聚醚酯-聚酯共混體短纖維的制造和性能

劉曉東，李瑞霞,，張 康，朱譜新，吳大誠,

(1.成都紡織高等專科學校 纖維材料創新中心，四川 成都 611731；2.四川大學 輕工科學與工程學院，四川 成都 610065)

羊毛纖維具有優良的力學性能，其彈性在天然纖維中居首位，在常見的纖維材料中，羊毛纖維的彈性回復率僅次于錦綸纖維[1]。錦綸纖維和羊毛纖維的力學性能可以滿足工業化生產的要求，但其彈性還不足以滿足許多實用性目的。橡膠絲和氨綸長絲是歷史上使用非常早的彈性纖維材料[2]，具有優良的彈性，但其模量和強度很低，而伸長較長，難以符合現有的紡紗設備和工藝要求。因此需要開發既具優良彈性，又能適應現代紡織工業化生產的纖維。

聚醚酯(PEE)是一種發展潛力很大的彈性纖維[3-4],本文先采用同向雙螺桿對PEE和聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)進行共混造粒，再對PEE-PBT共混體進行熔體紡絲，制得了PEE-PBT共混體纖維。本文制得的PEE-PBT共混體纖維比氨綸纖維強度高、斷裂伸長小，預計可以用常規棉紡設備和工藝進行紡紗。

1 實驗部分

1.1 原料及技術指標

聚醚酯(PEE)SW-1切片(成都吉侖公司提供)。切片的特性粘數[η]為1.3 dL/g，測試溫度為(25±0.01)℃，溶劑為苯酚/四氯乙烷1/1，熔點為214.7 ℃。

PBT切片(中石化江蘇儀征化纖股份有限公司)的特性粘數[η]為0.98 dL/g。

1.2 造粒、紡絲與干燥設備

PEE和PBT共混造粒設備：TSSJ-同向旋轉雙螺桿(Φ25)擠出機、PQ-5.0塑料切粒機(中藍晨光化工研究設計院有限公司)。干燥設備：100 L真空轉鼓干燥機(常州科宇干燥設備有限公司)；纖維制造設備：采用Φ50單螺桿短纖維紡絲機(杭州漢邦化纖有限公司)、長徑比為2的1248孔圓孔紡絲板(鎮江新浪潮精密機械有限公司);后紡設備：七輥牽伸實驗線、卷曲機(杭州漢邦化纖有限公司)，纖維切斷機(張家港港鷹實業有限公司)。以上設備均為成都紡織高等專科學校纖維材料創新中心紡絲平臺的中試設備或生產設備。

2 測試儀器與條件

2.1 DSC測試

熱分析采用 DSC 214 Polyma 型差示掃描量熱儀(德國耐馳儀器制造有限公司)進行測試。對待測樣品均先消除熱歷史后再進行測定，全程N2氣氛，測定溫度范圍為-50～300 ℃，升溫速率為10 ℃/min。

2.2 應力-應變曲線和彈性回復率的測試

采用YG065C型電子織物強力儀(山東萊州市電子儀器有限公司)進行力學性能的測試。

應力-應變測試條件：纖維絲束的夾持長度為10 cm，拉伸速度為100 mm/min，控制室溫為20 ℃，濕度為65%。

彈性回復率的測試條件：纖維絲束的夾持長度為10 cm，拉伸速度為30 mm/min，停留時間為10 s。在伸長率為5%、10%、 15%、20%、25%、30%、35%、40%時，測定纖維的彈性回復率。樣品在測定中控制室溫為20 ℃，相對濕度為65%。

3 結果與討論

3.1 原料切片及PEE-PBT共混體的DSC

DSC熱分析的測試數據是材料的基本表征指標之一，可以為加工方法和產品性能的評價提供依據。PEE(WS-1)切片、PBT切片、PEE-PBT共混體切片的DSC曲線見圖1，從圖中可以看出，PEE(WS-1)切片熔點為214.7 ℃、PBT切片熔點為223.3 ℃，PEE-PBT共混體纖維切片熔點為214 ℃和223.4 ℃、在221.9 ℃處有1個小峰，說明有較長PBT鏈段的聚集[5-6]。PEE(SW-1)是一種嵌段共聚體，硬段含量較高的樣品中出現PBT的熔融峰，可以說明PEE(SW-1)與PBT均聚體之間可能有較好的相容性，適合于共混體加工。

3.2 短纖維制造工藝

根據PEE(SW-1)切片及PBT切片的特點和測試結果，選擇常規的混合造粒工藝和熔體紡絲工藝路線，具體工藝路線如下：

3.2.1 PEE(SW-1)和PBT的混合造粒

PEE(SW-1)切片/PBT切片25/75投入雙螺桿中→切片熔融并擠出樣條(在雙螺桿的前進線上抽真空，真空度為0.08 MPa)→樣條進入水浴冷卻→冷卻線上用空氣氣流將樣條吹干→用塑料切斷機將樣條切斷。

3.2.2 PEE-PBT共混體切片的干燥和紡絲

將PEE-PBT共混體切片投入真空干燥轉鼓中進行干燥→將PEE-PBT共混體干燥切片在單螺桿中進行切片熔融→熔體經過保溫的紡絲箱→熔體經紡絲組件實現紡絲→紡出PEE-PBT共混體纖維并給其上油→收絲→將PEE-PBT共混體纖維進行集束→PEE-PBT共混體纖維經過第一水浴→PEE-PBT共混體纖維在第二水浴中進行牽伸→PEE-PBT共混體纖維經過蒸汽牽伸箱→經過保溫的蒸汽箱→對PEE-PBT共混體纖維進行卷曲—將PEE-PBT共混體纖維進行松弛干燥→按照纖維的設計長度將PEE-PBT共混體纖維進行切斷。

3.3 紡絲與牽伸的主要工藝條件

實驗表明紡絲與牽伸合理的工藝條件為：PEE-PBT造粒時熔融溫度為245 ℃，模口出料溫度為235 ℃，樣條空氣流溫度為30 ℃；經共混造粒的切片在160 ℃、0.092 MPa下干燥9 h,水分控制在40 ppm左右；紡絲時PEE-PBT熔體溫度控制在260 ℃，紡絲箱溫度控制為257 ℃，組件壓力5 MPa；紡絲速度為1 200 m/min。牽伸時水浴溫度控制在63 ℃；蒸汽箱拉伸儀表溫度為102 ℃；設計卷曲數為12 個/cm，名義牽伸比設定為3.05。

3.4 PEE-PBT共混體卷繞絲和拉伸后成品纖維的拉伸性能

錦綸、滌綸和丙綸等纖維的熔紡初生纖維拉伸時均很容易進行“冷拉”，且在纖維進行“冷拉”后出現細頸，其自然拉伸比約為3倍。這也是認定纖維結晶形態結構發生變化的根據之一，即這種細頸的宏觀表現代表了纖維在牽伸工藝中大分子的結晶和取向發生了巨大變化。PEE-PBE共混體在熔融紡絲中的卷繞絲絲束和單絲也同樣表現出“冷拉”的特點，可觀察到明顯的冷拉細頸。按照熔紡纖維拉伸工藝的原理[5-6]，纖維牽伸倍率愈大強度愈高，并且斷裂伸長率就愈小，同時纖維的細度也就愈小。

圖2 PEE-PBT共混體纖維的卷繞絲和成品絲的拉伸負荷-拉伸率曲線

PEE-PBT共混體的卷繞絲和成品絲的拉伸負荷-拉伸率曲線見圖2，可以看出卷繞絲的基礎數據，這也是進一步分析和設計拉伸工藝條件的依據。所以在保證工藝能夠正常運行的情況下，盡可能采用比較高的牽伸倍率，并將牽伸比的值設定為3.05。將多次測定數據進行平均，得到纖維卷繞絲束的拉伸強度為0.67 cN/dtex,斷裂伸長率為290%。

PEE-PBT共混體經過3.05倍的拉伸和卷曲工藝后，得到了成品纖維典型的拉伸負荷-拉伸率曲線。多次測定數據取平均值，得到PEE-PBT共混體纖維在拉伸工藝完成后，成品纖維束的位伸強度為2.84 cN/dtex,斷裂伸長率為63%。

PEE嵌段共聚體結構中的軟段成分、材料形變中分子鏈構象的可逆轉變使得PEE-PBT共混體纖維有著與PEE纖維[7-10]相似的優良彈性回復率。

PEE-PBT共混體纖維與其他幾種纖維在不同伸長率下的彈性回復率見表1。可以看出，PEE-PBT共混體纖維的彈性回復性能均好于錦綸、羊毛、PTT等彈性優良的纖維。

表1 PEE-PBT共混體纖維與其他幾種纖維在不同伸長率下的彈性回復率 %

注：PEE*為本課題組實驗樣品，實驗溫度為20 ℃，相對濕度為65%。

圖3 各種纖維應力-應變曲線趨勢示意圖

應力-應變曲線是纖維材料基本力學性能的重要表征曲線。6大類纖維應力-應變曲線趨勢示意圖見圖3。氨綸與其他普通紡織纖維相比，存在巨大差距，其斷裂伸長率太大，而斷裂強度及拉伸模量又太低，因此用傳統紡紗工藝[11](如環錠紡紗)對于其短纖維進行加工是十分困難的。本文中的PEE-PBT共混體纖維，與羊毛纖維力學性能十分接近，因此可以用傳統的紡紗設備對其進行紡紗或共混紡紗，制出新的彈性紗線。

4 結束語

本文制出的PEE-PBT共混體短纖維的線密度為1.67 dtex，拉伸強度為2.84 cN/dtex,斷裂伸長率為63%；其纖維在15%的拉伸下，彈性回復率大于95%。PEE-PBT共混體纖維與羊毛纖維應力-應變曲線的趨勢較為接近，為采用傳統紡紗設備(如環錠紡紗機)進行加工創造了條件，值得進一步探索。