聚偏氟乙烯纖維的制備與表征

杜軻媛 高 強 唐 虹 張成蛟

（南通大學，江蘇南通，226019）

聚偏氟乙烯（以下簡稱PVDF）是一種重復單元為（CF2CH2）的半結晶性高分子聚合物，分子量約在105級［1］，在不同的加工條件下，可以得到5種不同的晶型，其中β型是作為壓電材料使用時的主要晶型。而PVDF又具有優異的防紫外線和耐老化性能，且成本低，具有很好的加工性［2-3］。在前期研究中常被制成薄膜式傳感器并廣泛應用于新能源、電子電氣、生物醫藥、土木機械和航空航天等領域，但因為使用次數有限，傳感效率低下，其發展受到了一定的限制。在紡織服裝領域，研究者常使用靜電紡絲、熔融紡絲等紡絲技術進行紡絲，并添加石墨烯、碳納米管等可以導電的材料改進其電學性能，再通過“三明治”結構、3D立體編織等手段，制成既具有紡織材料的柔性又有良好的電學性能的傳感器，為智能紡織品的發展提供了新的思路。邊義祥等人采用自制的拉伸設備，制備了PVDF單纖維，并在纖維表面涂覆導電層，設計制備了含金屬芯PVDF的壓電纖維［4］。GLAU?B等人研究了含有碳納米管（CNTs）和硬脂酸鈉（NaSt）的導電芯層聚丙烯和壓電皮層PVDF的雙組分纖維的熔融紡絲技術，制備出的雙組分纖維可以應用于傳感器［5］。TALBOURDET A等人首次開發出100%PVDF編織織物，研究發現當牽伸溫度為90℃時，β相晶型達到了97%，此時編織材料的極化場可達6 kV左右，最大輸出電壓為2.3 V［6］。本研究就PVDF纖維加工工藝作以探討。

1 試驗部分

1.1 材料及儀器

PVDF1006（法國蘇威公司），熔融流動指數30 g/10 min（230℃，2.16 kg）。

JCJ-PVDF型熔融紡絲機（南通新帝克單絲科技股份有限公司）；DSC STA 449F5型同步熱分析儀（德國NETZSCH公司）；Malvern RH 7型高壓毛細管流變儀（英國馬爾文儀器有限公司）；NEXUS型傅里葉變換紅外光譜儀（德國賽默飛公司）；D/MAX3C型X射線衍射儀（日本Rigaka公司）；Instron 5969H型萬能材料試驗機（美國Instron公司）。

1.2 PVDF單絲的制備

PVDF單絲在熔融紡絲機中試生產。PVDF粒料在80℃的溫度下干燥數小時，而后冷卻到室溫。熔融區域溫度設為230℃，噴絲板由11個孔組成，孔直徑1.25 mm，在噴絲板出口處，通過冷水退火以凝固單絲。設置熱水浴溫度85℃，改變羅拉速度獲得不同牽伸倍數的單絲，最后繞在筒子上。

1.3 性能測試與表征

差示掃描量熱分析：將PVDF粒子切片，?。?0±5）mg樣 品，氮氣氣氛，流量（50±5）mL/min，以10℃/min的升溫速度從室溫升至220℃保持5 min，再按10℃/min的速度降溫到40℃，保持5 min后按10℃/min升溫到220℃。

毛細管流變儀分析：樣品測試前在80℃下真空干燥數小時，樣品的測試溫度為230℃，剪切速 率 為200 s—1，1 500 s—1，2 500 s—1，5 000 s—1，7 500 s—1，毛細管長徑比選用16∶1。

傅里葉紅外光譜分析：測量過程中將單纖維放置于金剛石晶體上，并壓緊固定。光譜分辨率0.4cm—1，掃描32次。

廣角X射線衍射分析：測試過程中選用CuKα作為射線源，波長0.154 18 nm，工作時管壓40 kV，工作電流40 mA。衍射儀在10°～60°范圍內以5°/min的掃描速率工作，記錄儀每隔0.04°測量記錄一次，從而獲取X射線衍射圖譜。

拉伸試驗機分析：采用微機控制電子萬能試驗機對PVDF長絲進行強伸性能測試，纖維夾持距離50 mm，拉伸速率500 mm/min，測量20次取平均值。

2 試驗結果與分析

2.1 熱學性能分析

2.1.1 差示掃描量熱曲線

圖1是PVDF的差示掃描量熱曲線，可以看出PVDF的熔點大約為174℃，可計算出熔融熱焓（ΔH）為62.364 J/g。對差示掃描量熱積分后根據公式計算結晶度［7］。PVDF完全結晶時的熔融熱焓為104.700 J/g。計算得出樣品的結晶度為60%。

圖1 PVDF的差示掃描量熱曲線

根據PVDF的熔點和前期小規模試驗，發現熔融溫度250℃時，材料出現輕微泛黃，熔融溫度在200℃時，材料并沒有完全熔融，因此將熔融溫度定為230℃。

2.1.2 流變性能

流變性能主要反映的是材料在外力作用下的變形和流動性質，在一定溫度下用剪切速率和黏度的log函數圖表示，根據測試結果可以改進加工工藝，從而得到品質優良的產品。通過測試，剪切速率為200 s—1、1 500 s—1、2 500 s—1、5 000 s—1、7 500 s—1時，剪切黏度分別為247.66 Pa·s、118.38 Pa·s、88.81 Pa·s、57.85 Pa·s、45.01 Pa·s。可以看出PVDF材料的黏度隨著剪切速率的增加而下降，在230℃下，PVDF為非牛頓流體，表現出典型的剪切變稀現象。當剪切速率在200 s—1～1 500 s—1時，黏度下降較快，而在1 500 s—1～7 500 s—1時，黏度下降逐漸減緩，熔體表觀的黏度對溫度的敏感度下降。高聚物剪切變稀的原因是纏結點濃度的下降，當剪切速率增加，部分纏結點被解除，纏結濃度下降導致高聚物黏度的下降，而達到一定的剪切速率時，高聚物中的纏結點大都被解除，黏度下降趨于平緩。

2.2 微觀形貌分析

圖2為光學顯微鏡下5種牽伸倍數的PVDF表面形態。從圖2可以看出，通過牽伸纖維縱向表面光滑，但當牽伸倍數較低時，纖維粗細不勻，有明顯粗節，隨著牽伸倍數的增大，纖維均勻度上升。當牽伸倍數為5.0時，纖維表面最為光滑。

圖2 PVDF纖維表面形態

2.3 PVDF纖維晶體結構分析

PVDF擁有α相、β相、γ相、δ相、ε相這5種晶型，其中α相晶型是非極化狀態的，β相晶型是可極化晶型，在5種晶型中極性最強，自發極化較大［8］。在熔融紡的冷卻降溫成形中，PVDF的晶型大部分為較為穩定的α相晶型，但是在后續的拉伸中，會產生不均勻的應力分布，能夠將α相晶型拉伸變成β相晶型。

α相晶型在紅外光譜中吸收峰的波峰為615cm—1、765cm—1、795cm—1、855cm—1、976cm—1、1 152cm—1以及1 383cm—1，β相晶型為840cm—1、1 280cm—1［9］。

通過紅外光譜圖（圖3）可以看出，牽伸從3.5倍到4.5倍的過程中，α相晶型的特征吸收峰漸漸消失，到4.5倍時，α相晶型的特征吸收峰完全消失，而牽伸從3.5倍到5.4倍的過程中，β相晶型的特征吸收峰的強度漸漸增強。

圖3 不同牽伸倍數下的傅里葉紅外光譜圖

通過X射線衍射圖譜（圖4）可以看出，牽伸為3.5倍時，出現屬于α相的（100）、（020）對應的17.8°、18.4°晶面上的衍射峰，也出現了屬于β相的（110）、（200）對應的21°、（001）對應的36.2°的衍射峰［10］。牽伸從3.5倍到5.4倍的過程中，屬于α相晶型的衍射峰逐漸消失，β相晶型的衍射峰逐漸增強，牽伸4.5倍時，α相晶型已經不明顯了，說明在紡絲過程中，牽伸和卷繞提高了纖維的取向度，α相晶型漸漸轉化成β相晶型，牽伸中應力誘導結晶形成纖維晶，且牽伸倍數越高，β相晶型含量越高。

圖4 不同牽伸倍數下的廣角X射線衍射圖

根據Debye-Scherrer［11］公式可以計算PVDF中的平均晶粒尺寸，結果見圖5。

圖5 不同牽伸倍數下的晶粒尺寸

通過圖5可以明顯看出，隨著牽伸倍數的增加，晶粒尺寸先大幅下降后趨于平緩。這是因為纖維在拉伸過程中，受到應力作用晶粒發生變形甚至破壞，較大的晶型被拉伸成了較小的晶型，α相晶型被拉伸成了β相晶型。說明高的牽伸倍數有助于獲得β相晶型的PVDF纖維。

2.4 PVDF纖維力學性能分析

PVDF纖維的強伸性能測試結果見圖6?？梢钥闯鲭S著牽伸倍數的增加，纖維斷裂強度逐漸增強。這是因為牽伸使得纖維的結晶度增加，且大分子鏈的結構單元沿分子鏈的方向重新排列組合，結晶度和取向度的提高，使得纖維的斷裂強度增強。通過測試可知，纖維的斷裂強度可以達到32.9 cN/tex。

圖6 不同牽伸倍數下的斷裂強度和斷裂伸長率

通過圖6可以看出，隨著牽伸倍數的增加，斷裂伸長率呈現先增大后減小的現象，這是因為纖維中晶體結構發生改變，分子鏈的排列更加整齊，取向度更高，但牽伸倍數繼續增加時，纖維的應力集中，纖維的韌性下降，斷裂伸長率隨之減小。較高的斷裂伸長率能夠增強其耐疲勞性，所以綜合得出牽伸為5.0倍時，纖維的力學性能較好。

3 結論

（1）根據PVDF切片熔點174℃，結晶度為60%，將熔融溫度定為230℃。隨著剪切速率的提高，熔體的黏度逐漸下降，表現出明顯的剪切變稀現象。

（2）熔融紡所得PVDF纖維表面光滑，隨著紡絲牽伸倍數的提高，纖維的均勻度也隨之提高。

（3）熔融紡絲過程中的牽伸過程促使PVDF中α相晶型轉變成β相晶型，并隨著牽伸倍數的提高，晶粒尺寸大幅下降后趨于平緩，較高的牽伸倍數更有助于β相晶型的形成。

（4）PVDF纖維隨著紡絲牽伸倍數的提高，其斷裂強度呈現增大的趨勢，可達到32.9 cN/tex，而斷裂伸長率呈現先增大后減小的趨勢。當牽伸為5.0倍時，纖維的力學性能較好。