王少博，王朝生，王華平

(東華大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院纖維材料改性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620)

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低熔點(diǎn)共聚酯的流變性能及其皮芯復(fù)合紡絲研究

王少博，王朝生*，王華平

(東華大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院纖維材料改性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620)

聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯纖維皮芯復(fù)合纖維低熔點(diǎn)共聚酯流變性能熔融紡絲力學(xué)性能

低熔點(diǎn)共聚酯(LPET)由于其較低的熔點(diǎn)及與常規(guī)聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)良好的相容性，是制備熱熔粘結(jié)纖維的重要材料，在非織造行業(yè)中具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。皮芯復(fù)合紡絲技術(shù)是制備熱熔粘結(jié)纖維的主要手段，相比于常規(guī)單組份熔融紡絲，由于其加工過程需要同時(shí)兼顧兩種不同流動(dòng)性質(zhì)的熔體，紡絲工藝復(fù)雜。LPET與常規(guī)PET的流體性質(zhì)存在差異，且皮層熔體與芯層熔體在噴絲孔出口處受到的剪切也有較大的差異，故紡絲工藝的設(shè)定稍有偏差，便會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品性能不穩(wěn)定。目前，皮芯復(fù)合紡絲熱熔粘結(jié)纖維大部分仍需依賴從日本和韓國進(jìn)口，價(jià)格昂貴。因此研究LPET與常規(guī)PET復(fù)合紡絲工藝，開發(fā)LPET/PET復(fù)合纖維具有重要意義。關(guān)于LPET的皮芯復(fù)合紡絲工藝已有部分文獻(xiàn)報(bào)道[1-2]。作者基于對(duì)自制PET基LPET和常規(guī)纖維級(jí)PET流變性能的分析，結(jié)合熔體在皮芯復(fù)合噴絲板出口處所受剪切作用的理論計(jì)算，設(shè)計(jì)了適宜的皮芯復(fù)合紡絲工藝條件，并成功指導(dǎo)了LPET與常規(guī)PET的復(fù)合紡絲。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1原料

常規(guī)PET切片：纖維級(jí)，特性黏數(shù)0.65 dL/g，寧波康鑫化纖生產(chǎn)；LPET切片：共聚改性單體為己二酸和二甘醇，特性黏數(shù)為1.05 dL/g，熔點(diǎn)168.6 ℃，自制。

1.2儀器與設(shè)備

TA-Q20差示掃描量熱(DSC)儀:美國TA公司制；Rosand RH2000毛細(xì)管流變儀：英國馬爾文儀器有限公司制；Q5000IR熱重(TG)分析儀：美國TA公司制；ABE25小型熔融紡絲機(jī)：日本ABE公司制；TF-100牽伸機(jī)：蘇州特發(fā)機(jī)電技術(shù)有限公司制；皮芯復(fù)合噴絲板：12孔，芯層孔直徑0.3 mm，皮層孔直徑0.46 mm，鎮(zhèn)江新浪潮精密機(jī)械有限公司制；XQ-2纖維強(qiáng)度儀：上海新纖儀器公司制；8XB-PC光學(xué)顯微鏡：上海光學(xué)儀器廠制。

1.3LPET/PET皮芯復(fù)合纖維的制備

將LPET在105 ℃真空轉(zhuǎn)鼓干燥24 h，PET在125 ℃真空轉(zhuǎn)鼓干燥24 h；以LPET為皮層，PET為芯層進(jìn)行皮芯復(fù)合紡絲，側(cè)吹風(fēng)速度0.45 m/s，紡絲速度2 500 m/min，后拉伸速度300 m/min，后拉伸溫度95 ℃，后拉伸比1.3～1.8，制得LPET/PET皮芯復(fù)合纖維。

1.4測(cè)試

DSC分析：在氮?dú)鈿夥障拢瑢⒓s10 mg試樣以20 ℃/min的升溫速率，由30 ℃升溫至270 ℃，保溫3 min消除熱歷史后以10 ℃/min降溫至30 ℃，再由30 ℃以10 ℃ /min升溫至270 ℃，記錄其過程熱流的變化曲線。

TG分析：在氮?dú)鈿夥障?，將約5 mg試樣以10 ℃/min升溫速率，由40 ℃升溫至700 ℃，記錄其過程質(zhì)量的變化曲線。

2　結(jié)果與討論

2.1熱性能分析

由圖1可看出，PET的熔融峰值溫度(Tm)為253.9 ℃，而LPET的結(jié)晶溫度和Tm分別為120.5 ℃和168.6 ℃，LPET在10 ℃/min的降溫速率下，降溫過程中并沒有像PET出現(xiàn)明顯的結(jié)晶放熱峰，而是在其第二次升溫過程才出現(xiàn)。這說明PET與己二酸和二甘醇共聚后所獲得的LPET的結(jié)晶速度較常規(guī)PET慢。

圖1　LPET和PET的DSC曲線Fig.1　DSC thermograms of LPET and PET1—PET；2—LPET

從圖2可以看出，改性共聚后獲得的LPET的起始分解溫度為377.9 ℃，雖然其起始分解溫度低于PET，但仍可以滿足熔融紡絲的加工要求。

圖2　LPET和PET的TG曲線Fig.2　TG curves of LPET and PET1—PET；2—LPET

2.2流變性能分析及復(fù)合紡絲

2.2.1非牛頓指數(shù)(n)和結(jié)構(gòu)黏度指數(shù)(?η)

圖3　LPET和PET熔體的流變曲線Fig.3　Rheological curves of LPET and PET melts○—239 ℃；□—243 ℃；▽—247 ℃；△—251 ℃●—284 ℃；■—288 ℃；▼—292 ℃；▲—296 ℃

(1)

式中：K為黏性系數(shù)。

n值越接近1，表明熔體與牛頓流體性質(zhì)越相近。

?η是熔體內(nèi)部大分子鏈纏結(jié)情況的一種反映，且常用其作可紡性的評(píng)判指標(biāo)。假塑性流體的?η大于0，其值越大表明熔體的結(jié)構(gòu)化程度越高，越不易發(fā)生改變，對(duì)應(yīng)的可紡性及紡絲穩(wěn)定程度也越差[4]。

(2)

表1　LPET和PET熔體的n和?η

2.2.2熔體的黏流活化能(?Eη)

表2　LPET和PET熔體的?Eη

(3)

式中：A為噴絲孔截面積；Dh為噴絲孔水力直徑；λ為形狀因子；Q為泵供量。

芯層圓形噴絲孔的形狀因子(λL)可由文獻(xiàn)獲得為16[9]。皮層環(huán)形噴絲孔的形狀厚度(λh)可由公式(4)[9]獲得。

(4)

式中：k為外層孔徑與內(nèi)層孔徑之比。

表3　LPET和PET熔體在噴絲孔出口處的

表4　LPET和PET熔體的理想復(fù)合溫度

由表4可看出，最佳紡絲溫度隨著復(fù)配比的減小而升高，同時(shí)結(jié)合之前獲取的兩種熔體的n與?η考慮，則在出現(xiàn)多個(gè)可復(fù)合紡的溫度區(qū)間時(shí)，應(yīng)選擇溫度高的區(qū)間進(jìn)行復(fù)配。另外，結(jié)合螺桿和箱體降溫較慢的特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)先對(duì)高復(fù)配比進(jìn)行試紡。

在實(shí)驗(yàn)中，由于兩種熔體擠出前經(jīng)由螺桿計(jì)量泵后都要進(jìn)入紡絲箱體，所以兩種熔體都會(huì)因與箱體的熱交換而發(fā)生溫度改變。為保證兩種熔體能按照理想的溫度擠出復(fù)配，所以設(shè)定箱體溫度在兩種熔體理想擠出溫度之間，LPET的熔體溫度在進(jìn)入紡絲箱體前應(yīng)略低于理想擠出溫度，PET的熔體溫度則應(yīng)略高于理想擠出溫度。另外，為了防止LPET切片在進(jìn)料口處發(fā)生粘堵，實(shí)驗(yàn)中設(shè)定其進(jìn)料段溫度為較低的220 ℃。實(shí)驗(yàn)中具體的溫度參數(shù)設(shè)置如表5。實(shí)驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)3種復(fù)配比例的工藝條件下纖維均可順利成形得到預(yù)取向絲(POY)，說明理論計(jì)算結(jié)果對(duì)于實(shí)際復(fù)合紡絲有很好的指導(dǎo)作用。

表5　LPET/PET皮芯復(fù)合紡絲工藝溫度

后拉伸過程中，為避免過高溫度導(dǎo)致纖維發(fā)生粘連，采用95 ℃進(jìn)行拉伸，拉伸比為1.3～1.8,不同復(fù)配比的POY經(jīng)拉伸后得到的力學(xué)性能見表6。

表6　LPET/PET皮芯復(fù)合纖維的力學(xué)性能

由表6可以看出，纖維斷裂強(qiáng)度隨著LPET添加比例的降低而增加，主要是因?yàn)槠覮PET的力學(xué)強(qiáng)度較PET低，因此LPET添加比例高的復(fù)合纖維在使用上會(huì)受到一定的限制。而mLPET:mPET為3:7的纖維力學(xué)強(qiáng)度可以滿足纖維后道加工的要求。同時(shí)，用光學(xué)顯微鏡觀察其LPET/PET皮芯纖維的截面及其相互之間的熱熔粘結(jié)效果，可以看出纖維的皮芯結(jié)構(gòu)明顯，皮層分布較均勻且無破損，熔融粘結(jié)效果較好。

3　結(jié)論

a. LPET在247～251 ℃與常規(guī)纖維級(jí)PET在292～296 ℃的熔體非牛頓性和結(jié)構(gòu)化程度較為相近。

c. LPET/PET皮芯復(fù)合紡絲最佳工藝條件如下：mLPET:mPET為3:7，螺桿溫度進(jìn)料段LPET為220 ℃、PET為280 ℃，壓縮段LPET為245 ℃、PET為285 ℃，均化段溫度LPET為245 ℃、PET為296 ℃，箱體溫度為293 ℃，在95 ℃下進(jìn)行拉伸，拉伸倍數(shù)為1.3～1.8，在此條件下制得的LPET/PET皮芯復(fù)合纖維的皮芯結(jié)構(gòu)明顯，皮層分布均勻完好，熱熔粘結(jié)效果較好，纖維斷裂強(qiáng)度為2.98cN/dtex，斷裂伸長(zhǎng)率為28.86%。

[1]李志勇.低熔點(diǎn)聚酯/PET皮芯復(fù)合紡絲工藝的探討[J]. 紡織科學(xué)研究,2010(1): 39-43.

LiZhiyong.Discussionoflow-meltingpointpolyester/PETsheath-corecompositespinningprocess[J].TextSciRes, 2010(1):39-43.

[2]姚峰, 林生兵, 瞿中凱,等.低熔點(diǎn)聚酯復(fù)合紡絲研究 [J]. 合成纖維工業(yè), 2003,26(4): 8-11.

YaoFeng,LinShengbing,QuZhongkai,etal.Studyoncompositespinningprocessforlow-meltingpointpolyester[J].ChinSynFiberInd, 2003, 26(4):8-11.

[3]TadmorZ,GogosCG.Principlesofpolymerprocessing[M].Hoboken:JohnWiley&Sons, 2013: 84-85.

[4]董紀(jì)震,趙耀明,陳雪英,等.合成纖維生產(chǎn)工藝學(xué)[M].上冊(cè).第二版.北京: 中國紡織出版社, 1996: 101-102.

DongJizhen.Syntheticfiberproductionprocess[M].Volume1.2nded.Beijing:ChinaTextile&ApparelPress,1996:101-102.

[5]SperlingLH.Introductiontophysicalpolymerscience[M].Hoboken:JohnWiley&Sons, 2005: 538-539.

[6]HanCD.Astudyofcoextrusioninacirculardie[J].JApplPolymSci, 1975, 19 (7): 1875-1883.

[7]SouthernJH,BallmanRL.Additionalobservationsonstratifiedbicomponentflowofpolymermeltsinatube[J].JPolymSci:PolymPhysEdit, 1975, 13 (4): 863-869.

[8]MillerC.Predictingnon-Newtonianflowbehaviorinductsofunusualcrosssection[J].IndEngChemFundam, 1972, 11 (4): 524-528.

[9]RweiSP,JueZF,ChenFL.PBT/PETconjugatedfibers:Meltspinning,fiberproperties,andthermalbonding[J].PolymEngSci, 2004, 44 (2): 331-344.

Sheath-core composite spinning process and rheologicalbehavioroflow-meltingpointcopolyester

Wang Shaobo, Wang Chaosheng, Wang Huaping

(State Key Laboratory for Modification of Chemical Fibers and Polymer Materials,College of Materials Science and Engineering, Donghua University, Shanghai 201620)

polyethylene terephthalate fiber; sheath-core composite fiber; low-melting point copolyester; rheological behavior; melt spinning; mechanical properties

2015-11-24；修改稿收到日期：2016- 06- 03。

王少博(1989—)，男，博士研究生，主要研究方向?yàn)榫埘ゲ牧细男约俺尚图庸ぁ-mail：wsbharry@163.com。

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)(2232013D3-17)。

TQ342+.9

A

1001- 0041(2016)04- 0033- 05

*通訊聯(lián)系人。E-mail：cswang@dhu.edu.cn。