王玉合，戴鈞明，李喜亮，王樹霞，李紅芳，司 虎

(中國石化儀征化纖有限責(zé)任公司，江蘇 儀征 211900)

目前，國內(nèi)外使用的扁絲絕大多數(shù)是以聚丙烯(PP)為原料進(jìn)行生產(chǎn)，然后編織成相應(yīng)編織物如編織袋、地毯基布等應(yīng)用于包裝、地毯及土工布工程材料領(lǐng)域。市場上常規(guī)PP扁絲的規(guī)格及性能為寬度1～3 mm、厚度30～50 μm、拉伸強(qiáng)度大于等于350 MPa、斷裂伸長率大于等于20%、彈性模量大于等于2 000 MPa[1]。然而，由于PP本身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)決定了其存在以下缺陷：耐候性差、易氧化，在存放過程中編織袋的機(jī)械強(qiáng)度尤其是抗沖擊強(qiáng)度大幅降低，影響包裝效果；PP熔點(diǎn)較低(164～170 ℃)，無法滿足某些后道應(yīng)用領(lǐng)域高溫加工的要求[2-4]。

聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)的力學(xué)性能、耐高低溫性能、耐候性能等均比PP好，在扁絲方面的應(yīng)用具有很高的發(fā)展?jié)摿?。目前，在利用PET瓶片制備高性能扁絲方面，全球領(lǐng)先的技術(shù)及設(shè)備廠家主要有德國Reimotec公司、意大利Simar公司、奧地利Starlinger公司和Erama公司[5-6]，而國內(nèi)對于PET在扁絲領(lǐng)域應(yīng)用相關(guān)的配套設(shè)備及技術(shù)的研究較少，雖然有一些專利報(bào)道，但市場上尚未有PET扁絲產(chǎn)品[7-9]。

在工藝確定的情況下，原料PET的特性黏數(shù)([η])、是否含有添加劑、添加劑種類、添加劑添加量等均會(huì)影響最終產(chǎn)品PET扁絲的機(jī)械性能。PET的[η]是影響產(chǎn)品性能的一個(gè)重要指標(biāo)，而目前市售的PET的 [η]范圍較大，為0.5～1.0 dL/g，不同[η]的PET扁絲的加工性能和力學(xué)性能差異很大。作者采用20 L聚合反應(yīng)釜、鑄片擠出設(shè)備、裂膜裝置、靜態(tài)拉伸機(jī)等小型實(shí)驗(yàn)設(shè)備制備了不同[η]的PET及其扁絲，系統(tǒng)研究了PET的[η]對其扁絲主要性能的影響規(guī)律，以期對未來PET在扁絲領(lǐng)域的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

對苯二甲酸(PTA)：儀征化纖有限責(zé)任公司產(chǎn)；乙二醇(EG)：揚(yáng)子石化有限責(zé)任公司產(chǎn)；乙二醇銻：江蘇大康公司產(chǎn)。

1.2 設(shè)備與儀器

20 L聚合反應(yīng)釜：德國富耐公司制；Y501型相對黏度儀：美國Viscotek公司制；LMCR-300型多層共擠冷輥流延膜擠出機(jī)：泰國Labtech Engineering公司制；QL-HFJ-230型塑料編織袋扁絲卷繞機(jī)：江陰群力塑料機(jī)械有限公司制；KARO IV型拉伸機(jī)：德國Brueckner公司制；CMT4104型電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)：深圳市新三思材料檢測有限公司制。

1.3 不同[η]的PET的制備

將一定量的PTA、EG、催化劑乙二醇銻和助劑無水醋酸鈉加入到20 L聚合釜內(nèi)進(jìn)行加壓酯化和縮聚反應(yīng)。酯化過程以酯化水開始餾出時(shí)間作為酯化反應(yīng)的零點(diǎn)，在酯化溫度240～260 ℃，壓力0.2～0.3 MPa條件下進(jìn)行酯化反應(yīng)，待出水量達(dá)到理論出水量95%以上時(shí)結(jié)束酯化；再升溫進(jìn)行預(yù)縮聚反應(yīng)，升溫45 min后反應(yīng)釜內(nèi)溫升到280 ℃左右，真空度達(dá)到100 Pa以內(nèi)，此時(shí)作為縮聚反應(yīng)的零點(diǎn)；在280～283℃ 進(jìn)行縮聚反應(yīng)，當(dāng)攪拌電流達(dá)到設(shè)定值時(shí)出料，切粒，得到4種不同[η]的PET試樣，見表1。

表1 PET試樣的[η]Tab.1 [η] of PET samples

1.4 PET扁絲的制備

參照目前工業(yè)上成熟的扁絲制備流程(見圖1)，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通過間歇性試驗(yàn)設(shè)備模擬扁絲制備路線，分段進(jìn)行PET扁絲的制備。

圖1 PET扁絲的制備工藝流程Fig.1 Process flow of PET flat filament production

首先將PET試樣(1#，2#，3#，4#)在155 ℃真空烘箱烘干8 h，然后通過多層共擠冷輥流延膜擠出機(jī)制備流延鑄片，鑄片收卷前通過裂膜裝置將鑄片分切成一定寬度的胚絲，分切后的胚絲經(jīng)塑料編織袋扁絲卷繞機(jī)收卷，最后通過靜態(tài)縱向拉伸機(jī)將收卷的胚絲經(jīng)一定的拉伸倍數(shù)拉伸制得PET扁絲，控制所得PET扁絲寬度為2～3 mm、厚度為40～50 μm。

(1)多層共擠冷輥流延膜擠出機(jī)主要工藝參數(shù)：螺桿各區(qū)溫度分別為265，275，288，288，288 ℃，模頭溫度為288 ℃，模頭寬度200 mm，模頭開口寬度1 mm，螺桿轉(zhuǎn)速100 r/min，冷輥溫度50 ℃，控制鑄片厚度在90～110 μm。

(2)裂膜工藝參數(shù)：裂膜刀片長為50 mm，寬為15 mm，刀片材質(zhì)為鎢鋼，刀片間隙為50 mm，刀片與鑄片的角度為45°。

(3)縱向拉伸機(jī)主要工藝參數(shù)：預(yù)熱溫度95 ℃，預(yù)熱時(shí)間10 s，拉伸溫度95 ℃，單向拉伸，拉伸倍數(shù)4～7，拉伸速率100%，定型溫度210 ℃，定型時(shí)間3 s。

1.5 測試與表征

[η]：按照GB/T 14190—2017《纖維級聚酯(PET)切片試驗(yàn)方法》測試。

拉伸性能：將樣條在萬能材料試驗(yàn)機(jī)上按GB/T 1040.1—2018《塑料 拉伸性能的測定》進(jìn)行測試，測試5根樣條，結(jié)果取其平均值。

屈服性能：選定拉伸倍數(shù)為5時(shí)，測試PET扁絲的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，得到其屈服應(yīng)力、屈服強(qiáng)度、屈服伸長率及最大拉力。

2 結(jié)果與討論

2.1 拉伸性能

由圖2、圖3可以看出，拉伸倍數(shù)越高，PET扁絲的拉伸強(qiáng)度越高、斷裂伸長率越低，主要是拉伸倍數(shù)影響了材料的取向度所致，結(jié)果與文獻(xiàn)[1，10-11]報(bào)道一致。

圖2 不同拉伸倍數(shù)下[η]對PET扁絲拉伸強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of [η] on tensile strength of PET flat filament at different draw ratios◆—4倍拉伸；■—5倍拉伸；▲—6倍拉伸；●—7倍拉伸

圖3 不同拉伸倍數(shù)下[η]對PET扁絲斷裂伸長率的影響Fig.3 Effect of [η] on elongation at break of PET flat filament at different draw ratios◆—4倍拉伸；■—5倍拉伸；▲—6倍拉伸；●—7倍拉伸

從圖2、圖3還可以看出：相同拉伸倍數(shù)時(shí)，隨著[η]的升高，PET扁絲的拉伸強(qiáng)度逐漸升高，斷裂伸長率逐漸降低；高拉伸倍數(shù)時(shí)，[η]對PET扁絲的拉伸強(qiáng)度影響越明顯，隨著拉伸倍數(shù)及[η]的逐漸增大，PET扁絲的拉伸強(qiáng)度增幅越大，而斷裂伸長率正好相反，即低拉伸倍數(shù)時(shí)[η]對PET扁絲斷裂伸長率的影響較大，而高拉伸倍數(shù)時(shí)[η]對斷裂伸長率的影響較小。

彈性模量可視為衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的指標(biāo)，其值越大，使材料發(fā)生一定彈性變形的應(yīng)力也越大，即材料剛度越大，亦即在一定應(yīng)力作用下，發(fā)生彈性變形越小。

從圖4可知：相同拉伸倍數(shù)時(shí)，隨著[η]的逐漸升高，PET扁絲的彈性模量總體呈逐漸增大的變化趨勢，尤其是當(dāng)[η]超過0.714 dL/g時(shí)增加的幅度更明顯，說明[η]升高后，使材料發(fā)生彈性變形需要的應(yīng)力也同樣增大；在拉伸倍數(shù)小于等于6倍時(shí)，隨著拉伸倍數(shù)的增大，PET扁絲彈性模量呈逐漸升高的趨勢，且隨著[η]的升高，彈性模量的增幅也逐漸增大，但當(dāng)拉伸倍數(shù)為7時(shí)，彈性模量未見明顯增加。

圖4 不同拉伸倍數(shù)下[η]對PET扁絲彈性模量的影響Fig.4 Effect of [η] on elastic modulus of PET flat filament at different draw ratios◆—4倍拉伸；■—5倍拉伸；▲—6倍拉伸；●—7倍拉伸

以拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率為縱坐標(biāo)，以拉伸倍數(shù)為橫坐標(biāo)，分別做拉伸強(qiáng)度(y1)-拉伸倍數(shù)(x)，斷裂伸長率(y2)-拉伸倍數(shù)(x)曲線，然后對曲線進(jìn)行擬合，即得1#，2#，3#，4#試樣的PET扁絲的拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長率的擬合方程，分別見式(1)、(2)、(3)、(4)：

y1=95.40x-117.2y2= -90x+74.6

(1)

y1=111.8x-142.9y2= -12x+96.3

(2)

y1=150.9x-292.7y2= -9.50x+81

(3)

y1=183.5x-393.5y2= -10x+80.6

(4)

以目前市售的PP扁絲拉伸強(qiáng)度大于等于350 MPa、斷裂伸長率大于等于20%作為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)擬合方程(1)～(4)，經(jīng)計(jì)算可得出不同[η]的PET扁絲要達(dá)到拉伸強(qiáng)度400 MPa或斷裂伸長率25%時(shí)的拉伸倍數(shù)，結(jié)果如圖5所示。

圖5 一定拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率下PET扁絲的拉伸倍數(shù)與[η]的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between draw ratio and [η] of PET flat filament at a certain tensile strength and elongation at break◆—拉伸強(qiáng)度為400 MPa；■—斷裂伸長率為25%

由圖5可知，隨著[η]的升高，PET扁絲拉伸強(qiáng)度達(dá)到400 MPa時(shí)拉伸倍數(shù)逐漸減小，斷裂伸長率達(dá)到25%時(shí)拉伸倍數(shù)先增大后減小。

工業(yè)化生產(chǎn)時(shí)，一般均希望在較低的拉伸倍數(shù)下得到滿足要求的性能指標(biāo)，且不希望原料的[η]過高，因?yàn)樵系腫η]升高后，不同鏈段發(fā)生位移互相抵消的機(jī)會(huì)越多，分子鏈重心移動(dòng)越慢，要完成流動(dòng)過程就需要更長的時(shí)間和更多的能量[1]。根據(jù)以上原則，并綜合圖2、圖3、圖5所示曲線，可以得出相對較優(yōu)的[η]-拉伸倍數(shù)組合為PET [η]0.71 dL/g左右、拉伸倍數(shù)5～6。

2.2 屈服性能

在固定拉伸倍數(shù)為5時(shí)，根據(jù)PET扁絲拉伸時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可得到不同[η]時(shí)PET扁絲的屈服應(yīng)力、屈服強(qiáng)度、屈服伸長率、最大拉力等參數(shù)，見表2。

表2 不同[η]時(shí)PET扁絲的屈服性能Tab.2 Yield properties of PET flat filament with different [η]

從表2可以看出:在相同的拉伸工藝下，隨著[η]的升高，PET扁絲的最大拉力逐漸升高，主要是由于[η]升高后，PET大分子鏈長度增加，相應(yīng)的纏結(jié)點(diǎn)也增多，要使鏈段取向所需要的拉力也相應(yīng)增大[12]；PET扁絲的屈服應(yīng)力、屈服強(qiáng)度、屈服伸長率基本隨著[η]的升高呈逐漸增大趨勢，[η]低于0.714 dL/g時(shí)，屈服強(qiáng)度和屈服伸長率升高幅度較小，[η]高于0.714 dL/g時(shí)，屈服強(qiáng)度和屈服伸長率升高幅度明顯增大。這說明[η]升高雖然對產(chǎn)品的強(qiáng)度指標(biāo)有幫助，但對后加工帶來的不利影響也增大，所以選擇PET的[η]時(shí)需要兼顧后加工過程。

3 結(jié)論

a. 相同拉伸倍數(shù)時(shí)，隨著[η]的升高，PET扁絲的拉伸強(qiáng)度逐漸升高，斷裂伸長率逐漸降低，彈性模量總體呈逐漸增大的變化趨勢，尤其是當(dāng)[η]超過0.714 dL/g時(shí)增加的幅度更明顯。

b. 在 PET扁絲拉伸強(qiáng)度達(dá)到400 MPa時(shí)，隨著[η]的升高，拉伸倍數(shù)逐漸減??；斷裂伸長率達(dá)到25%時(shí)，隨著[η]的升高，拉伸倍數(shù)先增大后減小。

c. 相同拉伸倍數(shù)時(shí)，PET扁絲的屈服應(yīng)力、屈服強(qiáng)度、屈服伸長率基本隨著[η]的升高呈逐漸增大趨勢，且當(dāng)[η]超過0.714 dL/g時(shí)升高幅度明顯增大。

d. 實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，兼顧PET扁絲使用性能和加工性能的要求，控制PET的[η]0.71 dL/g左右、拉伸倍數(shù)5～6較為合適。