PET的特性黏數對其扁絲力學性能的影響

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任公司，江蘇 儀征 211900)

目前，國內外使用的扁絲絕大多數是以聚丙烯(PP)為原料進行生產，然后編織成相應編織物如編織袋、地毯基布等應用于包裝、地毯及土工布工程材料領域。市場上常規PP扁絲的規格及性能為寬度1～3 mm、厚度30～50 μm、拉伸強度大于等于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本身結構的特點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械強度尤其是抗沖擊強度大幅降低，影響包裝效果；PP熔點較低(164～170 ℃)，無法滿足某些后道應用領域高溫加工的要求[2-4]。

聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)的力學性能、耐高低溫性能、耐候性能等均比PP好，在扁絲方面的應用具有很高的發展潛力。目前，在利用PET瓶片制備高性能扁絲方面，全球領先的技術及設備廠家主要有德國Reimotec公司、意大利Simar公司、奧地利Starlinger公司和Erama公司[5-6]，而國內對于PET在扁絲領域應用相關的配套設備及技術的研究較少，雖然有一些專利報道，但市場上尚未有PET扁絲產品[7-9]。

在工藝確定的情況下，原料PET的特性黏數([η])、是否含有添加劑、添加劑種類、添加劑添加量等均會影響最終產品PET扁絲的機械性能。PET的[η]是影響產品性能的一個重要指標，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性能差異很大。作者采用20 L聚合反應釜、鑄片擠出設備、裂膜裝置、靜態拉伸機等小型實驗設備制備了不同[η]的PET及其扁絲，系統研究了PET的[η]對其扁絲主要性能的影響規律，以期對未來PET在扁絲領域的應用提供指導。

1 實驗

1.1 原料

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

1.2 設備與儀器

20 L聚合反應釜：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：泰國Labtech Engineering公司制；QL-HFJ-230型塑料編織袋扁絲卷繞機：江陰群力塑料機械有限公司制；KARO IV型拉伸機：德國Brueckner公司制；CMT4104型電子萬能材料試驗機：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聚合釜內進行加壓酯化和縮聚反應。酯化過程以酯化水開始餾出時間作為酯化反應的零點，在酯化溫度240～260 ℃，壓力0.2～0.3 MPa條件下進行酯化反應，待出水量達到理論出水量95%以上時結束酯化；再升溫進行預縮聚反應，升溫45 min后反應釜內溫升到280 ℃左右，真空度達到100 Pa以內，此時作為縮聚反應的零點；在280～283℃ 進行縮聚反應，當攪拌電流達到設定值時出料，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

參照目前工業上成熟的扁絲制備流程(見圖1)，在實驗室內通過間歇性試驗設備模擬扁絲制備路線，分段進行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，分切后的胚絲經塑料編織袋扁絲卷繞機收卷，最后通過靜態縱向拉伸機將收卷的胚絲經一定的拉伸倍數拉伸制得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主要工藝參數：螺桿各區溫度分別為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：裂膜刀片長為50 mm，寬為15 mm，刀片材質為鎢鋼，刀片間隙為50 mm，刀片與鑄片的角度為45°。

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

1.5 測試與表征

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

拉伸性能：將樣條在萬能材料試驗機上按GB/T 1040.1—2018《塑料 拉伸性能的測定》進行測試，測試5根樣條，結果取其平均值。

屈服性能：選定拉伸倍數為5時，測試PET扁絲的應力-應變曲線，得到其屈服應力、屈服強度、屈服伸長率及最大拉力。

2 結果與討論

2.1 拉伸性能

由圖2、圖3可以看出，拉伸倍數越高，PET扁絲的拉伸強度越高、斷裂伸長率越低，主要是拉伸倍數影響了材料的取向度所致，結果與文獻[1，10-11]報道一致。

圖2 不同拉伸倍數下[η]對PET扁絲拉伸強度的影響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：相同拉伸倍數時，隨著[η]的升高，PET扁絲的拉伸強度逐漸升高，斷裂伸長率逐漸降低；高拉伸倍數時，[η]對PET扁絲的拉伸強度影響越明顯，隨著拉伸倍數及[η]的逐漸增大，PET扁絲的拉伸強度增幅越大，而斷裂伸長率正好相反，即低拉伸倍數時[η]對PET扁絲斷裂伸長率的影響較大，而高拉伸倍數時[η]對斷裂伸長率的影響較小。

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

從圖4可知：相同拉伸倍數時，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[η]超過0.714 dL/g時增加的幅度更明顯，說明[η]升高后，使材料發生彈性變形需要的應力也同樣增大；在拉伸倍數小于等于6倍時，隨著拉伸倍數的增大，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，但當拉伸倍數為7時，彈性模量未見明顯增加。

圖4 不同拉伸倍數下[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

以拉伸強度、斷裂伸長率為縱坐標，以拉伸倍數為橫坐標，分別做拉伸強度(y1)-拉伸倍數(x)，斷裂伸長率(y2)-拉伸倍數(x)曲線，然后對曲線進行擬合，即得1#，2#，3#，4#試樣的PET扁絲的拉伸強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扁絲拉伸強度大于等于350 MPa、斷裂伸長率大于等于20%作為標準，根據擬合方程(1)～(4)，經計算可得出不同[η]的PET扁絲要達到拉伸強度400 MPa或斷裂伸長率25%時的拉伸倍數，結果如圖5所示。

圖5 一定拉伸強度和斷裂伸長率下PET扁絲的拉伸倍數與[η]的關系曲線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扁絲拉伸強度達到400 MPa時拉伸倍數逐漸減小，斷裂伸長率達到25%時拉伸倍數先增大后減小。

工業化生產時，一般均希望在較低的拉伸倍數下得到滿足要求的性能指標，且不希望原料的[η]過高，因為原料的[η]升高后，不同鏈段發生位移互相抵消的機會越多，分子鏈重心移動越慢，要完成流動過程就需要更長的時間和更多的能量[1]。根據以上原則，并綜合圖2、圖3、圖5所示曲線，可以得出相對較優的[η]-拉伸倍數組合為PET [η]0.71 dL/g左右、拉伸倍數5～6。

2.2 屈服性能

在固定拉伸倍數為5時，根據PET扁絲拉伸時的應力-應變曲線可得到不同[η]時PET扁絲的屈服應力、屈服強度、屈服伸長率、最大拉力等參數，見表2。

表2 不同[η]時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，相應的纏結點也增多，要使鏈段取向所需要的拉力也相應增大[12]；PET扁絲的屈服應力、屈服強度、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，屈服強度和屈服伸長率升高幅度較小，[η]高于0.714 dL/g時，屈服強度和屈服伸長率升高幅度明顯增大。這說明[η]升高雖然對產品的強度指標有幫助，但對后加工帶來的不利影響也增大，所以選擇PET的[η]時需要兼顧后加工過程。

3 結論

a. 相同拉伸倍數時，隨著[η]的升高，PET扁絲的拉伸強度逐漸升高，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[η]超過0.714 dL/g時增加的幅度更明顯。

b. 在 PET扁絲拉伸強度達到400 MPa時，隨著[η]的升高，拉伸倍數逐漸減小；斷裂伸長率達到25%時，隨著[η]的升高，拉伸倍數先增大后減小。

c. 相同拉伸倍數時，PET扁絲的屈服應力、屈服強度、屈服伸長率基本隨著[η]的升高呈逐漸增大趨勢，且當[η]超過0.714 dL/g時升高幅度明顯增大。

d. 實驗范圍內，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5～6較為合適。