再生聚酯長絲制備技術(shù)研究

郝克倩，王學(xué)利，關(guān)留祥，魏 朋，尹云雷

(1.中原工學(xué)院 紡織學(xué)院，河南 鄭州 451191； 2.東華大學(xué) 紡織科技創(chuàng)新中心，上海 201620)

聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)具有良好的熱性能和力學(xué)性能，并且化學(xué)性能比較穩(wěn)定，故被廣泛應(yīng)用于紡織纖維等領(lǐng)域[1]。但是，隨著石化類資源的日趨緊張，我國紡織品行業(yè)即將面臨原材料短缺的巨大挑戰(zhàn)，聚酯廢絲、廢料的回收再利用成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)[2]。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 試樣

實(shí)驗(yàn)采用的再生聚酯是將聚酯廢絲、廢料進(jìn)行解聚生成對苯二甲酸乙二醇酯(BHET)，再將BHET直接進(jìn)行聚合成聚酯進(jìn)行紡絲。采用的干燥溫度為175℃，結(jié)晶溫度為170℃。主要影響纖維品質(zhì)的工藝為熱輥溫度GR1和牽伸倍數(shù)，對這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。若牽伸熱輥溫度太低，會使長絲的內(nèi)部應(yīng)力無法釋放，從而會使大分子的運(yùn)動(dòng)受到一定的制約，導(dǎo)致拉伸不勻率會上升，最終影響到長絲的力學(xué)性能，但是如果紡絲時(shí)熱定型的溫度太高，可能會產(chǎn)生斷頭的現(xiàn)象[3]。實(shí)驗(yàn)中，前熱輥溫度分別選取了108℃、103℃、98℃三種溫度，后熱輥溫度為152℃。此外，一般情況下牽伸倍數(shù)的選擇原則是：數(shù)值需要在自然條件下的牽伸倍率和斷裂情況下的牽伸倍率之間。在此次實(shí)驗(yàn)中選取的牽伸倍數(shù)分別為2.9、3、3.1、3.2倍，見表1。

表1 紡絲工藝參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

再生聚酯切片熱性能測試：(1)TGA測試：測試儀器TGA 4000熱重分析儀；(2)DSC測試：測試儀器DSC 400差示掃描量熱儀。

傅里葉紅外光譜(FTIR)測試：測試儀器Nicolet 6700型紅外光譜儀。

再生聚酯其它指標(biāo)測試：(1)特性粘度：測試儀器IVS300-4烏式粘度自動(dòng)測量儀；(2)端羧基含量：實(shí)驗(yàn)方法：用電子天平稱取樣品0.5 g，然后將其放入苯酚-CHCl3的混合試劑溶液中充分溶解，經(jīng)冷卻一段時(shí)間后用溴酚藍(lán)作指示劑，用標(biāo)準(zhǔn)的KOH-乙醇滴定溶液對其進(jìn)行滴定，最后通過標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液所消耗的體積數(shù)來計(jì)算出樣品中所含的端羧基含量的具體數(shù)值；(3)色值：測試儀器ZB-A Lab值色度測試儀，測試指標(biāo)為色值L值、色值a值、色值b值。

纖維力學(xué)性能測試：測試儀器Instron 5969電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)條件為拉伸速度40 cm/min，夾持距離50 cm，預(yù)張力1.6 cN。

再生聚酯纖維取向度測試：測試儀器SCY-III型聲速取向測量儀。

長絲沸水收縮率測試：測試方法為量取出具有一定長度的長絲，對其施加一定大小(0.089 cN/dex)的預(yù)加張力，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中調(diào)節(jié)濕度48 h，測量長絲處理之前的長度，標(biāo)記為L0；用紗布把試樣包裹好，將其放于恒溫水浴鍋沸水中，時(shí)間為30 min，之后將其取出并除去上面多余的水分，在自然環(huán)境下晾干；再次放入恒溫恒濕環(huán)境中，時(shí)間為2～3 h，再在同樣的預(yù)加張力下測量出此時(shí)長絲的長度，記為L1，按式(1)計(jì)算結(jié)果[4]。

(1)

2 結(jié)果與討論

2.1 再生聚酯切片性能分析

2.1.1熱學(xué)性能分析

TGA測試曲線見圖1，可知原生切片與BHET法再生聚酯切片重曲線區(qū)別不大，基本重疊。兩者起始降解溫度在397℃左右，同時(shí)質(zhì)量損失分別為5%、30%、50%、70%、80%時(shí)，兩者所對應(yīng)的溫度基本一致。原生切片以及再生聚酯切片的最大熱分解速率的溫度均在450℃左右；當(dāng)溫度大于500℃時(shí)，熱失重曲線逐漸趨于平緩的狀態(tài)。說明再生聚酯切片熱降解性能較好。

圖1 TGA質(zhì)量損失曲線

DSC測試曲線見圖2，可知再生聚酯切片和原生切片的熔點(diǎn)沒有大的差距，基本趨于一致，均為247℃左右。

圖2 原生切片與再生聚酯切片DSC分析圖

2.1.2傅里葉紅外光譜分析

紅外光譜測試曲線見圖3，可知再生聚酯和原生聚酯兩者的峰形及其相似，3450 cm-1處代表—OH的吸收峰，2944 cm-1和2870 cm-1處代表—C—H的吸收峰，1704 cm-1代表C=O處的吸收峰，1505 cm-1代表苯環(huán)處的吸收峰，而1270 cm-1處所顯示的吸收峰的位置為C—O基團(tuán)的紅外吸收?？梢姡偕埘]有出現(xiàn)明顯的其他基團(tuán)峰。

圖3 原生切片與再生聚酯切片的紅外光譜

2.1.3再生聚酯基本質(zhì)量指標(biāo)

由表2可知，原生切片和再生聚酯切片的特性粘度對應(yīng)的值分別為0.685 dl/g和0.701 dl/g，差異不大，可以滿足紡絲的要求；原生聚酯和再生聚酯的端羧基含量不同，其值的大小分別為25 mmol/t和12.3 mmol/t；原生聚酯和再生聚酯色值L、a、b差別明顯，所以通過數(shù)值結(jié)果可以得出，原生切片顏色偏白，而再生聚酯切片顏色偏暗、偏黃。

表2 原生切片與再生聚酯切片各質(zhì)量指標(biāo)數(shù)據(jù)

2.2 再生聚酯纖維性能分析

2.2.1纖維力學(xué)性能分析

牽伸倍數(shù)對纖維力學(xué)性能的影響見圖4，可知在牽伸倍數(shù)在2.9～3.2倍的變化范圍內(nèi)，再生聚酯纖維的斷裂強(qiáng)度隨牽伸倍數(shù)的增大而增大，其變化范圍為3.55～3.91 cN/dex，而纖維的斷裂伸長率隨牽伸倍數(shù)的增大會下降，其變化范圍為34.7%～41.4%，可知再生聚酯纖維有良好的力學(xué)性能。由圖5可以看出，隨牽伸倍數(shù)的增大，使?fàn)可毂稊?shù)增加適當(dāng)?shù)牧?，能夠提高纖維的均勻性和伸直度，進(jìn)而提升纖維的質(zhì)量，從而降低纖維斷裂強(qiáng)度CV值和斷裂伸長率CV值，兩者的變化范圍分別2.31%～1.56%和4.3%～1.77%，呈下降趨勢；在牽伸倍數(shù)為2.9～3.1倍范圍內(nèi)，纖維力學(xué)性能不勻率明顯下降，當(dāng)牽伸倍數(shù)大于3.1倍后，其下降速度緩慢，綜合考慮最終選用紡絲牽伸倍數(shù)的為3.1倍。

圖4 牽伸倍數(shù)對纖維斷裂強(qiáng)度(a)和斷裂伸長率(b)的影響

圖5 牽伸倍數(shù)對纖維斷裂強(qiáng)度CV值(a)和斷裂伸長率CV值(b)的影響

熱輥溫度對纖維力學(xué)性能的影響見圖6，可知熱輥溫度R1對纖維的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率的影響不大，但從圖7可以看出，隨著前熱輥溫度R1的升高，纖維斷裂強(qiáng)度CV值和斷裂伸長率CV值都有降低，這是由于，前熱輥溫度升高，在一定牽伸倍數(shù)下，纖維定型，使長絲力學(xué)性質(zhì)達(dá)到更加穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖6 熱輥溫度R1對纖維斷裂強(qiáng)度(a)和斷裂伸長率(b)的影響

圖7 熱輥溫度R1對纖維斷裂強(qiáng)度CV值(a)和斷裂伸長率CV值(b)的影響

2.2.2纖維取向度分析

由于拉伸應(yīng)力使大分子鏈沿長絲軸向的有序排列，因此，纖維的取向度相應(yīng)地增加，并且從圖8可以得出，牽伸倍數(shù)的增大增加了纖維的取向度。此外，在拉伸長絲期間，大分子鏈的粘彈效應(yīng)增加，從而使其拉伸應(yīng)力相應(yīng)地增加，進(jìn)一步導(dǎo)致纖維取向的增加。同時(shí)，隨著前熱輥溫度R1的變化，纖維的取向度不會改變太多。

圖8 牽伸倍數(shù)(a)和熱輥溫度R1(b)對纖維取向度的影響

2.2.3長絲沸水收縮率分析

由圖9可以看出，隨著牽伸倍數(shù)的增大，長絲的沸水收縮率也會有一定的增加，這是由于隨著牽伸倍數(shù)的增大，纖維的拉伸張力也將增加，從而產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力也將增大，定型后纖維的內(nèi)應(yīng)力不可避免的也會增大，最終纖維的沸水收縮率增加。同時(shí)，前熱輥溫度的大小對長絲的沸水收縮率基本沒有影響。

圖9 牽伸倍數(shù)(a)和熱輥溫度R1(b)對長絲沸水收縮率的影響

3 結(jié)語

文章主要對再生聚酯切片及纖維的制備技術(shù)進(jìn)行了探究，結(jié)論如下：

再生聚酯切片與原生切片的熱性能和傅里葉紅外光譜測試，結(jié)果沒有太大區(qū)別，但是兩者特性粘度、端羧基含量、色值等均有差別，再生聚酯切片的特性粘度稍微大一些，端羧基含量少一點(diǎn)，同時(shí)，再生聚酯切片顏色比原生切片偏暗、偏黃。

增大牽伸倍數(shù)，會使再生聚酯纖維的斷裂強(qiáng)度、沸水收縮率有所增大。除此之外，纖維的斷裂強(qiáng)度CV值、斷裂伸長率、斷裂伸長CV值均會有一定程度的減小，當(dāng)牽伸倍數(shù)為3.1倍時(shí)，纖維力學(xué)性能最好；隨著前輥溫度的升高，聚酯纖維的物理指標(biāo)變化不大，但斷裂強(qiáng)度變異系數(shù)，斷裂伸長變異系數(shù)，隨前熱輥溫度的升高而降低。