SiO2含量對PET扁絲力學性能的影響

王玉合，戴鈞明，李喜亮，王樹霞

(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，然而PP扁絲編織物耐候性差、易氧化，在存放過程中機械強度大幅降低，影響包裝效果。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，目前主要應用于紡織行業，若能夠開發PET扁絲塑編產品，將拓展PET的應用領域。國內對于PET扁絲的相關研究較少，市場上尚未見真正的PET扁絲產品[1-3]。

為改善扁絲的后加工性能、提升扁絲的機械強度等，通常在扁絲制備過程中加入一種或多種添加劑進行改性。目前，工業化生產的常規PP扁絲的規格及性能如下：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%[4]。為了改善PP扁絲的后加工性能，一般是在其制備過程中添加一定量的碳酸鈣(CaCO3)，而其他添加劑的應用較少。

無機添加劑二氧化硅(SiO2)在PP扁絲行業應用較少，但在PET薄膜行業卻應用廣泛，是一種常用的開口劑。因此，作者在前期PET特性黏數對扁絲力學性能的影響[5]研究基礎上，嘗試采用無機添加劑SiO2應用于PET扁絲的改性；通過制備不同SiO2含量的PET及其扁絲，測試扁絲的主要物理機械性能如斷裂強度、斷裂伸長率及屈服性能指標，系統研究SiO2含量對PET扁絲力學性能的相關影響及影響規律，以期進一步對未來PET在扁絲領域的應用提供指導。

1 實驗

1.1 原料

精對苯二甲酸(PTA)：中國石化儀征化纖有限責任公司產；乙二醇(EG)：中國石化揚子石化有限責任公司產；催化劑(乙二醇銻)：江蘇大康實業有限公司產；SiO2：常規物性指標見表1，日本富士鈦公司產。

表1 SiO2常規物性指標Tab.1 Conventional physical properties of SiO2

2)標準值均按照Q/SH 0074—2007測試。

1.2 主要設備及儀器

LMCR-300型多層共擠冷輥流延膜擠出機：泰國Labtech Engineering公司制；KARO IV型靜態拉伸機：德國Brueckner公司制；Y501型相對黏度儀：美國Viscotek公司制；7890B型氣相色譜儀：英國Agilent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SiO2含量PET的制備

按照常規PET聚合工藝在20 L聚合釜上制備不同SiO2含量的PET試樣[5]，其中SiO2質量分數為0、0.3%、1.0%、1.5%的PET試樣分別標記為PET-1、PET-2、PET-3、PET-4，各試樣的常規性能見表2。

表2 PET試樣的常規性能Tab.2 Conventional properties of PET samples

1.4 PET扁絲的制備

通過間歇法制備PET扁絲，具體方法及工藝條件參見文獻[5]：將不同SiO2含量的PET試樣烘干后，通過多層共擠冷輥流延膜擠出機制備流延鑄片，經裂膜裝置后，用卷繞機將分切好的胚絲收卷，然后通過靜態拉伸機將收卷的胚絲在不同拉伸倍數(4.0～7.0)下進行拉伸制備PET扁絲，在一定拉伸倍數下由PET-1、PET-2、PET-3、PET-4試樣得到的不同SiO2含量PET扁絲試樣分別標記為1#，2#，3#，4#。

1.5 分析與測試

常規性能：按GB/T 14190—2017《纖維級聚酯(PET)切片試驗方法》測試PET試樣的常規性能。

拉伸性能：將PET扁絲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個樣，結果取其平均值。

屈服性能：由靜態拉伸機拉伸時所得PET扁絲的應力-應變曲線獲得。

2 結果與討論

2.1 不同SiO2含量PET扁絲的拉伸性能

從圖1可知，隨著拉伸倍數的提高，不同SiO2含量PET扁絲的拉伸強度均呈逐漸增大趨勢，而斷裂伸長率均呈逐漸降低趨勢，即添加劑SiO2對PET扁絲的拉伸倍數與強伸性能之間對應關系的變化規律不產生影響[6-7]。

圖1 不同SiO2含量PET扁絲拉伸強度及斷裂伸長率隨拉伸倍數的變化Fig.1 Dependence of tensile strength and elongation at break of PET flat filaments with different SiO2 content on draw ratio

從圖2可知：在相同拉伸倍數下，本實驗范圍內隨著SiO2含量的增加，PET扁絲的拉伸強度呈先增大后減小的趨勢，在SiO2質量分數為0.3%時出現最大值；而斷裂伸長率呈先減小后增大的趨勢，在SiO2質量分數為0.3%時出現最小值。

圖2 5.0倍拉伸時SiO2含量對PET扁絲拉伸強度和斷裂伸長率的影響Fig.2 Effect of SiO2 content on tensile strength and elongation at break of PET flat filament at a draw ratio of 5.0

上述現象可能是由于當SiO2質量分數低于0.3%時，添加的SiO2與PET大分子鏈之間的物理化學作用對強度的增加主要起正作用，在拉力的作用下，二者之間較好的黏合使得模量較高的無機粒子與PET大分子鏈一起移動變形，從而使其強度升高；但當SiO2質量分數超過0.3%以后，過多的SiO2無機粒子對PET大分子主鏈之間相互作用的阻礙作用反而占了主導地位，進而影響了到了產品的強度[8]。

進一步對圖1曲線進行線性擬合，可得到不同SiO2含量PET扁絲的拉伸強度、斷裂伸長率的擬合方程，1#,2#,3#,4#試樣的擬合方程分別見式(1)、(2)、(3)、(4)：

y1=111.8x-142.9y2=(-12.0x+96.3)%

(1)

y1=146.0x-251.0y2=(-12.5x+97.6)%

(2)

y1=142.9x-271.2y2=(-13.0x+101.0)%

(3)

y1=162.0x-406.5y2=(-14.5x+109.6)%

(4)

式中：y1，y2分別為PET扁絲的拉伸強度、斷裂伸長率；x為拉伸倍數。

根據以上擬合方程式，分別可以計算出PET扁絲達到設定的拉伸強度或斷裂伸長率時所需要的拉伸倍數。因此，結合目前市售的PP扁絲實際加工應用要求(拉伸強度大于等于350 MPa、斷裂伸長率大于等于20%)，可根據擬合方程(1)～(4)分別計算出不同SiO2含量PET扁絲拉伸強度達到400 MPa或斷裂伸長率達到25%時所需要的拉伸倍數(見表3)，這對PET扁絲后加工的拉伸過程的工藝選擇具有重要的指導意義。

表3 一定拉伸強度和斷裂伸長率下SiO2含量對PET扁絲拉伸倍數的影響Tab.3 Effect of SiO2 content on draw ratio of PET flat filament under a certain tensile strength and elongation at break

從表3可知，本實驗范圍內SiO2含量對PET扁絲斷裂伸長率達到25%所需拉伸倍數或PET扁絲拉伸強度達到400MPa所需拉伸倍數的影響趨勢基本相同，即隨著SiO2含量的增加，所需拉伸倍數呈先減小后增大的趨勢，且均在SiO2質量分數為0.3%時拉伸倍數出現最小值。在原料后加工過程中，一般均希望能在較小的拉伸倍數下獲得滿足應用性能要求的最終產品，這樣可以增加后加工的工藝窗，且有利于提高生產負荷或提高產品的優等品率。從這個角度看，添加SiO2質量分數為0.3%時有利于PET扁絲的后加工過程，并有助于提高產品的收率。

2.2 不同SiO2含量PET扁絲的屈服性能

在固定拉伸倍數為5.0時，通過拉伸應力-應變曲線研究了相同拉伸條件下SiO2含量對PET扁絲屈服應力、屈服強度、屈服伸長率的影響規律。從表4可知：隨著SiO2含量增加，PET扁絲的屈服應力呈逐漸降低并趨于穩定的趨勢，在SiO2質量分數為0.3%時降幅最大，在SiO2質量分數為1.0%時趨于穩定；隨著SiO2含量增加，PET扁絲的屈服強度呈先增大后減小的變化趨勢，在SiO2質量分數為0.3%時增幅最大，繼續增加SiO2質量分數達1.0%，屈服強度增幅很小，但繼續增加SiO2質量分數至1.5%時屈服強度反而大幅減小；隨著SiO2含量增加，PET扁絲的屈服伸長率也呈先增大后減小的趨勢，在SiO2質量分數為1.0%時達最大值。

表4 SiO2含量對PET扁絲屈服性能的影響Tab.4 Effect of SiO2 content on yield properties of PET flat filament

在其他影響因素相同的前提下，材料屈服性能的差異更多的是反映的分子鏈或鏈段柔韌性的差異。由表4還可以看出，添加無機粒子SiO2后所得PET扁絲的屈服伸長率均變大，這是因為無機粒子SiO2起到了部分增韌的作用，PET扁絲受外力拉伸時SiO2起到了部分轉移和分散應力的作用[9]，因而屈服應力較小，屈服強度、屈服伸長率較大。但SiO2添加量超過一定量后因分散在PET扁絲中的無機粒子較多，距離太近，拉伸過程產生的微裂紋易發展為宏觀的開裂，所以PET扁絲的屈服強度和屈服伸長率反而降低[5]。

3 結論

a.隨著拉伸倍數的提高，不同SiO2含量PET扁絲的拉伸強度均呈逐漸增大趨勢，而斷裂伸長率均呈逐漸降低趨勢。在一定拉伸倍數下，隨著SiO2含量的增加，PET扁絲的拉伸強度呈先增大后減小的趨勢，在SiO2質量分數為0.3%時出現最大值；而斷裂伸長率呈先減小后增大的趨勢，在SiO2質量分數為0.3%時出現最小值。

b.設定PET扁絲拉伸強度為400 MPa或斷裂伸長率為25%時，隨著SiO2含量的增加，PET扁絲所需拉伸倍數呈先減小后增大的趨勢，且均在SiO2質量分數為0.3%時拉伸倍數出現最小值。

c.隨著SiO2含量增加，PET扁絲拉伸過程中的屈服應力呈逐漸降低并趨于穩定，屈服強度和屈服伸長率均呈先增大后減小的變化趨勢。

d.綜合考慮，采用無機添加劑SiO2改性PET扁絲，添加SiO2質量分數0.3%，所得PET扁絲具有較好的拉伸性能和屈服性能。