高溫預加張力下高強阻燃聚酯工業絲性能研究

張玥 宋明根 姬洪 張玉梅 陳志鋼

（1.高性能纖維及制品教育部重點實驗室，上海，201620；2.東華大學，上海，201620；3.浙江尤夫高新纖維股份有限公司，浙江湖州，313017）

聚酯工業絲現已廣泛應用于汽車簾子線、傳送帶、橡膠管線、土工布、安全帶、繩索等各工業領域。其中高強阻燃聚酯工業絲無疑是工業用阻燃紡織品的重點關注對象［1-2］。由于阻燃劑的加入會使聚酯工業絲的結構發生變化，因此，阻燃聚酯工業絲產品除了要滿足相應的阻燃要求外，還要滿足應用市場的特殊需求，如結晶、取向、強度、伸長和收縮性能等應用特性。目前，阻燃聚酯工業絲研發的核心問題在于良好阻燃性與優異力學性能的兼顧［3-4］。

通過拉伸和熱處理等紡絲后處理工藝可以提高 聚 酯 工 業 絲 的 力 學 性 能［5-6］。GB/T 16604—2017《滌綸工業長絲》定義高強型滌綸工業絲的干熱收縮率測試條件為預加張力0.05 cN/dtex，熱處理溫度177℃，熱處理時間10 min，要求熱處理后干熱收縮率不大于2.5%、斷裂強度不小于6.6 cN/dtex。歐桂清等人在100℃～220℃范圍內對滌綸工業絲施加0.05 cN/dtex的張力，緊張熱處理10 min后，發現工業絲的干熱收縮率增大、斷裂強度減小、斷裂伸長率增大［7］。高強阻燃聚酯工業絲在使用中都是長期應用或是在特定高溫下經受長期應力作用，不可避免對其性能產生不利影響［8］。然而目前高強阻燃聚酯工業絲的抗張力服役特性和耐熱穩定性等應用特性指標尚不明確，而這正是拓展產品應用領域、取得市場認可的關鍵。

聚酯工業絲在實際使用過程中通常達不到斷裂失效的程度，因此使用服役條件下的初始模量、定伸長下的應力或定載荷下的伸長率等指標的保持率能更好地反應聚酯工業絲的應用特性［9］。本課題根據高強阻燃聚酯工業絲在現有下游制品的用途和要求，擴大預加張力范圍，研究高強阻燃聚酯工業絲在高溫預加張力條件下的力學性能和結晶取向結構變化，以期為高強阻燃聚酯工業絲的長期服役技術指標提供參考。

1 試驗

1.1 試驗原料

高強普通聚酯工業絲（以下簡稱HT，規格1 134 dtex/192 F）和高強阻燃聚酯工業絲（以下簡稱FRHT，規格1 125 dtex/192 F），浙江尤夫高新纖維股份有限公司生產。

1.2 熱處理試驗

由于在硫化浸膠工藝中浸膠溫度會達到180℃～190℃，因此設定熱處理溫度為195℃，并根據聚酯工業絲在加工和應用中的典型受力范圍和處理時間，將纖維置于控溫烘箱中，在不同張力條件下緊張熱處理5 min。記錄熱處理前后試樣長度變化，計算干熱收縮率。

1.3 差示掃描量熱測試

采用Q20型差示掃描量熱儀（美國TA公司），測試樣品量為5 mg～10 mg，氮氣流速50 mL/min。樣品以10℃/min的升溫速率從室溫升至280℃。利用熔融焓計算樣品結晶度［10］。

1.4 雙折射率測試

采用配有BPX51型萊卡偏光顯微鏡和Berek補償器（UCTB，Olympus）的SSY-C型纖維雙折射儀（上海凱歷迪新材料科技股份有限公司）。根據Berek補償法，由補償器獲得補償角θ，計算得到纖維雙折射值［11］。

1.5 力學性能測試

在恒溫恒濕環境下（溫度20℃，相對濕度65%），采用3356型強力儀（美國Instron公司）對熱處理后的纖維進行測試，夾持距離250 mm，拉伸速率300 mm/min，每組樣品測試5次，取平均值，得到斷裂強度、斷裂伸長率、初始模量（斷裂伸長率1%時的模量）、5%伸長時的強度（Lase-5）、4.0 cN/dtex強度下的伸長率（Easl-4）。

2 結果與討論

2.1 張力對工業絲結晶取向的影響

圖1為不同張力熱處理后聚酯工業絲差示掃描量熱曲線，張力為0.05 cN/dtex、0.50 cN/dtex時，其曲線、數據分別與預加張力0.10 cN/dtex、0.40 cN/dtex的很接近，變化趨勢一致，為了使差示掃描量熱圖更清晰，圖1中未列出這兩組曲線。樣品的熔點、結晶度與雙折射值見表1。

圖1 不同張力熱處理后聚酯工業絲差示掃描量熱曲線

表1 不同張力熱處理后聚酯工業絲的熔點、結晶度與雙折射率

從圖1可見，HT與FRHT樣品均未出現熔融雙峰現象，表明加入阻燃劑對聚酯結晶完善程度沒有影響，但表1中FRHT的熔點、結晶度和雙折射率都低于HT，說明結晶時受到阻燃劑分子的影響，鏈段向結晶表面擴散運動的能力降低，從而降低了大分子的結晶能力，并且阻燃劑在聚酯結晶過程中被排出結晶區，導致非晶區取向降低。與未熱處理的樣品相比，當預加張力為0.10 cN/dtex，HT和FRHT樣品在195℃熱處理后的結晶度和雙折射率都略有降低，這是由于此時熱處理溫度較高導致聚酯晶區結構被破壞，并且非晶區的鏈段發生了解取向，導致分子取向度降低。當預加張力增加到0.20 cN/dtex，在較大的張力作用下，解取向的鏈段發生重排，有助于提高非晶區鏈段的有序程度。當預加張力增加到0.40 cN/dtex，鏈段重排的趨勢逐步增大，可以完全彌補鏈段的解取向，所以此時的結晶度與雙折射率明顯增大。與HT相比，FRHT的非晶區含量較高，且在阻燃劑的增塑作用下非晶區鏈段更易發生滑移重排，所以在較大張力作用下，FRHT的結晶度和取向程度提高更加明顯。

2.2 預加張力對工業絲力學性能的影響

不同預加張力條件下熱處理后HT和FRHT強度-伸長率曲線見圖2。

從圖2可見，未進行熱處理時，FRHT與HT兩者拉伸曲線中均未出現屈服現象，而當預加張力在0.05 cN/dtex～0.20 cN/dtex進行緊張熱處理后，兩者的拉伸曲線在伸長率約為3 %時都出現了明顯的屈服，但是在預加張力達到0.40 cN/dtex后，屈服現象消失。表明在較小的張力作用下，高溫熱處理可以提高分子鏈段的運動能力，使得屈服應力減小，其中FRHT更易出現強迫高彈形變區，而在較大的預加張力作用下，解取向鏈段的重排作用導致屈服應力明顯增大。

圖2 不同張力熱處理后聚酯工業絲的強度-伸長率曲線

不同張力熱處理后樣品的各項力學性能指標變化率見圖3。

圖3 不同張力熱處理后聚酯工業絲力學性能變化

在低張力作用下，纖維大分子受熱后非晶區鏈段運動導致的大分子解取向使樣品的斷裂強度、Lase-5、初始模量明顯下降，斷裂伸長率和Easl-4相應增加。當預加張力大于0.40 cN/dtex時，強度和模量高于未熱處理纖維，其中FRHT的強度指標變化更為明顯，說明FRHT樣品低結晶度、非晶取向的特殊結構對外加張力更為敏感，此外阻燃劑的增塑作用也使得鏈段更易在外加張力下滑移和重排。

2.3 預加張力對工業絲干熱收縮率的影響

干熱收縮率是聚酯工業絲產品的重要品質指標，可以表征纖維后處理的尺寸穩定性［12］。圖4為195℃熱處理時不同張力下樣品干熱收縮率隨時間的變化曲線。從圖4可以看出，當預加張力為0.40 cN/dtex時，熱場作用下無定形區結構解取向，瞬間產生的熱應力與外加張力兩者相互抵消，纖維尺寸基本無變化，而當外加張力繼續增大后，過大的張力導致分子鏈段進一步被拉伸取向，干熱收縮率出現負值。與HT相比，FRHT的負收縮更明顯，說明在阻燃劑的增塑作用下，FRHT受外力更容易發生形變。但總體看來，在195℃高溫熱處理后，FRHT各項應用特性指標的變化趨勢與HT相似，同樣具有較高的抗張力特性和耐熱穩定性。

圖4 不同張力熱處理時聚酯工業絲的干熱收縮率

3 結論

（1）FRHT在195℃緊張熱處理后，結晶取向、力學性能與尺寸穩定性的變化規律與HT相似，具有較高的抗張力特性和耐熱穩定性。

（2）提高受熱張力可以有效抑制高強聚酯工業絲非晶區鏈段的解取向，其結晶度、取向度、斷裂強度、初始模量和Lase-5逐漸增大，當預加張力大于0.40 cN/dtex，FRHT的強度和模量高于未熱處理樣品。因此，在后加工時可以通過增加預加張力來防止高強阻燃聚酯工業絲的強力損失，改善其應用服役性能。