NEDDP/PBT雙組分復合長絲卷曲與力學性能研究

周玉磊 代國亮 王 妮 肖 紅

（1.東華大學，上海， 201620；2.軍事科學院系統工程研究院軍需工程技術研究所，北京， 100082）

并列復合彈性長絲由具有潛在熱收縮率差異的兩個同系高聚物并列紡絲而成［1］。從噴絲孔獲得的長絲，經后道熱處理形成明顯的三維螺旋卷曲，獲得卷曲彈性［2］。商業化的典型并列復合彈性 長 絲 包 括PET/PET［3］、PET/PBT［4］、PET/PTT［5］，這些都已在織物開發中得到了應用［6-8］。但均含有PET組分，均采用高溫高壓染色。針對這一問題，課題組自制了由新型常壓分散可染聚酯（NEDDP）和聚對苯二甲酸丁二醇酯（PBT）為并列組分的NEDDP/PBT雙組分復合長絲，并系統研究其結晶、取向結構及卷曲形貌［9］。

已有研究表明，紡絲工藝包括原料的特性黏度配比、組分比例、紡絲過程中的牽伸比和牽伸溫度、后處理時的定形溫度等，均會影響并列復合彈性長絲的結構與性能。為指導NEDDP/PBT雙組分復合長絲的應用，在前期研究基礎上，進一步探索不同紡絲工藝條件下獲得的NEDDP/PBT雙組分復合長絲的卷曲和力學性能，以指導紡絲生產，并獲得兼具良好卷曲性能和力學性能的常壓分散可染雙組分復合長絲。

1 試驗部分

采用不同特性黏度的NEDDP切片和PBT切片，以不同組分比例、不同紡絲牽伸比例、牽伸溫度及定形溫度熔融紡絲獲得12種NEDDP/PBT雙組分復合長絲、1種NEDDP單組分長絲及1種PBT單組分長絲，細度均為83 dtex/36 F。NEDDP單纖維紡絲條件：特性黏度0.71 dL/g，牽伸比1.7，牽伸溫度85 ℃，定形溫度110 ℃。PBT單纖維紡絲條件：特性黏度1.07 dL/g，牽伸比1.7，牽伸溫度85 ℃，定形溫度110 ℃。其他各樣品對應的紡絲條件如表1所示。

表1 NEDDP/PBT雙組分復合長絲的紡絲參數

彈性長絲受熱后，釋放潛在的熱收縮性差異，形成卷曲。參考標準［10］和文獻［11］測試卷曲性。在0.05 cN/dtex預加張力下，量取原始長度為1 m的樣品，將其放入100 ℃沸水中處理，取出晾干，量取同樣預加張力下的長度，計算沸水收縮率。再取一定長度的纖維，加輕負荷（0.001 8 cN/dtex）測得其長度，取下輕負荷再加重負荷（0.075 cN/dtex）測得長度，計算長絲的卷曲率。使用YG061F型電子單纖維強力儀測試纖維強伸性能，預加張力0.1 cN/dtex，拉伸速度100 mm/min，夾距100 mm，每個試樣測試5次。

2 結果與討論

2.1 特性黏度配比對長絲性能的影響

選 取 試 樣1、試 樣10、試 樣11、試 樣12的NEDDP/PBT雙組分復合長絲進行試驗。

2.1.1卷曲性能

經沸水處理，沸水收縮率隨兩組分特性黏度差異的增加而增加，如圖1所示。

圖1 不同沸水處理時間下的沸水收縮率

當NEDDP特性黏度為0.47 dL/g時，特性黏度差異的減少意味著PBT組分熔體由高特性黏度向低特性黏度變化，特性黏度較小的PBT組分在同樣小的紡絲張力下沿纖維軸向的排列比同條件下較高特性黏度的PBT組分沿軸向的排列更規整，導致低特性黏度的PBT組分具有較小的收縮率，兩組分潛在的收縮率差異隨著兩組分特性黏度差異的減小而減小，潛在的卷曲勢能不顯著。當PBT特性黏度為1.32 dL/g時，同樣大的紡絲張力下，低特性黏度的NEDDP熔體將獲得優于高特性黏度的NEDDP熔體的誘導取向和結晶，導致低特性黏度的NEDDP組分的收縮率變小，兩組分間潛在的收縮率差異隨著兩組分特性黏度差異的增加而增加，潛在的卷曲勢能更加顯著。

圖1還表明，特性黏度差異最大的試樣10在100 ℃下處理5 min的沸水收縮率都遠高于其他3種試樣在該條件下處理1 h的沸水收縮率。試樣11在處理10 min的沸水收縮率和試樣1在處理5 min的接近，而試樣12在處理1 h后的沸水收縮率也沒有試樣10在處理5 min下的高。因此，無論在何種處理條件下，特性黏度差異大的試樣10的沸水收縮率均遠遠高于其他3種特性黏度差異小的。因此，特性黏度配比對卷曲勢能的影響至關重要。特性黏度差異越大，雙組分纖維潛在的收縮差及其導致的卷曲勢能越大；特性黏度差異小的雙組分纖維通過后道濕熱處理可提高其沸水收縮率，但遠遠達不到相對較弱處理條件下特性黏度差異大的雙組分纖維的沸水收縮率。即難以通過后道處理條件變化對NEDDP/PBT卷曲性能進行顯著改善。

2.1.2力學性能

特性黏度配比變化對雙組分復合長絲的強度、模量及伸長率的影響較復雜，具體數據如表2所示。由表2可知，隨著兩組分特性黏度差異的增加，雙組分復合長絲的楊氏模量逐漸變小，即卷曲性能較差的雙組分復合長絲模量較高，而卷曲性能較好的雙組分復合長絲模量較低。在PBT特性黏度為1.05 dL/g時，隨NEDDP特性黏度增加，兩組分特性黏度差異變小。高特性黏度NEDDP比低特性黏度NEDDP有較高的相對分子量，增加了分子間作用力，纖維模量和斷裂強度略有增加，但差異不大；屈服應力相當，且斷裂伸長率有所增加。在NEDDP特性黏度為0.47 dL/g時，隨著PBT特性黏度的增加，兩組分特性黏度差異變大，纖維的斷裂強度增加，但是模量大幅下降，斷裂伸長率大幅度下降。

表2 不同特性黏度配比下雙組分復合長絲的力學性能

2.2 組分比例對長絲性能的影響

選取NEDDP長絲、PBT長絲和試樣1、試樣9的NEDDP/PBT雙組分復合長絲進行試驗。

2.2.1卷曲性能

PBT含量對NEDDP/PBT雙組分復合長絲沸水收縮率的影響如圖2所示。

圖2 PBT含量對卷曲性能的影響

由圖2可知，在NEDDP/PBT比例為50/50時可獲得最好的沸水收縮率。兩組分比例大小影響了兩組分收縮時的卷曲勢能。只有達到足夠的含量，收縮率大的組分產生的力矩才能使得收縮率小的組分跟隨在纖維外側發生卷曲。如果收縮率大的組分比例過小，其收縮產生的力矩將不足以使收縮率小的組分跟著形成卷曲；如果收縮率小的組分比例過大，會使得收縮率小的組分呈蓬松狀在外層，導致纖維產生毛絲現象。

2.2.2力學性能

不同組分比例下的NEDDP/PBT雙組分復合長絲的力學性能如表3所示。由表3可知，雙組分復合長絲的斷裂強度先隨PBT含量增加而減少；虎克區應變初始隨著PBT含量的增加而增加，在NEDDP/PBT比例為50/50時達到最大，彈性最好；模量隨著PBT含量的增加而減少，這與強度變化的規律存在差異。從斷裂強度而言，PBT長絲最高，其次是NEDDP長絲，NEDDP/PBT雙組分復合長絲強力進一步降低，但靠近NEDDP長絲。這表明，復合長絲上NEDDP長絲承擔了大部分的紡絲張力，而PBT組分依附其上，NEDDP組分是雙組分復合長絲強力的主要貢獻者。從模量的變化可以進一步明確NEDDP組分是雙組分長絲力學性能的主要貢獻者。

表3 不同組分比例下雙組分復合長絲的力學性能

2.3 牽伸比對長絲性能的影響

選用試樣1、試樣6、試樣7、試樣8的NEDDP/PBT雙組分復合長絲進行試驗。

2.3.1卷曲性能

不同牽伸比下的NEDDP/PBT雙組分復合長絲卷曲性能如圖3所示。由圖3可知，無論是沸水收縮率還是卷曲率，均隨著牽伸比的增加而增加。由于NEDDP組分在雙組分復合長絲上優先結晶，具有良好的力學性能，所以，隨著牽伸比的增加，一方面NEDDP組分承擔的紡絲張力增加，誘導取向結晶增加，大分子鏈排列規整性增強，收縮率變小；另一方面PBT組分也發生了更大的形變，收縮率變大。兩方面競爭的結果是兩組分收縮率差異增加、卷曲率增加。但牽伸比過小，會導致先結晶的組分取向不夠；牽伸比過大，先結晶的組分晶體發生破壞，處于不穩定狀態，且由于不能完全承受牽伸力作用而使得后結晶部分承受牽伸力作用發生誘導取向，使得兩組分取向差異減小，從而使得卷曲性能下降。

圖3 不同牽伸比下雙組分復合長絲的卷曲性能

2.3.2力學性能

不同牽伸比下NEDDP/PBT雙組分復合長絲的力學性能如表4所示。由表4可知，隨著牽伸比的增加，斷裂伸長率減小，楊氏模量、斷裂強度增加，但變化很小。顯然，牽伸比對力學性能的影響沒有組分比例和特性黏度差異影響大。

表4 不同牽伸比下雙組分復合長絲的力學性能

2.4 牽伸溫度對長絲性能的影響

選取試樣1、試樣2、試樣3的NEDDP/PBT雙組分復合長絲進行試驗。

2.4.1卷曲性能

不同牽伸溫度下NEDDP/PBT雙組分復合長絲的卷曲性能如圖4所示。由圖4可知，在70 ℃～85 ℃內，隨著牽伸溫度的增加，NEDDP/PBT雙組分復合長絲沸水收縮率逐漸減小，卷曲率在75 ℃時達到最大。

圖4 不同牽伸溫度下雙組分復合長絲的卷曲性能

2.4.2力學性能

不同牽伸溫度下的NEDDP/PBT雙組分復合長絲力學性能如表5所示。

表5 不同牽伸溫度下雙組分復合長絲的力學性能

由表5可知，隨著牽伸溫度的增加，斷裂強度、斷裂伸長率都逐漸減小，楊氏模量略有增加，但總體來看差異不大，說明牽伸溫度對于力學性能的影響較小。

2.5 定形溫度對長絲性能的影響

選取試樣1、試樣4、試樣5的NEDDP/PBT雙組分復合長絲進行試驗。

2.5.1卷曲性能

NEDDP/PBT雙組分復合長絲卷曲性能如圖5所示。由圖5可知，隨著定形溫度的增加，雙組分復合長絲的沸水收縮率逐漸下降，這是由于定形溫度增加加劇了NEDDP和PBT單組分纖維的收縮率差異。因此，隨定形溫度增加，兩者的收縮率雖都減小，但雙組分復合長絲的卷曲率增加。

圖5 不同定形溫度下雙組分復合長絲的卷曲性能

2.5.2力學性能

不同定形溫度下NEDDP/PBT雙組分復合長絲力學性能如表6所示。隨著定形溫度的增加，斷裂強度、斷裂伸長率都逐漸減小，楊氏模量逐漸增加，但總體而言差異不大，說明定形溫度不是影響雙組分復合長絲力學性能的主要因素。

表6 不同定形溫度下雙組分復合長絲的力學性能

3 結語

（1）在可紡的前提下，對于NEDDP/PBT雙組分復合長絲的卷曲性能和力學性能，特性黏度差異和組分比例是最關鍵的影響因素，牽伸比、牽伸溫度和定形溫度對于雙組分復合長絲的影響相對較小。

（2）當NEDDP組分特性黏度不變時，隨著PBT組分特性黏度的增加，NEDDP/PBT雙組分復合長絲的沸水收縮率增加，模量減小，斷裂強度增加。當PBT組分特性黏度不變時，隨著NEDDP組分特性黏度的增加，NEDDP/PBT雙組分復合長絲的沸水收縮率減小，模量、斷裂強度和斷裂伸長率均增加。

（3）當NEDDP/PBT的組分比例為50/50時，雙組分復合長絲具有最大的沸水收縮率。隨著NEDDP組分含量的增加，雙組分復合長絲的模量、斷裂強度和斷裂伸長率均增加。

（4）隨著牽伸比的增加，NEDDP/PBT雙組分復合長絲的卷曲率和沸水收縮率均增加；隨定形溫度和牽伸溫度的增加，NEDDP/PBT雙組分復合長絲的沸水收縮率減小，卷曲率增加。