十字形多孔超細聚酯FDY纖維結(jié)構(gòu)與性能研究

李 蘇，劉海軍

(蘇州巨源纖維科技有限公司，江蘇吳江 215237)

十字形多孔超細聚酯FDY纖維是當(dāng)今纖維領(lǐng)域的一種性能獨特、功能多、用途廣泛的新纖維材料，它具有良好的柔軟可撓性、易彎曲性、較大的比表面積及其纖維群形成的微細空間結(jié)構(gòu)、吸濕導(dǎo)濕功能等特性，它能與各種天然纖維如長絨棉、真絲、羊絨等進行復(fù)合混紡，可開發(fā)出具有多樣化、多功能、舒適性和高附加值等特點的超仿真纖維織物，具有很好的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展前景。因此，十字形多孔超細聚酯FDY纖維的研究開發(fā)，是當(dāng)今纖維材料開發(fā)的重心所在，也是未來的方向。筆者通過對十字形多孔超細聚酯FDY纖維聲模量、取向態(tài)結(jié)構(gòu)、沸水收縮率、力學(xué)性能的研究，探討十字形多孔超細聚酯FDY纖維結(jié)構(gòu)和性能的內(nèi)在聯(lián)系以及對纖維后加工及其織物外觀、風(fēng)格、質(zhì)地和手感等使用性能的影響因素，為深入研究和工業(yè)開發(fā)超細纖維的超仿真化、復(fù)合化和混紡天然化等特殊功能和高附加值產(chǎn)品提供理論依據(jù)。

1 實驗

1.1 材料

十字形多孔超細聚酯FDY纖維:55 dtex/144 f，76 dtex/144 f;

十字形多孔細旦聚酯FDY纖維:110 dtex/144 f，167 dtex/144 f。

1.2 方法及儀器

1.2.1 取向因子的測定

用SOM-Ⅱ型聲速取向測定儀，在一定條件下，隨機抽取一定數(shù)量的試樣，分別測定每個試樣在20 cm和40 cm處的聲速值，然后計算纖維的取向因子［1］。

1.2.2 沸水收縮率

用YG086型縷紗測長儀繞取一定數(shù)量的纖維，在預(yù)加張力(0.1 cN/dtex)下測定纖維的原始長度L0，然后用紗布包好，放入沸水中煮30 min，取出并自然冷卻，在相同預(yù)加張力下測定纖維長度L1，并用下式計算纖維的沸水收縮率。

1.2.3 力學(xué)性能

用Y741型纖維強力儀測定纖維強伸度等指標(biāo)。

2 結(jié)果與討論

2.1 十字形多孔超細聚酯FDY纖維的取向態(tài)結(jié)構(gòu)

十字形多孔超細聚酯FDY纖維的取向態(tài)結(jié)構(gòu)除了與聚酯材料的本性有關(guān)外，還與紡絲成形加工過程中的工藝參數(shù)、纖維截面形態(tài)以及纖維線密度大小有很大關(guān)系。圖1、圖2給出了不同單絲纖度十字形多孔聚酯FDY纖維與聲速值、單絲纖度與取向因子關(guān)系，表1給出了相同規(guī)格不同截面形態(tài)多孔超細聚酯FDY纖維的取向因子值。

從圖1、圖2可以看出，十字形多孔超細聚酯FDY纖維聲速值和取向因子隨纖維單絲纖度改變而變化，即十字形多孔超細聚酯FDY纖維聲速值和取向因子隨其單絲纖度的增加而增大。由聚酯纖維成形加工理論［2］可知，在紡絲成形過程中，十字形多孔超細聚酯FDY纖維的單絲纖度越細，纖維的比表面積就相對越大，熔體細流冷卻固化時具有較快的冷卻速率，越容易冷卻固化，使絲條的冷卻長度縮短［3］，引起熔體細流在纖維軸拉伸方向上速度梯度的增大，導(dǎo)致絲條所受軸向拉伸速率亦增大，從而使紡絲線上產(chǎn)生較高的拉伸張應(yīng)力，致使FDY超細初生纖維具有較高的預(yù)取向度和較低延伸度以及較低的后拉伸倍數(shù)，使拉伸性能變差，從而導(dǎo)致十字形多孔超細聚酯FDY纖維在二次拉伸成形中取向程度隨其單絲纖度的變細而減小。從表1還可以看出，相同規(guī)格不同截面形態(tài)多孔超細聚酯FDY纖維聲速值和取向因子隨纖維截面形態(tài)不同規(guī)格而變化，這是因為十字形多孔超細聚酯FDY纖維比表面積最大，使紡絲成形過程中的流變阻力較大，易導(dǎo)致熔體粘度波動變化以及可紡性不穩(wěn)定，引起紡絲線上冷卻凝固點位置的上下波動和紡絲張力的波動以及取向態(tài)結(jié)構(gòu)均勻性變差，從而使十字形多孔超細聚酯FDY纖維聲速值和取向因子比三葉形及圓形超細聚酯纖維聲速值和取向因子小。

表1 相同規(guī)格不同截面形態(tài)多孔超細聚酯FDY纖維取向因子值

圖1 單絲纖度和聲速值的關(guān)系

圖2 單絲纖度和取向因子的關(guān)系

2.2 十字形多孔超細聚酯FDY纖維的楊氏模量和柔量

在小形變下，用聲速法所測定的十字形多孔超細聚酯FDY纖維模量是一種動態(tài)楊氏模量和柔量，是反映材料勁度和韌性的基本表征量，它主要與纖維材料的幾何形態(tài)和分子間相互作用力有關(guān)。表2給出了十字形多孔超細聚酯FDY纖維的單絲纖度變化與動態(tài)楊氏模量和柔量的關(guān)系。

表2 不同規(guī)格十字形多孔超細聚酯FDY纖維的聲速模量和柔量

由表2可知，十字形多孔超細聚酯FDY纖維的楊氏模量隨其單絲纖度的減小而下降，而其柔量卻隨其單絲纖度的減小而增大，這是因為在小形變下，纖維的楊氏模量主要與纖維的幾何形態(tài)和分子間相互作用力有關(guān)，取決于非晶區(qū)分子鏈的取向程度，取向程度愈小，楊氏模量就愈小。若纖維的取向程度愈低，纖維中大分子有序排列規(guī)整性較差，相對增加了各運動單元活動空間的空隙體積和分子活動性，減小了分子間相互作用力，分子間的作用力就愈小，纖維的模量就愈小，從而使十字形多孔超細聚酯FDY纖維分子鏈具有較好的柔性和彈性，以致十字形多孔超細聚酯FDY纖維具有較好的柔韌性。從表2還可看出，不同單絲纖度的十字形多孔超細聚酯纖維，其模量值相差較大，這主要與其大分子鏈的有序排列程度有關(guān);而柔量值卻比較接近，這說明十字形多孔超細聚酯FDY纖維的幾何橫截面形態(tài)能賦予絲條更好的韌性和手感。同時，由纖維模量與柔量的反比關(guān)系可知，纖維的模量愈小，其柔量愈大，纖維的柔性就愈好，從而賦予十字形多孔超細聚酯FDY纖維較好的柔性、手感和質(zhì)感。

2.3 十字形多孔超細聚酯FDY纖維的沸水收縮率

理論研究［2］表明，在聚酯紡絲拉伸過程中，經(jīng)軸向拉伸取向后的纖維內(nèi)部或多或少都存在著殘留應(yīng)力，在通常狀態(tài)下受玻璃態(tài)約束，分子鏈無法運動，當(dāng)遇到加熱介質(zhì)作用時，大分子運動大大加劇而發(fā)生應(yīng)力松弛，分子間結(jié)合力獲得舒展，致使分子鏈由高序態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈托驊B(tài)而產(chǎn)生收縮，由此可反映出纖維內(nèi)部取向態(tài)結(jié)構(gòu)的變化以及熱處理效果之間的關(guān)系。

從圖3、4可以看出，十字形多孔超細聚酯FDY纖維的沸水收縮率隨其單絲線密度的減小而下降，這表明十字形多孔超細聚酯FDY纖維在拉伸成形加工中，在產(chǎn)生取向作用的同時，還發(fā)生了結(jié)晶化作用，使纖維內(nèi)的結(jié)晶體增加，這就相當(dāng)于在纖維內(nèi)增加了許多物理交聯(lián)點，強化了整體分子的取向程度，使分子鏈之間的相互作用力增加以及內(nèi)旋轉(zhuǎn)勢壘增高。對于不同單絲纖度的十字形多孔超細聚酯FDY纖維來說，其沸水收縮率產(chǎn)生差異的主要原因是纖維中大分子鏈取向程度不同所致。當(dāng)受到加熱介質(zhì)作用時，大分子僅在非晶區(qū)發(fā)生松弛而引起分子的解取向;而在纖維的晶區(qū)，由于結(jié)晶體或晶格交聯(lián)點的作用，大分子鏈發(fā)生松弛所受阻力較大，不易發(fā)生解取向，它需獲得更多的能量才能克服分子間的摩擦力而引起分子的解取向。因此，在客觀上表現(xiàn)為十字形多孔超細聚酯FDY纖維單絲纖度越細，纖維的沸水收縮率就越低。

圖3 單絲纖度與沸水收縮率的關(guān)系

圖4 取向因子與沸水收縮率的關(guān)系

2.4 十字形多孔超細聚酯FDY纖維的力學(xué)性能

十字形多孔超細聚酯FDY纖維的力學(xué)性能與纖維幾何形態(tài)和線密度密切相關(guān)，而且對纖維后加工及其織物外觀、風(fēng)格、質(zhì)地和手感等使用性能有很大的影響。圖5、6給出了不同規(guī)格十字形多孔超細聚酯FDY纖維的力學(xué)性質(zhì)。

從圖5、6可以看出，十字形多孔超細聚酯FDY纖維的斷裂強伸度都隨其單絲纖度的減小而下降。這是因為十字形多孔超細聚酯FDY纖維的線密度較小，而纖維比表面積較大，在紡絲成形中熔體拉伸粘度對溫度變化很敏感，絲條在經(jīng)向上的粘度梯度和溫度梯度亦隨之增加，絲條在拉伸成形中具有較快的冷卻速度，產(chǎn)生較大的拉伸應(yīng)力，導(dǎo)致十字形超細聚酯FDY初生纖維具有較高的預(yù)取向度和較低的伸度，使絲條表層易產(chǎn)生應(yīng)力集中或絲條表面粗糙，甚至形成裂紋。因此，在后拉伸過程中，凡是那些導(dǎo)致材料形成弱點而增加應(yīng)力分布不均勻性以致材料強度下降的因素，很容易使絲條在應(yīng)力分布的不均勻或者應(yīng)力集中處引起絲條表面裂紋處發(fā)生斷裂［4］，從而使十字形多孔超細聚酯FDY纖維斷裂強伸度下降。此外，十字形多孔超細聚酯FDY纖維斷裂強伸度還和纖維的異形度及纖維結(jié)晶程度有關(guān)。

圖5 單絲纖度與強度的關(guān)系

圖6 單絲纖度與伸度的關(guān)系

3 結(jié)論

a)十字形多孔超細聚酯FDY纖維的取向因子與纖維的線密度和成形加工條件密切相關(guān)，隨單絲纖度的減小而下降，不同纖度十字形多孔超細聚酯FDY纖維的動態(tài)楊氏模量主要與取向態(tài)結(jié)構(gòu)有關(guān)，取向度愈低，其楊氏模量就愈小，柔量就愈大;

b)十字形多孔超細聚酯FDY纖維的單絲線密度愈細，其纖維的沸水收縮率也愈小;十字形多孔超細聚酯FDY纖維斷裂強伸度隨單絲線密度的減小而下降;

c)十字形多孔超細聚酯FDY纖維的取向因子、模量、沸水收縮率和斷裂強伸度均比細旦十字形多孔聚酯FDY纖維小，而纖維的柔量比細旦纖維大，從而使十字形多孔超細聚酯FDY纖維具有更好的柔韌性。

［1］陳稀，黃象安.化學(xué)纖維實驗教程［M］.北京:紡織工業(yè)出版社，1988:320 －331.

［2］H F馬克，等.化學(xué)纖維結(jié)構(gòu)及紡絲原理［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1980:214 －225.

［3］董紀震，等.合成纖維生產(chǎn)工藝學(xué)上冊［M］.北京:紡織工業(yè)出版社，1981:254 －260.

［4］吳大誠，等.合成纖維熔體紡絲［M］.北京:紡織工業(yè)出版社，1980:285－295.