王 偉，劉傳生，嚴(yán) 巖，季 軒，史利梅

(1. 中國石化儀征化纖有限責(zé)任公司，江蘇儀征 211900； 2. 江蘇省高性能纖維重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇儀征 211900)

夜光纖維又稱為自發(fā)光纖維、蓄光纖維，是指在自然光或者日光燈下照射10～20 min后，在黑暗中能持續(xù)發(fā)光4～10 h的纖維。夜光纖維的制造方法主要有：溶液紡絲法、熔融紡絲法、表面涂層法、高速流沖擊法和鍵合法。溶液紡絲法能耗高；表面涂層法由于發(fā)光化合物吸附在纖維表面，因此其耐洗性、耐溶劑性、耐摩擦性、耐酸堿性等不理想，使用壽命較短；高速流沖擊法的生產(chǎn)裝置復(fù)雜；鍵合法生產(chǎn)工藝復(fù)雜且容易出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象；熔融紡絲法生產(chǎn)的夜光PET纖維可紡性差，發(fā)光效果不佳等特點(diǎn)[1-2]。

為改善熔融紡絲制備夜光纖維時可紡性差，發(fā)光效果差等缺點(diǎn)，筆者選取納米級硅鋁酸鹽夜光粉體作為發(fā)光基體制備夜光母粒，選擇合適的偶聯(lián)劑提高夜光粉體在母粒中分散均勻性[3-5]，使之不容易團(tuán)聚，提高夜光母粒的可紡性，制備余輝性能較好的夜光母粒和夜光纖維。

1 試 驗(yàn)

1.1 主要原料

常規(guī)大有光PET切片，中國石化儀征化纖有限責(zé)任公司，特性黏度為0.635 dL/g；夜光粉體(Al2SiO4,Eu2+,Dy3+)，納米級，佛山鉅亮有限責(zé)任公司；偶聯(lián)劑，γ-(β-氨乙基)氨丙基三甲氧基硅烷(KH791)，分析純，上?；瘜W(xué)試劑公司；合成聚酯蠟，Euroceras 69，工業(yè)純，德國Euroceras公司。

1.2 儀器設(shè)備

盤式磨粉機(jī)，MF-400型，張家港振邦機(jī)械廠；高速混合機(jī)，SHR-100L型，南京杰亞擠出裝備有限公司；雙螺桿擠出機(jī)，SHL-36型，南京杰亞擠出裝備有限公司；母粒過濾性能測試儀，LS-PP-F01型，龍口華瑞機(jī)械廠；黏度儀，Y501型，美國Voscotek公司，溫度(25±0.1)℃，溶劑為苯酚-四氯乙烷(質(zhì)量比1∶1)；激光粒度分布儀，LM24型，英國馬爾文儀器有限公司；長余輝熒光粉測試儀，PR-305型，杭州浙大三色儀器有限公司；自動強(qiáng)伸儀，STATIMATM型，德國Texteehno公司；長絲復(fù)合紡絲機(jī)，JWHQ100型，晉中經(jīng)緯化纖精密制造有限公司；平牽機(jī)，JWKV518Ⅱ型，晉中經(jīng)緯化纖精密制造有限公司；場發(fā)射掃描電鏡，F(xiàn)EI Nova Nano SEM 450型，美國賽默飛公司。

1.3 加工過程

1.3.1 母粒制備過程

以PET切片為載體，夜光粉體、KH791偶聯(lián)劑和助劑制備夜光母粒，夜光母粒的制備過程如圖1所示。

圖1 母粒制備工藝流程

首先將PET切片和夜光粉體進(jìn)行干燥，PET切片的干燥條件為：常溫下3 h升溫至110 ℃，保溫2 h；1 h升溫至170 ℃，保溫9 h；4 h降溫至60 ℃，充氮保護(hù)。夜光粉體的干燥條件為：常溫下2 h升溫至130 ℃，保溫10 h，2 h降溫至60 ℃。然后將PET切片加入磨粉機(jī)進(jìn)行磨粉，出料風(fēng)機(jī)將PET粉體送入振動篩，篩分得到粒徑大于60目的PET粉料。將PET粉料、夜光粉體、偶聯(lián)劑KH791、合成聚酯蠟按照一定的質(zhì)量比例分別加入高速混合機(jī)，高速攪拌一定的時間使物料混合均勻。

1.3.2 母粒過濾性能測試

加入100 g大有光PET切片，用大有光PET切片沖洗過濾性能測試儀擠出螺桿及過濾網(wǎng)。待擠出螺桿中大有光PET切片全部走完且擠出螺桿剛好清晰可見時，加入按照一定工藝比例混配的切片2 kg(夜光母粒與大有光PET切片質(zhì)量比為1∶19)，100 s后記錄初始壓力P0。待物料在過濾性能測試儀中，記錄最大壓力Pmax，全部走完之后再加入100 g 大有光PET切片。本次試驗(yàn)采用12 um過濾網(wǎng)。壓濾值為

FPV=(Pmax-P0)/m

式中FPV為壓濾值，MPa/g；P0為初始壓力，MPa；Pmax為最大壓力，MPa；m為母粒中夜光粉體質(zhì)量，g。

1.3.3 夜光母粒紡絲評價(jià)試驗(yàn)

使用夜光母粒和大有光PET切片按照一定的比例混合后，使用長絲復(fù)合紡絲機(jī)進(jìn)行紡絲，紡絲速度為1 000 m/min，得到UDY纖維。使用平牽機(jī)對UDY纖維進(jìn)行拉伸后處理，拉伸速度為450 m/min，兩段拉伸，固定第二拉伸倍率為1.05，總拉伸倍率為3.0和3.6，上熱盤、下熱盤、熱板溫度分別為85 ℃、110 ℃、170 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 母粒加工

以大有光PET為載體，夜光粉體的添加量為總質(zhì)量的10%、15%、20%、25%和30%，偶聯(lián)劑KH791的添加量分別為總質(zhì)量的0.5%、1.0%和1.5%，助劑合成聚酯蠟的添加量為2.5%，制備夜光母粒。

設(shè)定母粒加工設(shè)備螺桿主機(jī)轉(zhuǎn)速為200 r/min，喂料速度20 kg/h，螺桿加工溫度為270 ℃，考察夜光粉體添加量和偶聯(lián)劑KH791添加量對母粒特性黏度的影響，具體見圖2。

圖2 夜光粉體和偶聯(lián)劑KH791添加量對夜光母粒特性黏度的影響

從圖2可以看出，當(dāng)偶聯(lián)劑KH791添加量一定時，隨著夜光粉體添加量的增多，夜光母粒的特性黏度逐漸下降。這一方面可能是由于無機(jī)夜光粉體的加入在一定程度上影響了PET聚酯基體物理結(jié)構(gòu)的規(guī)整性，使PET聚酯大分子鏈的纏結(jié)點(diǎn)減少，PET大分子鏈的堆砌緊密程度下降，增加了PET基體的自由體積，具體表現(xiàn)在特性黏度的下降。另一方面無機(jī)夜光粉體在PET聚酯基體中產(chǎn)生類似于“滾珠”的潤滑作用，增大聚酯的流動性。第三，在靜止或者剪切力作用下PET聚酯直接插層進(jìn)入硅鋁酸鹽片層[6]，高速混合剪切力有利于插層的進(jìn)行，同時一定程度上破壞了PET聚酯的物理結(jié)構(gòu)，所以降低了PET聚酯的特性黏度。當(dāng)夜光粉體添加量一定時，偶聯(lián)劑KH791的添加量對夜光母粒特性黏度影響不大。

2.2 母粒余輝亮度評價(jià)

將2.1制備的夜光母粒使用激光粒度分布儀，D65標(biāo)準(zhǔn)光源，激發(fā)照度1 000 lx，激發(fā)時間15 min，測試撤走光源后1 min后，使用長余輝熒光粉測試儀測試夜光母粒的余輝亮度。

圖3 夜光粉體和偶聯(lián)劑KH791添加量對夜光母粒余輝亮度的影響

從圖3中可以看出，當(dāng)偶聯(lián)劑KH791質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5%、1.0%、1.5%時，隨著夜光粉體添加量的增加，夜光母粒的余輝亮度均增加。這說明夜光母粒的余輝亮度主要由夜光粉體的余輝亮度決定。偶聯(lián)劑KH791對夜光母粒的余輝亮度也有一定的作用，總體而言，當(dāng)夜光母粒添加比例一定時，偶聯(lián)劑KH791添加1.0%時，夜光母粒的余輝亮度最高。這主要是由于偶聯(lián)劑KH791的親無機(jī)物基團(tuán)可與夜光粉體(Al2SiO4,Eu2+,Dy3+)的化學(xué)基團(tuán)反應(yīng)，形成牢固的化學(xué)鍵合；親有機(jī)物基團(tuán)可與PET大分子反應(yīng)或形成物理纏繞，從而使PET基體與夜光粉體(Al2SiO4,Eu2+,Dy3+)的界面實(shí)現(xiàn)化學(xué)鍵接，大幅度提高共混體系的增容效果[7]。

2.3 母粒過濾性能評價(jià)

母粒法滌綸紡絲必須符合滌綸紡絲及后加工的工藝要求，要求母粒的加入量不能影響PET聚酯的可紡性和纖維的物理性能，并可以滿足一定的功能性使用要求。通常采用壓濾值和特性黏度作為母粒質(zhì)量評價(jià)的重要指標(biāo)[8-9]。

壓濾值可以表征母粒加入后紡絲熔體的過濾性能，過濾性能的優(yōu)劣會影響過濾器和紡絲組件的更換周期。將夜光母粒和PET切片按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)1∶19 混合后，用母粒過濾性能測試儀進(jìn)行熔融擠出，測定濾網(wǎng)之前混合切片熔體的壓力變化，用壓力的增加值可以判斷夜光母粒中夜光粉體分散的微細(xì)化程度和均勻性。壓力值越小，說明夜光粉體中夜光母粒的分散性越好；壓力越大，則說明夜光母粒中夜光粉體的分散性越差。具體見圖4所示。

從圖4中可以看出，當(dāng)偶聯(lián)劑KH791質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5%、1.0%、1.5%時，隨著夜光粉體添加量的增加，夜光母粒的壓濾值均是先減小后增大，當(dāng)夜光粉體添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時，夜光母粒的壓濾值均較小。當(dāng)夜光粉體添加量一定時，隨著偶聯(lián)劑KH791添加量的增多，夜光母粒的壓濾值也呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，當(dāng)偶聯(lián)劑KH791添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%時，夜光母粒的壓濾值相對較小。

這主要是由于大有光PET切片中加入了偶聯(lián)劑KH791和無機(jī)夜光粉體(Al2SiO4,Eu2+,Dy3+)后，偶聯(lián)劑的親無機(jī)基團(tuán)與夜光粉體進(jìn)行化學(xué)鍵連接；偶聯(lián)劑的親有機(jī)基團(tuán)均勻包裹在無機(jī)夜光粉體表面，形成一層保護(hù)層，使無機(jī)夜光粉體在PET熔體中形成較多的片層，增加了PET熔體的的流動性。偶聯(lián)劑含量過高時，偶聯(lián)劑的活性會得到抑制，所以當(dāng)夜光粉體添加量一定時，隨著偶聯(lián)劑的增大，壓濾值總體上先減小后增大。當(dāng)無機(jī)夜光粉體添加質(zhì)量超高20%時，導(dǎo)致無機(jī)夜光粉體在夜光母粒中出現(xiàn)部分團(tuán)聚，所以壓濾值上升。

2.4 母?？杉徯栽u價(jià)

綜合夜光母粒的特性黏度、余輝亮度和壓濾值三方面，選擇夜光粉體添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%、偶聯(lián)劑添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的夜光母粒，考察夜光母粒的可紡性。

夜光母粒的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3.0%、5.0%和7.0%，考察母粒添加量對纖維性能的影響。紡絲溫度為292 ℃。噴絲板孔數(shù)為36孔，長徑比為2.0。在紡絲過程中組件壓力穩(wěn)定，紡絲過程中無飄絲、注頭絲和斷頭。具體紡絲情況見表1。

表1 母粒添加量對夜光UDY性能的影響

從表1中可以看出，隨著母粒添加量的增多，組件壓力逐漸下降；隨著夜光母粒的增多，無油絲的特性黏度下降。這主要是由于夜光母粒中無機(jī)夜光粉體(Al2SiO4,Eu2+,Dy3+)為納米級，當(dāng)PET聚酯在熔融狀態(tài)下，無機(jī)夜光粉體相當(dāng)于潤滑球的作用，提高了PET熔體的流動性，所以組件壓力下降，同時當(dāng)聚酯熔體中添加一定比例的無機(jī)夜光粉體時，在高溫熔融狀態(tài)下，加速了聚酯的降解，所以特性黏度降低。隨著母粒添加量的增多，UDY原絲的斷裂強(qiáng)度逐漸下降，斷裂伸長逐漸減小，說明夜光母粒的加入使得PET功能纖維的可拉伸性能降低。這可能是由于夜光母粒加入破壞了PET聚酯的物理結(jié)構(gòu)，使之形成一定的缺陷[12]。

圖5 纖維截面SEM

a： 常規(guī)大有光纖維;b： 夜光母粒添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%;c： 夜光母粒添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0%;d： 夜光母粒添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.0%

從圖5中可以看出，當(dāng)夜光母粒添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.0%時，纖維截面有較大的無機(jī)粒子團(tuán)聚，說明當(dāng)夜光母粒添加量較高時，在紡絲過程中，容易引發(fā)夜光粉體的聚集。

2.5 夜光UDY的可拉伸性能評價(jià)

使用平牽機(jī)對A、B、C、D四種UDY原絲進(jìn)行后拉伸，拉伸后纖維的物理指標(biāo)見表2。

表2 拉伸后纖維性能指標(biāo)

從表2中可看出，在控制斷裂伸長基本一致的情況下，添加夜光母粒后纖維的拉伸倍率下降。隨著夜光母粒添加量的增多，DT絲的斷裂強(qiáng)度逐漸下降。這與UDY原絲的性能質(zhì)量有關(guān)。當(dāng)夜光母粒添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.0%時，DT絲比較脆，容易斷裂，這主要是由于夜光母粒添加量較多，對纖維中缺陷較多造成影響。

2.6 DT絲余輝亮度評價(jià)

將拉伸后的DT絲織成襪帶，測試DT絲的余輝亮度。夜光母粒添加量對DT絲余輝亮度的影響見圖5。

從圖5中可以看出：隨著夜光母粒添加量的增多，DT絲的余輝亮度逐漸增大。夜光DT纖維與夜光母粒的余輝亮度差距很大，這說明夜光纖維的發(fā)光特性直接與發(fā)光基體的含量有關(guān)。

圖5 夜光母粒添加量對余輝亮度的影響

3 結(jié) 論

a) 隨著夜光粉體(Al2SiO4,Eu2+,Dy3+)添加量的增大，夜光母粒的特性黏度呈現(xiàn)下降的趨勢、余輝亮度呈現(xiàn)上升的趨勢、壓濾值呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，夜光粉體添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20.0%時，夜光母粒的壓濾值最小。

b) 制備夜光母粒時，夜光粉體(Al2SiO4,Eu2+,Dy3+)的最佳添加質(zhì)量為20.0%，偶聯(lián)劑KH791的最佳添加質(zhì)量為1.0%，夜光粉體具有較好的過濾性能和余輝亮度。

c) 隨著夜光母粒添加量的增大，UDY原絲的可拉伸性能下降，DT絲的斷裂強(qiáng)度下降，纖維的余輝亮度增強(qiáng)，當(dāng)夜光母粒添加的質(zhì)量為5.0%時，纖維具有良好的斷裂強(qiáng)度和余輝亮度。