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        再生聚酯長(zhǎng)絲制備技術(shù)研究

        2022-08-12 01:27:06郝克倩王學(xué)利關(guān)留祥尹云雷
        山東紡織科技 2022年3期
        關(guān)鍵詞:斷裂強(qiáng)度長(zhǎng)絲聚酯

        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(duì)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(guó)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(duì)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(duì)這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。若牽伸熱輥溫度太低,會(huì)使長(zhǎng)絲的內(nèi)部應(yīng)力無法釋放,從而會(huì)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(huì)上升,最終影響到長(zhǎng)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(huì)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(cè)試:(1)TGA測(cè)試:測(cè)試儀器TGA 4000熱重分析儀;(2)DSC測(cè)試:測(cè)試儀器DSC 400差示掃描量熱儀。

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

        再生聚酯其它指標(biāo)測(cè)試:(1)特性粘度:測(cè)試儀器IVS300-4烏式粘度自動(dòng)測(cè)量?jī)x;(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(duì)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(cè)試儀器ZB-A Lab值色度測(cè)試儀,測(cè)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(cè)試:測(cè)試儀器Instron 5969電子萬(wàn)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(cè)試:測(cè)試儀器SCY-III型聲速取向測(cè)量?jī)x。

        長(zhǎng)絲沸水收縮率測(cè)試:測(cè)試方法為量取出具有一定長(zhǎng)度的長(zhǎng)絲,對(duì)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(cè)量長(zhǎng)絲處理之前的長(zhǎng)度,標(biāo)記為L(zhǎng)0;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(cè)量出此時(shí)長(zhǎng)絲的長(zhǎng)度,記為L(zhǎng)1,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(cè)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(duì)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(cè)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(cè)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。可見,再生聚酯沒有出現(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(duì)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(duì)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(zhǎng)率隨牽伸倍數(shù)的增大會(huì)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(zhǎng)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(shì);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(duì)纖維斷裂強(qiáng)度(a)和斷裂伸長(zhǎng)率(b)的影響

        圖5 牽伸倍數(shù)對(duì)纖維斷裂強(qiáng)度CV值(a)和斷裂伸長(zhǎng)率CV值(b)的影響

        熱輥溫度對(duì)纖維力學(xué)性能的影響見圖6,可知熱輥溫度R1對(duì)纖維的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)纖維斷裂強(qiáng)度(a)和斷裂伸長(zhǎng)率(b)的影響

        圖7 熱輥溫度R1對(duì)纖維斷裂強(qiáng)度CV值(a)和斷裂伸長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(huì)改變太多。

        圖8 牽伸倍數(shù)(a)和熱輥溫度R1(b)對(duì)纖維取向度的影響

        2.2.3長(zhǎng)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(zhǎng)絲的沸水收縮率也會(huì)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(huì)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(duì)長(zhǎng)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(duì)長(zhǎng)絲沸水收縮率的影響

        3 結(jié)語(yǔ)

        文章主要對(duì)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(cè)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(huì)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(zhǎng)率、斷裂伸長(zhǎng)CV值均會(huì)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(zhǎng)變異系數(shù),隨前熱輥溫度的升高而降低。

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