耐高溫聚醚砜熔融紡絲的可紡性研究

孫西超，張曉忠，許志強，詹瑩韜，占海華*

(1.紹興文理學院 紡織服裝學院，浙江 紹興 312000；2.紹興文理學院 浙江省清潔染整技術研究重點實驗室，浙江 紹興 312000；3.凱泰特種纖維科技有限公司，浙江 紹興 312000)

耐高溫聚醚砜熔融紡絲的可紡性研究

孫西超1,2，張曉忠1，許志強3，詹瑩韜3，占海華1,2*

(1.紹興文理學院 紡織服裝學院，浙江 紹興 312000；2.紹興文理學院 浙江省清潔染整技術研究重點實驗室，浙江 紹興 312000；3.凱泰特種纖維科技有限公司，浙江 紹興 312000)

采用熔融紡絲法制備耐高溫聚醚砜(PES)纖維，對PES切片的熱性能、流變性能以及可紡性進行了研究，并對PES初生纖維的力學性能和表面形貌進行了表征。結果表明：PES具有良好的熱穩定性能和較寬的加工溫度范圍，其起始熱裂解溫度為530.8 ℃，適宜熔融紡絲；PES熔體是一種典型的剪切變稀型流體，對剪切速率和溫度變化較為敏感；紡絲工藝對PES的可紡性影響顯著，PES在100 ℃干燥6 h，螺桿三區溫度分別為330，340，345 ℃，噴絲板溫度345 ℃，噴絲板壓力約2.4 MPa，卷繞速度170 m/min的條件下，PES初生纖維的綜合性能優異、纖維粗細均勻、表面光滑。

聚醚砜纖維 熔融紡絲 熱性能 流變性能 可紡性

近年來，隨著現代工業的快速發展，高溫含塵廢熱煙氣對生態環境和人類健康不利，因此具有特殊用途的耐高溫材料的研究成為國內外學者研究的熱點[1-3]。聚醚砜(PES)是一種耐熱性能較好的熱塑性材料[4]，其分子結構中芳香環不易被氧化、硫原子處于最高氧化態以及分子鏈中含氫量低[5]，因此具有優良的耐熱性、尺寸穩定性、耐腐蝕、抗蠕變以及電絕緣性等一系列優異的性能，特別是在高溫下連續使用和溫度急劇變化的環境中仍能保持性能穩定的突出優點。PES作為膜材料[1]和增強材料[2,4]已廣泛應用到航空、航天、信息、能源、石油化工和家電等領域[1,5]，然而有關PES纖維的報道鮮有述及。

目前，溶液紡絲法和靜電紡絲法是制備PES纖維的主要方法[6]，但熔融紡絲法成纖性能優異、用途廣泛，且具有其獨特的生產工藝特征，因此PES的熔融紡絲研究備受國內外學者關注[3,6]。張志陽等[3]用國產PES切片為原料，添加不同的增塑劑，在不同的實驗條件下進行熔融法紡絲實驗，但連續可紡性較差；張淑梅[7]采用進口PES切片(牌號為E-1010)制得線密度為0.69 tex的PES單絲，但單絲的力學性能不穩定。基于前期對PES切片的結構與性能研究，作者對PES切片的熱穩定性能、流變性能以及熔融紡絲工藝條件進行了研究，并對PES初生纖維的性能給予了初步評價，以期為熔融法制備PES纖維尤其是PES長絲提供參考。

1 實驗

1.1 原料與主要設備

1.1.1 原料

PES切片：牌號E2010，密度1.37 g/cm3，熔化體積流率每10 min為70 cm3(360 ℃，10 kg)，熱形變溫度205 ℃(壓力1.8 MPa，未退火)，德國巴斯夫公司生產。

1.1.2 主要設備

TG/DTA6300型同步熱分析儀：日本精工儀器有限公司制；DSC1型差示掃描量熱儀：瑞士梅特勒-托利多公司制；Polylab QC型轉矩流變儀：單螺桿擠出系統，螺桿直徑19.05 mm，長徑比(L/D)為25，德國哈克公司制；Xplore型卷繞機：卷繞速度1～200m/min，荷蘭DSM公司制；YZG/FZG型真空干燥機：常州普耐爾干燥設備有限公司制；3365型萬能材料試驗機：美國英斯特朗公司制；SNG-3000 型掃描電子顯微鏡：韓國賽可有限公司制。

1.2 PES切片干燥

將PES切片置于真空干燥機中分別在100，130，160 ℃進行干燥，使其達到較低的含水率。

1.3 PES流變性能實驗

1.4 PES初生纖維的制備

采用卷繞機，配合轉矩流變儀進行紡絲，紡絲溫度和卷繞速度根據實際可紡性情況進行調節。

1.5 分析與測試

熱性能：(1)采用同步熱分析儀進行熱重(TG)分析和差熱分析(DTA)。稱取5～8 mg PES，在N2保護下，升溫速率為20 ℃，溫度為30～700 ℃；(2)采用差示掃描量熱(DSC)儀進行性能測試。稱取5～8 mg PES，升溫速率和降溫速率均為10 ℃/min，在N2的保護下，從30 ℃升溫至300 ℃，保溫5 min，以消除熱歷史，然后降至30 ℃，再升溫至300 ℃，記錄升溫曲線與數據。

力學性能：按照GB/T 14344—2008《化學纖維 長絲拉伸性能試驗方法》，采用萬能材料試驗機測試。

表面形貌：利用掃描電子顯微鏡觀察PES初生纖維的形貌。

2 結果與討論

2.1 PES的熱性能

由圖1可以看出，PES的起始熱分解溫度為530.8 ℃，到650 ℃時，PES基本裂解完畢，說明PES是一種熱穩定性良好的材料。坩堝中仍殘留部分黑色物質，這是由于PES含碳量較大所致，這與文獻[8]研究結果一致。

圖1 PES切片的TG及DTA曲線Fig.1 TG and DTA curves of PES chip1—TG；2—DTA

從圖2和圖1的DTA曲線可看出，PES均只有一個很小的峰，是PES由玻璃態到高彈態的過程，即PES玻璃化轉變松弛過程；DSC法測試PES玻璃化轉變溫度為229.2 ℃，DTA法測試PES的玻璃化轉變溫度為250 ℃，滯后20.8 ℃，這是因為PES的分子鏈段的運動受到其剛性分子結構[4]限制，鏈段在較低溫度下不易運動，因此PES具有較高的玻璃化轉變溫度。DTA曲線和DSC曲線中均沒有熔融峰，表明PES是一種無定形分子結構，與文獻[9]的結果一致。因此，PES具有良好的熱穩定性和較寬的加工溫度范圍。

圖2 PES切片的DSC曲線Fig.2 DSC curves of PES chip

2.2 流變性能

圖3 不同噴絲板溫度下PES熔體的ηa與的關系Fig.3 Plots of ηaandof PES melt at different spinneret temperature●—340 ℃；■—345 ℃；▲—350 ℃

2.3 干燥對PES可紡性的影響

PES分子結構中含有親水性醚基，未經干燥的PES在熔融紡絲過程中極易發生水解和熱氧化裂解，導致平均相對分子質量下降，纖維中出現氣泡，進而造成紡絲斷頭，使紡絲無法正常進行，影響PES纖維的力學性能，而且含水率較高的PES進入螺桿后擠壓易造成環節阻料[10]。故熔融紡絲前須對PES切片進行干燥。從表1可見：PES不經干燥及干燥溫度為100 ℃且干燥時間小于6 h時，均無法正常紡絲；當干燥溫度分別為100，130，160 ℃時，切片干燥時間分別為6，4.5，3 h，此時切片可連續紡絲。采用較低的干燥溫度，延長干燥時間，也能除去切片中水分，并達到良好的可紡性。因此，在實際生產過程中，為減少因溫度高而使PES大分子鏈斷裂降解的現象，在設備干燥能力允許的條件下，可以采用低溫長時間的干燥工藝，即干燥溫度為100 ℃時干燥6 h。

表1 不同干燥條件下PES切片的可紡性

注：紡絲可紡性指連續紡絲0.5 h以上。

2.4 紡絲溫度對PES可紡性的影響

從表2可知，在不同的紡絲溫度下，PES的可紡性不同，當螺桿三區溫度分別為330，340，345 ℃，噴絲板溫度為345 ℃，噴絲板壓力約為2.4 MPa時，PES可紡性良好。結合流變性能結果可知，PES是一種典型的假塑性流體，加工時提高切變速率和溫度會使PES熔體的黏度下降，即溫度過高，PES熔體黏度下降較大，會導致PES熔體強度急劇減小，紡絲過程中產生毛絲和斷頭；PES大分子中存在大量的醚鍵，具有較低的內旋轉位能，鏈段間相互纏結嚴重，即PES熔體的黏度較高，溫度過低不適宜紡絲，與文獻[3]結果一致。

表2 紡絲溫度與PES可紡性的關系

注：切片在100 ℃下干燥6 h，螺桿轉速60 r/min，卷繞速度50 m/min。

2.5 卷繞速度對PES可紡性的影響

從表3可見，隨著卷繞速度的提高，PES初生纖維的斷裂強度增加，斷裂伸長率下降，當卷繞速度超過170 m/min時，可紡性變差。這是因為卷繞速度的增加，有利于初生纖維中大分子鏈取向，改善PES纖維的斷裂強度，降低其斷裂伸長率。當卷繞速度過快時，熔體的不穩定性加劇，導致初生纖維表面粗糙、畸變，易發生斷裂，使紡絲無法正常進行。綜上所述，卷繞速度為170 m/min時，PES具有良好的可紡性和力學性能。

表3 卷繞速度對PES可紡性的影響

注：切片在100 ℃下干燥6 h，螺桿轉速60 r/min，紡絲溫度為螺桿三區溫度分別為330，340，345 ℃，噴絲板溫度345 ℃。

2.6 PES初生纖維的表面形貌

由圖4可知，PES初生纖維線密度較大，其表面整體較為光滑，粗細均勻，在一定的溫度范圍內，隨著噴絲板溫度的提高，纖維的線密度有所減小，這是是因為隨著噴絲板溫度的增加，PES大分子鏈容易取向使纖維結構更緊密所致。

圖4 不同噴絲板溫度下PES初生纖維的表面形貌Fig.4 Surface morphology of as-spun PES fiber at different spinneret temperature

3 結論

a. PES的起始熱分解溫度為530.8 ℃，遠大于其玻璃化轉變溫度，同時PES熔體在高溫條件下具有良好的流動性，表明PES具有良好的耐熱性能和較寬的加工溫度范圍，適合熔融紡絲。

c. 紡絲工藝對PES的可紡性影響較大。在設備干燥能力允許的條件下，可以采用低溫長時間的干燥工藝，即干燥溫度為100 ℃時干燥6h；螺桿三區溫度分別為330，340，345 ℃，噴絲板溫度345 ℃，噴絲板壓力約2.4MPa，卷繞速度170m/min時，PES初生纖維的斷裂強度最大，連續可紡性良好，初生纖維的粗細均勻、表面光滑。

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Study on spinnability of high temperature resistant polyether sulfone during melt spinning

Sun Xichao1,2, Zhang Xiaozhong1, Xu Zhiqiang3, Zhan Yingtao3, Zhan Haihua1,2

(1.CollegeofTextileGarment,ShaoxingUniversity,Shaoxing312000; 2.KeyLaboratoryofCleanDyeingandFinishingTechnologyofZhejiangProvince,Shaoxing312000; 3.CTAHigh-techFiberCo.,Ltd,Shaoxing312000)

A high temperature resistant polyether sulfone (PES) fiber was prepared by melt spinning process. The thermal property, rheological behavior and spinnability of PES chip were studied. The mechanical properties and surface morphology of as-spun PES fiber were characterized. The results showed that PES was suitable for melt spinning process due to the fairly good thermal stability with the initial thermal decomposition temperature of 530.8 ℃ and wide processing temperature range; PES melt was a typical shear thinning fluid, so it was sensitive to shearing rate and temperature; the spinning process conditions gave a profound effect on the spinnability of PES; and the as-spun PES fiber could be produced with excellent comprehensive properties, uniform thickness and smooth surface under the conditions as followed: drying at 100 ℃ for 6 h, screw temperature 330, 340 and 345 ℃, spinneret temperature 345 ℃ and pressure 2.4 MPa, winding speed 170 m/min.

polyether sulfone fiber; melt spinning; thermal property; rheological behavior; spinnability

2016- 09- 02； 修改稿收到日期：2016-12-25。

孫西超(1988—)，男，碩士，主要研究方向為紡織材料的結構與性能研究及其新產品設計與開發。E-mail：568900570@qq.com。

浙江省重大科技專項重大工業項目(2014C01029);紹興市科技計劃項目(2015B70010)。

TQ342+.7

A

1001- 0041(2017)01- 0017- 04

* 通訊聯系人。E-mail：zhh21080@163.com。