PET/PTT復合纖維的卷曲性能與形態結構

郭 靜, 鄭 楠, 張 欣, 李 曉 萌

( 大連工業大學 化工與材料學院, 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

三維卷曲纖維的誕生源于人們對羊毛纖維卷曲特性的認識,Dupont公司早于上世紀60年代就率先進行了自卷曲丙綸的研究工作,瑞士也于1996年在我國申請了雙組分自卷曲纖維的制造專利[1]。

PET/PTT復合纖維就是由PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯Polyethylene terephthalate)、PTT (聚對苯二甲酸丙二醇酯Polytrimethylene terephthalate )兩種高聚物并列復合紡絲而成。PTT和PET兩種高聚物在相同的機械加工和熱處理后產生不同的收縮量,從而繞纖維軸產生螺旋狀彎曲,使纖維縱向呈現三維螺旋狀卷曲,這種卷曲的永久蓬松性、彈性、覆蓋性能等是其他機械加工方法得到的卷曲無法比擬的[2]。本文研究了濕熱處理對PET/PTT復合纖維卷曲性能和卷曲穩定性的影響,并對PET/PTT復合纖維的形態結構進行了觀察。

1 實 驗

1.1 原 料

PET/PTT復合纖維樣品規格及來源見表1。

表1 PET/PTT復合纖維樣品規格及來源

1.2 卷曲性能測試

1.2.1 測試前處理條件

本次實驗采用的絲束分為兩種:絞絲和單絲。絞絲纏繞標準為總線密度在2 500 dtex左右,采用100 ℃的沸水熱處理30 min；單絲絲束長度為50 cm左右,采用100 ℃的熱水處理30 min。處理完畢后,絲束在溫度為20 ℃、濕度為65%的環境中平衡24 h進行測試。

1.2.2 卷縮性能測試

采用GB 6506—2001《合成纖維變形絲卷縮性能試驗方法》[3]對絲束進行測試。

固定絞絲一端,另一端加載0.2 cN/dtex的負荷,持續10 s后,測量絞絲長度lg；改變負荷,使絞絲承受0.001 cN/dtex的張力,持續10 min后,測量絞絲長度lz；改變負荷,使絞絲承受0.01 cN/dtex的張力,持續10 s后,測量絞絲長度lf；改變負荷,使絞絲承受1.0 cN/dtex的張力,持續10 s后,將絞絲所承受的負荷減至0.001 cN/dtex,再持續20 min,測量絞絲的長度lb。

卷曲收縮率(CC)、卷曲模量(CM)、卷曲穩定度(CS)分別按式(1)、(2)、(3)計算:

CC=(lg-lz)/lg

(1)

CM=(lg-lf)/lg

(2)

CS=(lg-lb)/(lg-lz)

(3)

1.2.3 卷縮伸長率和卷縮彈性回復率測試

從每個已經剝去表層絲的卷裝絲上分別剪取長度約50 cm的試樣兩根,放入100 ℃熱水中處理30 min,取出后進行自然干燥。截取每根約30 cm長的試樣,一端固定,另一端加載0.001 8 cN/dtex的負荷,持續30 s,在20 cm處作標記,即為試樣的初始長度l1。改變負荷為0.09 cN/dtex的負荷,持續30 s,測量標記點的位置,即為試樣加重負荷時的長度l2。去掉重負荷,試樣無負荷回縮2 min后再加0.001 8 cN/dtex的負荷,持續30 s,測量標記點在標尺上的位置,即為回復長度l3。

緊縮伸長率(CE)、彈性回復率(SR)按式(4)、(5)計算:

CE=(l2-l1)/l1

(4)

SR=(l2-l3)/(l2-l1)

(5)

1.3 力學性能測試

采用電子單紗強力儀(LLY-06,萊州市電子儀器有限公司)夾具上,在20 mm/min的拉伸速度和溫度為25 ℃、濕度為65%的條件下,對復合纖維力學性能進行測試。

1.4 表面形態及纖維斷面測試

表面形態用光學顯微鏡(中國永豐機電技術公司的XPB-01型偏光顯微鏡)觀察。

斷面形態用JSM-6460LV型掃描電子顯微鏡(日本電子株式社會提供)觀察,先將纖維置于液氮中冷卻,取出后立即用刀片切斷,觀察斷面形態。

2 結果與討論

2.1 PET/PTT復合纖維卷縮性能

2.1.1 線密度對PET/PTT復合纖維的卷縮性能的影響

由圖1可見,卷曲收縮率、卷曲模量、緊縮伸長率和卷曲穩定度均隨著線密度的增大,在130 dtex附近達到最大值后逐漸降低。產生這種情況的原因在于:當線密度較小時,單根纖維的直徑較小,兩組分由于收縮率差異而產生的卷曲應力相對也較小,因此卷曲收縮率和卷曲模量也較小；而由于卷曲應力較小,在受到外力作用時,應力消除較多,因此卷曲穩定度也較小。隨著線密度的增加,卷曲應力也相應增大,因此四者均呈現上升趨勢。當線密度增大到一定程度,由于單根纖維的直徑增大或者單纖維數量增加,卷曲應力不足以使纖維的卷曲達到最大值,因此在130 dtex后,卷曲收縮率、卷曲模量、緊縮伸長率和卷曲穩定度隨著線密度的增加而降低。

圖1 復合纖維卷縮性能隨線密度的變化

2.1.2 色母粒對PET/PTT復合纖維卷縮性能的影響

由表2可見,未添加色母粒的復合纖維卷曲收縮率、卷曲模量和彈性恢復率均高于色母粒染色纖維,而卷曲穩定度和緊縮伸長率則低于色母粒染色纖維。這是由于:(1)在進行濕熱處理時,由于未染色纖維解取向程度相對于色母粒染色纖維高,纖維中兩組分收縮產生的卷曲應力相對較大,纖維的卷曲程度也較高;(2)由于色母粒中含有小分子染料,從而擴大了纖維中大分子鏈間距,使得大分子的運動較為容易,在受到外力時更容易沿外力方向上取向。

表2 色母粒對復合纖維卷縮性能的影響

2.1.3 成型工藝路線對PET/PTT復合纖維卷縮性能的影響

由表3可見,POY-DT(后拉伸工藝)工藝得到的復合纖維的卷曲收縮率、卷曲模量、緊縮伸長率、卷曲穩定度均高于FDY(全拉伸工藝)工藝得到的纖維,而POY-DT工藝得到的復合纖維的彈性恢復率則低于FDY纖維。這是因為由于工藝路線的不同,由于FDY工藝的特性,絲束在受到外力作用時應力被熱消除,因此由于收縮率差異而產生的卷曲應力較POY-DT工藝得到的纖維小,因此卷曲收縮率、卷曲模量、緊縮伸長率、卷曲穩定度均較低。而FDY工藝纖維彈性恢復率較大的原因則是由于纖維在受到外力后,又產生了一定程度的取向和解取向過程,從而產生了一部分卷曲應力的緣故。

表3 工藝路線對復合纖維卷縮性能的影響(線密度:83.3 dtex)

2.2 PET/PTT復合纖維的力學性能

由表4可看出,POY-DT工藝得到的復合纖維斷裂強度高于FDY工藝得到的纖維,而斷裂伸長則低于FDY纖維。這是因為:FDY的拉伸過程是在紡絲線上直接拉伸,拉伸過程中只有熱輥加熱,而POY-DT纖維是由POY(預取向絲)后拉伸得到的,在拉伸過程中,經過熱輥和熱盤/熱箱加熱,因而由POY-DT工藝得到的復合纖維的結晶度和取向度均高于FDY纖維,從而斷裂強度高且斷裂伸長低。

表4 PET/PTT復合纖維力學性能

另外,對比有色和本色纖維,有色纖維的斷裂強度低于本色纖維,斷裂伸長稍高于本色纖維。這是由于染料為小分子物質,起到了一定的增塑效果,因此有色纖維的斷裂伸長稍高于本色纖維。

2.3 纖維的形態結構

由表5可見,經過濕熱處理后的復合纖維的卷縮半徑明顯減小,卷縮性能得到提升,從而蓬松性和彈性提高[4]。

表5 復合纖維的軸向形態結構

Tab.5 The axial morpho structure of PET/PTT conjugated yarn

由圖2可見,由于分子結構的差異,組成復合纖維的PET和PTT組分在絲條成型時,兩組分的孔口長大效應不一致而導致復合纖維的斷面并不呈圓形,而是一頭大一頭小的“梨形”且相對于圓形斷面,“梨形”斷面的長寬比較大,慣性矩較大,有利于形成較大的卷曲曲率[5],而牢固的界面結合力則使絲條的卷曲能永久存在。

圖2 復合纖維斷面SEM照片

3 結 論

(1)PET/PTT復合纖維的卷曲性能隨著線密度的增加而升高,在130 dtex附近達到峰值后逐漸下降。

(2)色母粒的加入對纖維中大分子的躍遷有一定影響,使得未添加色母粒的復合纖維卷曲收縮率、卷曲模量和彈性恢復率均高于色母粒染色

纖維,而卷曲穩定度和緊縮伸長率則低于色母粒染色纖維。

(3)POY-DT工藝得到的復合纖維的卷曲收縮率、卷曲模量、緊縮伸長率、卷曲穩定度均高于FDY工藝得到的纖維,而POY-DT工藝得到的復合纖維的彈性恢復率則低于FDY纖維；且POY-DT工藝得到的復合纖維斷裂強度高于FDY工藝得到的纖維,而斷裂伸長則低于FDY纖維。

(4)經過濕熱處理后的復合纖維的卷縮半徑明顯減小,卷縮性能得到提升。

[1] 沈新元,吳向東.高分子材料加工原理[M].北京:中國紡織出版社, 2000:265,276,278,285

[2] RWEO S P, LIN Y T, SU Y Y. Study of self-crimp polyester fibers[J]. Polymer Engineering and Science, 2005, 45(6) :838-845.

[3] 中華人民共和國國家標準GB/T 6506-2001. 合成纖維變形絲卷縮性能試驗方法[S]. (2001-05-23)[2010-9-21]. http://www.doc88.com/p-79459339537. html.

[4] 羅錦,徐廣標,王府梅. 濕熱處理對PTT/PET自卷曲纖維卷曲性能的影響[J]. 國際紡織導報, 2008(11):31-34.

[5] 王江水,羅錦,王府梅. PTT/PET并列復合纖維的自卷曲形態[J]. 東華大學學報:自然科學版, 2009, 35(4):401-405.