弱，纖維與橡膠輥間發(fā)生相對(duì)滑移時(shí)所用的力就越小，即隨牽伸比的增大，纖維與橡膠輥間的摩擦力呈下降趨勢。結(jié)合表2，隨牽伸比的增大，PA1012纖維在橡膠輥上的靜摩擦力基本呈逐漸減小的趨勢。進(jìn)而在正壓力相同時(shí)，纖維與橡膠輥間的摩擦系數(shù)隨牽伸比的增大而呈下降的總體趨勢相符。

其次，纖維剛?cè)嵝砸矔?huì)影響纖維的摩擦系數(shù)[28]。為此，測試不同牽伸比的樣品的力學(xué)性能，PA1012纖維初始模量與牽伸比關(guān)系如圖3所示?？梢钥闯觯弘S著纖維牽伸比增大，纖維初始模量逐漸增大，即纖維的剛度逐漸增大。剛度越大纖維的彈性變形越小，導(dǎo)致其與橡膠輥的接觸面積也變小，因此纖維與橡膠輥或金屬輥間的摩擦力減小，摩擦系數(shù)也逐漸減小。

圖3 PA1012纖維初始模量與牽伸比的關(guān)系

此外，纖維摩擦力大小與纖維表面粗糙程度也緊密相關(guān)[27]。A、B、C、D、E纖維掃描電鏡照片如圖4所示，可看出，B、C、D纖維表面光滑，而A纖維表面存在顆粒物，E纖維表面粗糙有顆粒感且有連續(xù)內(nèi)凹疵點(diǎn)，這導(dǎo)致該纖維在橡膠輥上的靜摩擦系數(shù)增大。因此對(duì)應(yīng)圖2中纖維A和E的靜摩擦系數(shù)較大。從工藝角度，A、B、C、D、E纖維是由同樣的POY原絲經(jīng)不同牽伸比加工而成，其表面光滑程度相近，E纖維表面特征也可能是實(shí)際生產(chǎn)過程中空氣清潔度不夠所導(dǎo)致的。

(a)A纖維 (b)B纖維 (c)C纖維 (d)D纖維 (e)E纖維

圖2顯示PA1012纖維與橡膠輥的動(dòng)摩擦系數(shù)整體偏低，其變化趨勢與影響因素大體與靜摩擦系數(shù)一致，不再贅述。從圖2還可看出，不同牽伸比的PA1012纖維在橡膠輥上的靜摩擦系數(shù)大于動(dòng)摩擦系數(shù)，特別是當(dāng)牽伸比為2.7時(shí)，兩者相差最大為0.19。一般動(dòng)、靜摩擦系數(shù)差值越大，纖維越容易出現(xiàn)黏滑現(xiàn)象，在紡紗各道工序中越不易控制纖維成型，也易造成織物表面粗糙和手感發(fā)硬。

2.1.2 牽伸比對(duì)PA1012纖維金屬輥摩擦性能的影響 圖5是PA1012纖維金屬輥靜摩擦系數(shù)與牽伸比的關(guān)系。可看出，隨牽伸比的增大，PA1012纖維與金屬輥間的靜摩擦系數(shù)逐漸減小，牽伸比2.1時(shí)達(dá)最小。對(duì)于相同的POY,牽伸比越大，所獲得的FDY纖維不僅細(xì)度越細(xì)，且纖維的初始模量增加，則纖維與接觸面金屬輥間的相互作用越弱，摩擦力越小，進(jìn)而摩擦系數(shù)呈下降趨勢。當(dāng)牽伸比為1.3及2.7時(shí)，摩擦系數(shù)增大，其原因也是由于圖4中觀察看到的纖維表面粗糙、凹坑不平所致。

圖5 PA1012纖維金屬輥靜摩擦系數(shù)與牽伸比的關(guān)系

2.2 加彈工藝對(duì)PA1012纖維摩擦性能的影響

纖維加彈后所制織物手感蓬松厚實(shí)，且為了使纖維具有優(yōu)良的可紡性能，纖維的抱合性能必須符合要求，加彈可提升抱合性能。為分析加彈工藝對(duì)PA1012纖維摩擦性能的影響，測試牽伸比為1.7，加彈前后的PA1012纖維試樣在橡膠輥上的摩擦性能，結(jié)果見表3。

表3 加彈前后PA1012纖維摩擦性能測試結(jié)果

經(jīng)過加彈工藝處理后纖維的物理狀態(tài)發(fā)生了諸多改變，影響纖維摩擦測試結(jié)果的并非單一因素。B纖維與F纖維所受正壓力相等,由表1可知，加彈后的PA1012纖維(F纖維)，纖維細(xì)度減小，與橡膠輥的接觸面積減小，則相互作用就弱，即接觸界面分子之間的結(jié)合能就越弱，纖維與橡膠輥間發(fā)生相對(duì)滑移時(shí)的力就越小，因此理論上加彈后，纖維與橡膠輥間的摩擦力下降。纖維初始模量越大，纖維在微小應(yīng)力下形變?cè)叫?，因而?dǎo)致纖維與橡膠輥間的接觸面減少，使纖維更易克服摩擦阻力進(jìn)行滑移，加彈后的PA1012纖維(F纖維)初始模量小于B纖維，因而導(dǎo)致其摩擦系數(shù)增大。表4為B纖維與F纖維在橡膠輥上的摩擦系數(shù)對(duì)比。

表4 加彈前后PA1012纖維的橡膠輥摩擦系數(shù)

從表4可看出，加彈后纖維的動(dòng)、靜摩擦系數(shù)均增大，這是因?yàn)榧訌椆に嚫淖兞死w維的物理性能，導(dǎo)致影響纖維摩擦性能的因素增多。PA1012纖維加彈工藝對(duì)其表面微觀結(jié)構(gòu)影響最大，經(jīng)過加彈機(jī)的熱壓定型，纖維截面從近圓形變成微扁多邊形形狀，如圖6所示。

(a)B纖維截面 (b)F纖維截面

纖維縱向掃描電鏡圖可看出，加彈后纖維表面有棱狀凸起并向軸心扭轉(zhuǎn)形成卷曲，此時(shí)纖維由圓柱體向棱柱體轉(zhuǎn)變。棱柱體與橡膠輥接觸時(shí)屬線面接觸，較未加彈時(shí)的線線接觸面積增大，因此在纖維摩擦測試中兩者的滑移阻力增大，纖維的摩擦系數(shù)也增大。此外PA1012纖維和橡膠輥進(jìn)行摩擦?xí)r，加彈后的纖維表面由于棱形凸起和卷曲變得更加粗糙，這也導(dǎo)致纖維摩擦系數(shù)上升。綜上分析，加彈后PA1012纖維的摩擦系數(shù)增大。

2.3 不同種類聚酰胺纖維的摩擦性能

按相同的紡絲工藝制備纖維細(xì)度完全一致的PA6纖維與PA1012纖維。測試其摩擦性能與纖維初始模量，結(jié)果見表5。

表5 不同種類聚酰胺纖維摩擦性能測試結(jié)果

PA6纖維與PA1012纖維均屬分子主鏈上含有重復(fù)酰胺基團(tuán)[—NHCO—]的高聚物，圖7為其分子式。PA6纖維與PA102纖維的分子結(jié)構(gòu)不同，在單個(gè)分子重復(fù)單元中，PA6的碳原子數(shù)為6，而PA1012為22個(gè)，這導(dǎo)致PA1012的分子鏈長度遠(yuǎn)大于PA6，宏觀上表現(xiàn)為PA1012纖維較PA6纖維更加柔軟。

圖7 PA6纖維與PA1012纖維分子式

從表5可看出，PA1012纖維的初始模量低于PA6纖維，佐證了對(duì)二者分子結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果。纖維柔韌性的差異導(dǎo)致在摩擦測試中，正壓力相同且纖維細(xì)度一致的條件下，PA1012纖維更易形變，因此其與橡膠輥的接觸面積比PA6纖維大。根據(jù)前文分析，接觸面積增大，使得纖維與橡膠輥間的滑移難度增大，導(dǎo)致摩擦系數(shù)增大，這與表6中PA1012纖維與PA6纖維摩擦系數(shù)測試結(jié)果一致。

表6 PA1012纖維與PA6纖維摩擦系數(shù)

圖8為PA6纖維與PA1012纖維縱向高倍SEM對(duì)照?qǐng)D，放大倍數(shù)均為3 000倍?？煽闯觯琍A1012纖維表面的微小疵點(diǎn)和凸起較PA6纖維多，PA6纖維表面更加光滑。在纖維摩擦實(shí)驗(yàn)中，微小疵點(diǎn)與凸起增加了纖維表面粗糙度，導(dǎo)致纖維與橡膠輥間界面結(jié)合能增大，纖維滑移所需功增大，纖維摩擦系數(shù)增大，這與表6結(jié)果一致。

(a)PA6纖維 (b)PA1012纖維

3 結(jié) 論

1)正壓力相同條件下，隨著牽伸比的增大，纖維摩擦系數(shù)逐漸減??；PA1012纖維初始模量逐漸增大導(dǎo)致纖維剛度增大，PA1012纖維摩擦系數(shù)也逐漸減小。纖維摩擦力大小除與接觸面積相關(guān)，與纖維的表面粗糙程度也緊密相關(guān)。

2)加彈后纖維的初始模量減小，導(dǎo)致纖維的剛度減小，纖維摩擦系數(shù)增大；加彈后纖維外觀發(fā)生較大變化，纖維與摩擦輥的接觸方式由線線接觸轉(zhuǎn)變?yōu)榫€面接觸，導(dǎo)致接觸面積大幅增大，因此加彈后PA1012纖維的摩擦系數(shù)增大。

3)PA1012纖維較PA6纖維更加柔軟，PA1012纖維的初始模量低于PA6纖維,正壓力相同且纖維細(xì)度一致條件下，PA1012纖維比PA6纖維摩擦系數(shù)大。