滌綸POY動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力測(cè)試方法及影響因素

孫燕琳，肖順立，林雪燕，顏志勇

(1.桐昆集團(tuán)股份有限公司，浙江 桐鄉(xiāng) 314513； 2.嘉興學(xué)院，浙江 嘉興 314001)

纖維的動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力[1]平均數(shù)值大小和波動(dòng)變化量能直接反映出纖維長(zhǎng)程范圍內(nèi)微觀結(jié)構(gòu)的均勻性，如纖維內(nèi)部晶區(qū)和非晶區(qū)分布的均勻性、大分子鏈長(zhǎng)程取向的均勻性等物理性能[2-3]。將滌綸預(yù)取向絲(POY)加熱到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)以上，測(cè)試其動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力，能模擬POY拉伸等過程，還能判斷其結(jié)構(gòu)性能[1, 4]，如力學(xué)性能、沸水收縮率、染色均勻性等。但測(cè)試過程的參數(shù)選擇也可能造成測(cè)試結(jié)果誤差，因此，已經(jīng)制訂了FZ/T 50051—2020《滌綸預(yù)取向絲動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試條件，為了擴(kuò)大我國(guó)纖維產(chǎn)業(yè)在國(guó)際上的影響力，該標(biāo)準(zhǔn)正在努力上升為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。為此，作者探討預(yù)張力、熱箱內(nèi)溫度、拉伸比和收絲速度等對(duì)滌綸POY動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力測(cè)試結(jié)果的影響，以便能更好指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

滌綸POY：其規(guī)格分別為140 dtex/72 f、267 dtex/48 f、368 dtex/288 f，相應(yīng)的單根纖維的線密度(dpf)分別為1.28，1.94，5.56 dtex，自制。

1.2 儀器

YG367型全自動(dòng)長(zhǎng)絲熱應(yīng)力測(cè)試儀：加熱箱長(zhǎng)度78 cm，溫度范圍為室溫～300 ℃，收紗速度10～400 m/min，纖維試樣長(zhǎng)度10 ～999 m，常州八方力士紡織儀器有限公司制。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

采用YG367型全自動(dòng)長(zhǎng)絲熱應(yīng)力測(cè)試儀進(jìn)行滌綸POY的動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力測(cè)試。

滌綸POY的動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力測(cè)試原理及方法為：POY經(jīng)恒張力控制器，纏繞在導(dǎo)絲羅拉上，引入到熱箱中，穿越熱箱后經(jīng)動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力測(cè)量輪，牽引到牽伸輪上，經(jīng)吸絲器收集。恒張力控制器上有彈簧碟片，可以控制導(dǎo)絲羅拉上纖維張力大小，這個(gè)張力稱為預(yù)張力。導(dǎo)絲羅拉和牽伸輪的速度之比，稱為拉伸比。本實(shí)驗(yàn)儀器的導(dǎo)絲羅拉和牽伸輪共用同一臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸和變頻器，因此，導(dǎo)絲羅拉和牽伸輪的角速度一樣，拉伸比即為牽伸輪直徑與導(dǎo)絲羅拉直徑之比。收紗速度，即為牽伸輪的線速度。滌綸POY經(jīng)加熱、拉伸后的應(yīng)力變化，通過測(cè)量輪上的傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，計(jì)算機(jī)采集處理，直接繪制出應(yīng)力波動(dòng)曲線，并計(jì)算應(yīng)力的平均值、最大值、最小值、均方差和變異系數(shù)(CV)等。

2 結(jié)果與討論

2.1 預(yù)張力的影響

滌綸POY動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力測(cè)試過程中，會(huì)發(fā)生纖維通過導(dǎo)絲羅拉導(dǎo)入熱箱，纖維在熱箱持續(xù)運(yùn)行的穩(wěn)定性關(guān)系到拉伸過程中微觀結(jié)構(gòu)的變化。為了使纖維在導(dǎo)絲羅拉上纖維張力及運(yùn)行速度穩(wěn)定，在導(dǎo)絲羅拉的前面，安裝了恒張力控制器，將纖維引入到加熱箱里穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)滌綸POY特性、已有文獻(xiàn)[5]和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，施加單位線密度預(yù)張力分別為0.03，0.04，0.05，0.06，0.07 cN/dtex，測(cè)試滌綸POY動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)條件如表1所示。

表1 不同預(yù)張力的實(shí)驗(yàn)條件

按照表1實(shí)驗(yàn)條件，測(cè)試滌綸POY動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力時(shí)將熱應(yīng)力儀器上的讀數(shù)列于表2中。從表2可以看出：整束滌綸POY的纖維線密度越大，則整束纖維的動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力測(cè)試值也越大。這是由于滌綸POY單根纖維數(shù)量越多、線密度越大，纖維內(nèi)聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)大分子鏈數(shù)目越多，從而其動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力越大。由表2還可以看出：3種規(guī)格的滌綸POY的dpf不同，當(dāng)施加預(yù)張力從0.03 cN/dtex增加到0.07 cN/dtex時(shí)，每種纖維的單位線密度動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力測(cè)試值沒有明顯變化，表明這個(gè)范圍內(nèi)的預(yù)張力變化對(duì)動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力的測(cè)試值沒有明顯影響。另外，從表2還可以看出：預(yù)張力大小對(duì)滌綸POY熱應(yīng)力CV值有顯著影響，對(duì)于每一種規(guī)格的纖維，預(yù)張力從0.03 cN/dtex增加到0.07 cN/dtex，各動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力CV值先減少后增加。如對(duì)于368 dtex/288 f(dpf 1.28 dtex)的滌綸POY，當(dāng)預(yù)張力為0.05 cN/dtex時(shí)，其動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力CV值只有0.19%;而預(yù)張力為0.07 cN/dtex時(shí)，其動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力CV值為0.53%。這表明預(yù)張力太小或太大，都會(huì)引起纖維與輪子表面的摩擦力較大波動(dòng)，從而導(dǎo)致動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力讀數(shù)變化較大。

表2 單位線密度動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力及其CV值與預(yù)張力的關(guān)系

2.2 熱箱內(nèi)溫度的影響

測(cè)試滌綸POY動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力時(shí)，滌綸POY在熱箱內(nèi)受熱同時(shí)被拉伸，根據(jù)滌綸拉伸原理，PET大分子鏈的狀態(tài)與所處溫度環(huán)境有關(guān)。當(dāng)PET大分子鏈溫度高于其Tg，PET大分子鏈段開始運(yùn)動(dòng)，大分子鏈由卷曲狀態(tài)伸直。因此，熱箱內(nèi)溫度高于PET分子的Tg，即超過80 ℃后PET大分子鏈段在拉伸應(yīng)力作用下逐漸伸直[6]，纖維長(zhǎng)度增加，纖維直徑變小。

滌綸POY從室溫進(jìn)入熱箱，受到熱箱熱輻射，纖維溫度逐漸升高，達(dá)到Tg，大分子鏈段開始運(yùn)動(dòng)，在軸向拉伸應(yīng)力作用下伸直分子鏈的數(shù)量越多，分子鏈段取向度越高，局部區(qū)域內(nèi)分子鏈由一維有序形發(fā)展成三維有序的結(jié)晶態(tài)結(jié)構(gòu)，結(jié)晶過程中放出熱量，纖維溫度產(chǎn)生一個(gè)極大值[6]。

為了模擬滌綸POY實(shí)際拉伸效果，采用與實(shí)際生產(chǎn)相近的拉伸比1.65，考察拉伸溫度與動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力的關(guān)系，結(jié)果如表3所示。

表3 單位線密度動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力測(cè)試值與拉伸溫度的關(guān)系

從表3可以看出：對(duì)于每一種不同線密度纖維，熱箱溫度在165 ℃以上變化時(shí)，其纖維的動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力測(cè)試值并沒有明顯增加或減少，都基本保持不變。這是由于熱箱內(nèi)溫度高于165 ℃時(shí)，纖維進(jìn)入熱箱內(nèi)，較短時(shí)間內(nèi)纖維的溫度高于Tg溫度，PET大分子鏈段開始運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入高彈態(tài)，產(chǎn)生高彈形變，高彈態(tài)的松馳時(shí)間與分子鏈段的黏度和高彈模量有關(guān)[7]；當(dāng)熱箱溫度高于Tg80 ℃時(shí)，纖維的拉伸黏度變小，分子鏈段自由體積變大，分子鏈段之間的內(nèi)摩擦阻力變小，分子鏈段高彈態(tài)松馳時(shí)間變小，能及時(shí)響應(yīng)外界張力的形變而不產(chǎn)生滯后，在拉伸張力作用下，分子鏈段之間沒有參與內(nèi)應(yīng)力，因而表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力并沒有隨溫度升高而變化。從表3還可以看出：dpf越小，單位線密度動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力越大，說明在加熱箱內(nèi)，纖維受熱速率與dpf有關(guān)。如368 dtex/288 f(dpf為1.28 dtex)、140 dtex/72 f(dpf為1.94 dtex)、267 dtex/48 f(dpf為5.56 dtex)規(guī)格的纖維的單位線密度動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力分別為0.42，0.40，0.34 cN/dtex。另外，隨著拉伸溫度的升高，纖維熱應(yīng)力CV值整體上呈降低的趨勢(shì)。這是由于溫度越高，纖維升溫越快，有利于拉伸穩(wěn)定，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力波動(dòng)小，動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力CV值減小。

2.3 拉伸比的影響

從表4可見：同一規(guī)格的滌綸POY的動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力測(cè)試值都隨著拉伸比的增加而增加。

表4 單位線密度動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力測(cè)試值與拉伸倍數(shù)的關(guān)系

這是由于拉伸比增加，施加在纖維上的形變速率越大，要求分子鏈段響應(yīng)形變速率增加，分子鏈段高彈松馳時(shí)間不變情況下，分子鏈段之間內(nèi)應(yīng)力增加；同時(shí)，拉伸比增加，拉伸張力迫使更多分子鏈段由卷曲狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦由熘钡逆湺危肿渔湺沃g的運(yùn)動(dòng)阻力增加，表現(xiàn)出纖維形變響應(yīng)越滯后，導(dǎo)致分子鏈段之間的內(nèi)應(yīng)力增加，因而宏觀表現(xiàn)為纖維動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力隨拉伸比的增加而增加。由表4還可看出：相同拉伸比的情況下，纖維的dpf越小，單位線密度動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力越大。當(dāng)纖維dpf小于2 dtex時(shí)，纖維的動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力CV值隨拉伸比的增加整體呈降低趨勢(shì)；但纖維dpf高于5.5 dtex時(shí)，纖維的動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力CV值整體上隨拉伸比的增加而呈升高的趨勢(shì)。另外，在拉伸比相同的情況下，隨著拉伸溫度降低，纖維的動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力CV值也隨之降低。

2.4 收紗速度的影響

從表5可以看出：一定收紗速度下，纖維線密度越大，動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力值越大；隨著收紗速度提高，不同規(guī)格纖維動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力值都增加。這是由于收紗速度越大，施加在纖維分子鏈段上的應(yīng)變?cè)娇斓木壒省?/p>

表5 單位線密度熱應(yīng)力測(cè)試值與收紗速度之間關(guān)系

從表5還可以看出：滌綸POY的單位線密度動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力測(cè)試值隨收紗速度的增加而增加，但增加的幅度很小。對(duì)比每種規(guī)格纖維的動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力和單位線密度動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力數(shù)據(jù)，收紗速度從150 m/min增加到250 m/min，單位線密度動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力值增加幅度沒有整束纖維動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力增幅明顯，表明收紗速度小于250 m/min時(shí)，對(duì)單位線密度動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力的影響很小。另外，對(duì)于不同規(guī)格的滌綸POY，當(dāng)收紗速度從50 m/min增加到250 m/min，熱應(yīng)力CV值有降低趨勢(shì)。dpf越大，熱應(yīng)力CV值降低趨勢(shì)越明顯。

3 結(jié)論

a.預(yù)張力在0.03～0.07 cN/dtex時(shí)對(duì)滌綸POY動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力的測(cè)試結(jié)果沒有明顯影響。

b.熱箱內(nèi)溫度在165 ℃以上時(shí)，滌綸POY動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力測(cè)試值隨熱箱內(nèi)溫度增加而變化不明顯。拉伸溫度相同時(shí)， dpf越小，單位線密度的動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力越大。

c.滌綸POY動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力測(cè)試值隨拉伸比增加而增加。拉伸比相同時(shí)，纖維的dpf越小，單位線密度動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力測(cè)試值越大。

d.收紗速度提高，滌綸POY動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力測(cè)試值相應(yīng)增加。收紗速度小于250 m/min時(shí)，收紗速度對(duì)單位線密度動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力測(cè)試值的影響很小。