低熔點共聚酯的流變性能及其皮芯復合紡絲研究

王少博，王朝生，王華平

(東華大學 材料科學與工程學院纖維材料改性國家重點實驗室，上海 201620)

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低熔點共聚酯的流變性能及其皮芯復合紡絲研究

王少博，王朝生*，王華平

(東華大學 材料科學與工程學院纖維材料改性國家重點實驗室，上海 201620)

聚對苯二甲酸乙二醇酯纖維皮芯復合纖維低熔點共聚酯流變性能熔融紡絲力學性能

低熔點共聚酯(LPET)由于其較低的熔點及與常規聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)良好的相容性，是制備熱熔粘結纖維的重要材料，在非織造行業中具有廣闊的市場應用前景。皮芯復合紡絲技術是制備熱熔粘結纖維的主要手段，相比于常規單組份熔融紡絲，由于其加工過程需要同時兼顧兩種不同流動性質的熔體，紡絲工藝復雜。LPET與常規PET的流體性質存在差異，且皮層熔體與芯層熔體在噴絲孔出口處受到的剪切也有較大的差異，故紡絲工藝的設定稍有偏差，便會導致產品性能不穩定。目前，皮芯復合紡絲熱熔粘結纖維大部分仍需依賴從日本和韓國進口，價格昂貴。因此研究LPET與常規PET復合紡絲工藝，開發LPET/PET復合纖維具有重要意義。關于LPET的皮芯復合紡絲工藝已有部分文獻報道[1-2]。作者基于對自制PET基LPET和常規纖維級PET流變性能的分析，結合熔體在皮芯復合噴絲板出口處所受剪切作用的理論計算，設計了適宜的皮芯復合紡絲工藝條件，并成功指導了LPET與常規PET的復合紡絲。

1　實驗

1.1原料

常規PET切片：纖維級，特性黏數0.65 dL/g，寧波康鑫化纖生產；LPET切片：共聚改性單體為己二酸和二甘醇，特性黏數為1.05 dL/g，熔點168.6 ℃，自制。

1.2儀器與設備

TA-Q20差示掃描量熱(DSC)儀:美國TA公司制；Rosand RH2000毛細管流變儀：英國馬爾文儀器有限公司制；Q5000IR熱重(TG)分析儀：美國TA公司制；ABE25小型熔融紡絲機：日本ABE公司制；TF-100牽伸機：蘇州特發機電技術有限公司制；皮芯復合噴絲板：12孔，芯層孔直徑0.3 mm，皮層孔直徑0.46 mm，鎮江新浪潮精密機械有限公司制；XQ-2纖維強度儀：上海新纖儀器公司制；8XB-PC光學顯微鏡：上海光學儀器廠制。

1.3LPET/PET皮芯復合纖維的制備

將LPET在105 ℃真空轉鼓干燥24 h，PET在125 ℃真空轉鼓干燥24 h；以LPET為皮層，PET為芯層進行皮芯復合紡絲，側吹風速度0.45 m/s，紡絲速度2 500 m/min，后拉伸速度300 m/min，后拉伸溫度95 ℃，后拉伸比1.3～1.8，制得LPET/PET皮芯復合纖維。

1.4測試

DSC分析：在氮氣氣氛下，將約10 mg試樣以20 ℃/min的升溫速率，由30 ℃升溫至270 ℃，保溫3 min消除熱歷史后以10 ℃/min降溫至30 ℃，再由30 ℃以10 ℃ /min升溫至270 ℃，記錄其過程熱流的變化曲線。

TG分析：在氮氣氣氛下，將約5 mg試樣以10 ℃/min升溫速率，由40 ℃升溫至700 ℃，記錄其過程質量的變化曲線。

2　結果與討論

2.1熱性能分析

由圖1可看出，PET的熔融峰值溫度(Tm)為253.9 ℃，而LPET的結晶溫度和Tm分別為120.5 ℃和168.6 ℃，LPET在10 ℃/min的降溫速率下，降溫過程中并沒有像PET出現明顯的結晶放熱峰，而是在其第二次升溫過程才出現。這說明PET與己二酸和二甘醇共聚后所獲得的LPET的結晶速度較常規PET慢。

圖1　LPET和PET的DSC曲線Fig.1　DSC thermograms of LPET and PET1—PET；2—LPET

從圖2可以看出，改性共聚后獲得的LPET的起始分解溫度為377.9 ℃，雖然其起始分解溫度低于PET，但仍可以滿足熔融紡絲的加工要求。

圖2　LPET和PET的TG曲線Fig.2　TG curves of LPET and PET1—PET；2—LPET

2.2流變性能分析及復合紡絲

2.2.1非牛頓指數(n)和結構黏度指數(?η)

圖3　LPET和PET熔體的流變曲線Fig.3　Rheological curves of LPET and PET melts○—239 ℃；□—243 ℃；▽—247 ℃；△—251 ℃●—284 ℃；■—288 ℃；▼—292 ℃；▲—296 ℃

(1)

式中：K為黏性系數。

n值越接近1，表明熔體與牛頓流體性質越相近。

?η是熔體內部大分子鏈纏結情況的一種反映，且常用其作可紡性的評判指標。假塑性流體的?η大于0，其值越大表明熔體的結構化程度越高，越不易發生改變，對應的可紡性及紡絲穩定程度也越差[4]。

(2)

表1　LPET和PET熔體的n和?η

2.2.2熔體的黏流活化能(?Eη)

表2　LPET和PET熔體的?Eη

(3)

式中：A為噴絲孔截面積；Dh為噴絲孔水力直徑；λ為形狀因子；Q為泵供量。

芯層圓形噴絲孔的形狀因子(λL)可由文獻獲得為16[9]。皮層環形噴絲孔的形狀厚度(λh)可由公式(4)[9]獲得。

(4)

式中：k為外層孔徑與內層孔徑之比。

表3　LPET和PET熔體在噴絲孔出口處的

表4　LPET和PET熔體的理想復合溫度

由表4可看出，最佳紡絲溫度隨著復配比的減小而升高，同時結合之前獲取的兩種熔體的n與?η考慮，則在出現多個可復合紡的溫度區間時，應選擇溫度高的區間進行復配。另外，結合螺桿和箱體降溫較慢的特點，在實驗過程中應先對高復配比進行試紡。

在實驗中，由于兩種熔體擠出前經由螺桿計量泵后都要進入紡絲箱體，所以兩種熔體都會因與箱體的熱交換而發生溫度改變。為保證兩種熔體能按照理想的溫度擠出復配，所以設定箱體溫度在兩種熔體理想擠出溫度之間，LPET的熔體溫度在進入紡絲箱體前應略低于理想擠出溫度，PET的熔體溫度則應略高于理想擠出溫度。另外，為了防止LPET切片在進料口處發生粘堵，實驗中設定其進料段溫度為較低的220 ℃。實驗中具體的溫度參數設置如表5。實驗過程中，發現3種復配比例的工藝條件下纖維均可順利成形得到預取向絲(POY)，說明理論計算結果對于實際復合紡絲有很好的指導作用。

表5　LPET/PET皮芯復合紡絲工藝溫度

后拉伸過程中，為避免過高溫度導致纖維發生粘連，采用95 ℃進行拉伸，拉伸比為1.3～1.8,不同復配比的POY經拉伸后得到的力學性能見表6。

表6　LPET/PET皮芯復合纖維的力學性能

由表6可以看出，纖維斷裂強度隨著LPET添加比例的降低而增加，主要是因為皮層LPET的力學強度較PET低，因此LPET添加比例高的復合纖維在使用上會受到一定的限制。而mLPET:mPET為3:7的纖維力學強度可以滿足纖維后道加工的要求。同時，用光學顯微鏡觀察其LPET/PET皮芯纖維的截面及其相互之間的熱熔粘結效果，可以看出纖維的皮芯結構明顯，皮層分布較均勻且無破損，熔融粘結效果較好。

3　結論

a. LPET在247～251 ℃與常規纖維級PET在292～296 ℃的熔體非牛頓性和結構化程度較為相近。

c. LPET/PET皮芯復合紡絲最佳工藝條件如下：mLPET:mPET為3:7，螺桿溫度進料段LPET為220 ℃、PET為280 ℃，壓縮段LPET為245 ℃、PET為285 ℃，均化段溫度LPET為245 ℃、PET為296 ℃，箱體溫度為293 ℃，在95 ℃下進行拉伸，拉伸倍數為1.3～1.8，在此條件下制得的LPET/PET皮芯復合纖維的皮芯結構明顯，皮層分布均勻完好，熱熔粘結效果較好，纖維斷裂強度為2.98cN/dtex，斷裂伸長率為28.86%。

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Sheath-core composite spinning process and rheologicalbehavioroflow-meltingpointcopolyester

Wang Shaobo, Wang Chaosheng, Wang Huaping

(State Key Laboratory for Modification of Chemical Fibers and Polymer Materials,College of Materials Science and Engineering, Donghua University, Shanghai 201620)

polyethylene terephthalate fiber; sheath-core composite fiber; low-melting point copolyester; rheological behavior; melt spinning; mechanical properties

2015-11-24；修改稿收到日期：2016- 06- 03。

王少博(1989—)，男，博士研究生，主要研究方向為聚酯材料改性及成型加工。E-mail：wsbharry@163.com。

中央高校基本科研業務費(2232013D3-17)。

TQ342+.9

A

1001- 0041(2016)04- 0033- 05

*通訊聯系人。E-mail：cswang@dhu.edu.cn。