LPET和PET的流變性能及其皮芯復(fù)合紡絲研究

劉 傳 生

(中國(guó)石化儀征化纖有限責(zé)任公司研究院，江蘇 儀征 211900)

低熔點(diǎn)聚酯(LPET)因其熔點(diǎn)低及與常規(guī)聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)良好的黏合性和相容性，常用來(lái)生產(chǎn)皮芯復(fù)合纖維，皮層LPET在較低加熱條件下即可融化，并形成良好的黏結(jié)作用，而芯層的PET部分起到提高強(qiáng)度的作用[1]。但由于皮層LPET的力學(xué)性能較差，導(dǎo)致制備的LPET/PET皮芯復(fù)合纖維的強(qiáng)伸性能在整體上較單一組分的PET纖維要低，而通過(guò)纖維的細(xì)旦化，可有效提高纖維的強(qiáng)伸性能，增加纖維表面積，進(jìn)一步提升黏結(jié)牢度，在減少使用量的情況下，達(dá)到同樣甚至更好的效果，同時(shí)也可節(jié)約成本[2]。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

LPET切片、PET切片：中國(guó)石化儀征化纖有限責(zé)任公司生產(chǎn)。其切片的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)、熔點(diǎn)(Tm)、特性黏數(shù)([η])等基本指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 PET及LPET切片常規(guī)指標(biāo)Tab.1 Conventional index of PET and LPET chips

1.2 設(shè)備與儀器

DZF-6050型真空干燥箱：上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司制；JM-500ZGX型自動(dòng)真空轉(zhuǎn)鼓干燥箱：上海金瑪電光技術(shù)研究所制；JWHQ100型復(fù)合紡絲機(jī)：晉中經(jīng)緯化纖精密制造有限公司制；JWKV518型平牽機(jī)：晉中經(jīng)緯化纖精密制造有限公司制；XPL-2型光學(xué)顯微鏡：南京江南永新光學(xué)有限公司制；Rosand RH-7型毛細(xì)管流變儀：英國(guó)Malven公司制；TG 209 F1 Iris型熱失重儀：德國(guó)耐馳公司制；YG023B型全自動(dòng)單紗強(qiáng)力儀：常州八方力士紡織儀器有限公司制。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 皮芯復(fù)合初生纖維的制備

首先將LPET切片在真空干燥箱中于50 ℃下干燥40 h，常規(guī)PET切片于真空轉(zhuǎn)鼓中按如下工藝進(jìn)行干燥：室溫～90 ℃升溫3 h保溫2 h，90～120 ℃升溫1 h保溫2 h，120～150 ℃升溫1 h保溫9 h。將干燥好的切片投入復(fù)合紡絲機(jī)進(jìn)行熔融紡絲，以LPET為皮層，常規(guī)PET為芯層，制備皮芯復(fù)合初生纖維。其紡絲速度為1 000 m/min，側(cè)吹風(fēng)速度為0.45 m/s，紡絲工藝流程如圖1所示。

1.3.2 細(xì)旦LPET/PET皮芯復(fù)合纖維的制備

將皮芯復(fù)合初生纖維在平牽機(jī)上進(jìn)行后加工制備細(xì)旦LPET/PET皮芯復(fù)合纖維。熱盤(pán)溫度85 ℃，熱板溫度110 ℃，拉伸速度450 m/min，其工藝流程如圖2所示。

1.4 分析與測(cè)試

強(qiáng)伸性能：按照GB/T 14344—2008《化學(xué)纖維長(zhǎng)絲拉伸性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試夾持距離(500±1)mm，拉伸速度 500 mm/min，測(cè)試環(huán)境溫度(20±2)℃，相對(duì)濕度(65±5)%。

熱性能：采用TG 209 F1 Iris型熱失重儀進(jìn)行測(cè)試。將5 mg試樣置于鉑坩堝內(nèi)，在氮?dú)鈿夥障拢郎厮俾蕿?0 ℃/min，溫度為50～650 ℃，記錄試樣質(zhì)量的變化，得到試樣的熱重(TG)曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱性能

從圖3可以看出，LPET及PET的起始分解溫度分別為307.5，336.8 ℃，都能滿足熔體熔融紡絲的加工要求。

圖3 PET及LPET切片的TG曲線Fig.3 TG curves of PET and LPET chips1—PET； 2—LPET

2.2 熔體流變性能

2.2.1 流動(dòng)曲線

▲—288 ℃;■—292 ℃;●—296 ℃;◆—300 ℃

▲—240 ℃;■—250 ℃;●—260 ℃;◆—270 ℃

2.2.2 非牛頓指數(shù)(n)

(1)

式中：K為常數(shù)。

表2 PET及LPET熔體的nTab.2 n of PET and LPET melts

2.2.3 結(jié)構(gòu)黏度指數(shù)(?η)

表3 PET及LPET熔體的?ηTab.3 ?η of PET and LPET melts

2.2.4 黏流活化能(?Eη)

?Eη用來(lái)表征熔體黏度對(duì)溫度的依賴性。分子鏈的柔順性越好，?Eη值越低。溫度與熔體黏度的變化關(guān)系符合Arrhenius方程[7]：

ηa=AeΔEη/RT

(2)

式中：A為常數(shù)，其值為8.314 5 J/( mol·K)。

以lnηa對(duì)1/T作圖，從擬合直線中的斜率得到?Eη，具體數(shù)值見(jiàn)表4。從表4可以看出，PET的?Eη較LPET要小很多，說(shuō)明其熔體黏度對(duì)溫度的依賴性更低，有利于紡絲成形，在紡絲溫度的調(diào)整中更靈活。LPET的?Eη較高，表明該熔體黏度對(duì)溫度的依賴性更高，提高溫度，ηa降低得越多，有助于改善熔體的加工成形。

表4 LPET及PET熔體的?EηTab.4 ?Eη of PET and LPET melts

2.3 噴絲孔出口的計(jì)算

(3)

式中：Q為噴絲孔單孔體積流量；S為異形孔截面積；Dh為噴絲孔當(dāng)量直徑；λ為微孔截面形狀因子。

由文獻(xiàn)[9]可知，芯層噴絲孔的λ(λL)為16，皮層噴絲孔的λ(λh)可由公式(4)計(jì)算獲得[10]：

(4)

式中：k為噴絲孔內(nèi)孔直徑與外孔直徑的比。

由公式(4)計(jì)算得到λh為25.6。

表5 LPET及PET熔體在噴絲孔出口處的Q及Tab.5 Q and of PET and LPET melts at spinneret hole outlet

2.4 紡絲溫度

表6 LPET和PET熔體的復(fù)合紡絲溫度Tab.6 Composite spinning temperature of PET and LPET melts

從表6可以看出，皮層比例越低，兩種熔體的復(fù)配溫度越高，根據(jù)之前兩種熔體n、?η、?Eη的特征，應(yīng)采用相對(duì)更高的溫度。在螺桿擠壓熔融階段，相近的螺桿擠出溫度可以避免兩種熔體因在紡絲箱體中溫度相差較大而造成的紡絲不穩(wěn)定性。PET的Tm高，采用熔融效果更充分的具有五區(qū)加熱功能的A螺桿；LPET的Tm低，易熔融，采用四區(qū)加熱功能的B螺桿，同時(shí)，為避免進(jìn)料口處環(huán)結(jié)堵料，螺桿一區(qū)不加熱。熔體進(jìn)入紡絲箱體后，因溫度差而進(jìn)行的熱交換會(huì)使兩種熔體的溫度發(fā)生改變。為使兩種熔體接近理想溫度并滿足PET熔體的流動(dòng)性，箱體溫度應(yīng)設(shè)在PET熔體的理想溫度之間，優(yōu)化后的紡絲溫度見(jiàn)表7。

表7 優(yōu)化后的螺桿溫度及箱體溫度Tab.7 Optimized screw temperature and box temperature

在表7工藝條件下進(jìn)行復(fù)合紡絲，所制備的皮芯復(fù)合初生纖維在顯微鏡下放大100倍后的截面形態(tài)見(jiàn)圖5。由圖5可見(jiàn)：在皮芯質(zhì)量比為5∶5及4∶6時(shí)，皮層分布均勻，纖維成形完好；皮芯質(zhì)量比為3∶7時(shí)，纖維成形劣化，纖維的皮層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破裂，部分纖維的表面甚至完全沒(méi)有皮層包覆。這是因?yàn)檫^(guò)小的皮芯質(zhì)量比使組件內(nèi)LPET熔體的壓力偏低，導(dǎo)致LPET熔體在噴絲孔處不能均勻的包覆PET熔體所造成的。因此，在制備細(xì)旦皮芯復(fù)合纖維時(shí)，皮層比例不宜過(guò)低。

圖5 不同皮芯質(zhì)量比的LPET/PET復(fù)合纖維截面形態(tài)Fig.5 Cross section morphology of LPET/PET composite fiber with different sheath-core mass ratios

2.5 后加工溫度

在后加工過(guò)程中，熱盤(pán)起變形的作用，其設(shè)定溫度要滿足纖維充分拉伸的要求，通常要高于Tg，因此，熱盤(pán)溫度設(shè)定為85 ℃。熱板起到熱定型的作用，使纖維在高溫下充分取向并結(jié)晶，提高纖維的強(qiáng)度，因LPET的Tm較低，又不能使纖維出現(xiàn)黏結(jié)的情況，故熱板的溫度設(shè)定在110 ℃。

2.6 細(xì)旦LPET/PET皮芯復(fù)合纖維性能指標(biāo)

由表8可見(jiàn)，整體上，隨著皮芯質(zhì)量比的降低，在相同斷裂伸長(zhǎng)率條件下，細(xì)旦LPET/PET皮芯復(fù)合纖維的可拉伸性能和斷裂強(qiáng)度提高。這是因?yàn)槠覮PET相較于芯層PET的力學(xué)性能弱很多，降低皮層比例后，纖維受LPET的影響降低，纖維性能改善，特別是皮芯質(zhì)量比4∶6時(shí)，纖維單絲線密度達(dá)到1.38 dtex，經(jīng)熱處理后，纖維黏結(jié)牢固，且皮芯結(jié)構(gòu)完整(見(jiàn)圖6)，實(shí)現(xiàn)LPET/PET皮芯復(fù)合纖維細(xì)旦化和強(qiáng)度提升的同時(shí)，也滿足后道加工的要求。但皮層比例過(guò)低后，纖維成形變差，纖維的可拉伸性和力學(xué)性能下降嚴(yán)重，不勻率增加，已無(wú)法滿足產(chǎn)品的正常使用。

表8 細(xì)旦LPET/PET皮芯復(fù)合纖維性能指標(biāo)Tab.8 Physical index of fine-denier LPET/PET sheath-core composite fiber

3 結(jié)論

b.皮芯質(zhì)量比為5∶5、4∶6，紡絲溫度分別為290，292 ℃時(shí)，可紡性及纖維成形完好，皮層質(zhì)量比過(guò)低時(shí)，可紡性及纖維性能劣化。

c.皮芯質(zhì)量比為4∶6時(shí)，在110 ℃下進(jìn)行拉伸3.25倍，制得的細(xì)旦LPET/PET皮芯復(fù)合纖維的單絲線密度為1.38 dtex、斷裂強(qiáng)度為3.42 cN/dtex、斷裂伸長(zhǎng)率為22.36%。