6D扁平高收縮腈綸的結構和性能

陳詠燕

(中國石化安慶分公司，安徽安慶 246000)

聚丙烯腈(PAN)纖維作為三大合成纖維之一，僅次于聚酯和聚酰胺，被廣泛應用于服裝、裝飾和產業用領域[1]。近年來，隨著合成纖維工業的發展以及人們生活水平的提高，傳統PAN纖維已不能適應人們的需求，市場對于高附加值、功能化PAN纖維產品的需求日益提高[2-4]。異形、高收縮、高親水、抗靜電、抗菌、導電、阻燃、高強度等產品的研發成為PAN纖維發展的重要方向[5-9]。

高收縮腈綸通常是指沸水收縮率高于15%的PAN纖維。將高收縮PAN纖維與常規PAN纖維以一定的比例混紡可以制備手感柔軟且富有彈性的膨體紗線[10-12]。與常規PAN纖維相比，扁平PAN纖維的截面與動物毛的截面形狀更加相似，具有與真毛相近的光澤度、膨松感、保暖性以及優良的抗起球性能，因此成為人造毛皮、玩具絨、室內裝飾布等的重要原材料[13]。扁平高收縮腈綸作為一種高附加值的差別化纖維，其織物的市場應用前景十分廣闊。但是，扁平高收縮腈綸的生產難度較大，其沸水收縮率的穩定性是其質量指標中的控制難點[12]。

本文以國產的6D扁平高收縮性腈綸作為對象，對其結晶結構、取向度、力學性能和熱收縮性能進行表征分析，研究其結構與性能之間的關系。

1 試 驗

1.1 原料與試劑

中國石化安慶分公司所生產的6D扁平高收縮性腈綸，采用丙烯腈、醋酸乙烯酯、甲基丙烯磺酸鈉三元共聚生產聚丙烯腈，然后用濃硫氰酸鈉溶解，制成適合紡絲的原液供紡絲生產出合格腈綸產品，經測試其扁平度大約在6左右。

圖1 6D扁平高收縮性腈綸

1.2 儀器設備

所用儀器設備的基本信息如表1所示。

表1 所用儀器設備

1.3 測試表征

沸水收縮率(S)測試：將6D扁平高收縮性腈綸放置于60℃、70℃、80℃、90℃、100℃的水浴中，保溫30min。其沸水收縮率為：

(1)

其中L1為纖維原始長度，cm；L2為纖維收縮后的長度，cm。

結晶度測試：采用粉末X射線衍射儀對樣品進行測試，再通過Peak fit軟件對數據進行分峰分析。將纖維剪成碎屑狀進行測試。其中結晶度為：

(2)

式中∑W為結晶峰面積之和(%)。

取向度測試：

使用聲速法測試纖維的全取向度，其計算公式如下所示：

(3)

式中Cu為取向完全無規時聲速的數值，腈綸的Cu為2.1 km/s，C為測試時的聲速值。

使用二維XRD測試纖維晶區取向度，其計算公式(4)如下所示：

(4)

式中Z1為第一個峰(16.8°)的半高寬，Z2為第二個峰(28°)的半高寬。

由計算得到的纖維全取向度與晶區取向度進一步計算非晶區取向度，其計算公式如(5)所示：

(5)

式中Es=11.3×C2(C為聲速儀測出的聲速值)；Ev=11.3×Cu2，Xc為結晶度，fa為晶區取向因子。

力學性能測試：對纖維樣品進行單絲力學性能測試，多次平行測試取其平均值。夾持距離10 mm，拉伸速率10 mm/min。

2 結果與討論

2.1 熱收縮過程中6D扁平高收縮腈綸沸水收縮率的變化

不同溫度時6D扁平高收縮腈綸的沸水收縮率如圖2所示。在溫度60℃、70℃時，腈綸收縮較小，當溫度進一步提高，沸水收縮率隨溫度的提高而快速上升。當溫度到達80℃以上時，溫度超過PAN的Tg，PAN的鏈節等小基團運動劇烈，甚至鏈段開始運動，非晶區發生解取向，因此沸水收縮率快速增大。

圖2 6D扁平高收縮腈綸不同溫度時的沸水收縮率

2.2 熱收縮過程中6D扁平高收縮腈綸的結晶度變化

為了探究扁平高收縮腈綸沸水收縮時熱收縮的解取向過程，本文測試了不同溫度水浴處理后6D扁平高收縮腈綸的結晶度。通過文獻可以得知腈綸的結晶峰位置分別在16.8°和28°，其中，16.8°為(100)晶面位置，28°為(110)晶面位置。下表為不同溫度下6D扁平高收縮腈綸的結晶度。通過表2數據可以看出，隨著溫度增加，6D扁平高收縮性腈綸的結晶度基本未發生明顯變化。

表2 不同溫度下6D扁平高收縮腈綸的結晶度

2.3 熱收縮過程中6D扁平高收縮腈綸的取向度

表3為不同溫度下6D扁平高收縮腈綸的聲速值和全取向度?？梢钥闯?，隨著溫度的升高，纖維的全取向度逐漸降低。在溫度較低時，纖維的全取向度下降的速度較慢。當溫度達到80℃到90℃之間時，纖維的全取向度開始快速下降，這可能是由于溫度高于樣品的Tg后PAN大分子鏈段開始運動，解取向加快，全取向度大幅度下降。當溫度為90℃到100℃時，纖維全取向的降低趨勢逐漸減緩直至達到極限。

表3 不同溫度下6D扁平高收縮腈綸的聲速值和全取向度

通過表4可以看出在收縮過程中晶區的取向度基本沒有發生變化，在前面我們得知在收縮過程中結晶度只有很小的變化，這說明了在熱收縮的解取向過程中，晶區部分幾乎是沒有貢獻的，扁平高收縮腈綸在沸水中收縮幾乎全部是由非晶區解取向造成的。

表4 不同溫度下6D扁平高收縮腈綸的半峰寬與晶區取向度

圖3為不同溫度下6D扁平高收縮腈綸的非晶區取向度，它是根據公式(5)計算得到。由圖可知，隨著溫度的升高，樣品的非晶區的取向度逐漸下降，在80℃時突然減小，90～100℃減小趨勢變緩慢，100℃時非晶區的取向度僅僅只有9.25%。

圖3 不同溫度下6D扁平高收縮腈綸的非晶區取向度

2.4 熱收縮過程中6D扁平高收縮腈綸的力學性能變化

力學性能是纖維品質的主要性能之一。在收縮后，腈綸的纖度和力學性能會發生相應的改變，此處我們對浸入不同溫度水浴的6D扁平高收縮腈綸纖度與力學性能進行測試，結果見表5。

表5 不同溫度的水浴下6D扁平高收縮性腈綸的強力與斷裂伸長率

由表5可見，隨著溫度的增加，6D扁平高收縮腈綸的斷裂伸長率在不斷增加。根據前文結晶結構與取向結構的分析可知，因為隨著溫度升高，PAN分子鏈內運動越劇烈，越來越多的非晶區進行解取向，PAN大分子鏈從伸直狀態變為卷曲狀態。拉伸時需將卷曲的非晶區鏈段拉直，然后到達極限強度才能導致纖維斷裂。所以增長的斷裂伸長率主要來自于解取向后非晶區的結構變化。

由表可見，6D扁平高收縮性腈綸的纖度隨著溫度的升高逐漸上升，這是因為在沸水收縮后，扁平高收縮腈綸發生了大幅度收縮，使線密度增大從而纖度變大。并且，隨著溫度逐漸升高，收縮程度越大纖維的纖度越大。6D扁平高收縮腈綸的強度隨著溫度的升高而降低，這主要是纖度變大造成的。

3 結 論

公司生產的6D扁平高收縮腈綸的沸水收縮率達到20.8%，其收縮主要來自于非晶區PAN分子的解取向，與晶區取向度關系不大。在聚合工藝不變的情況下，進一步提高扁平腈綸的沸水收縮率方法是提高非晶區的取向度或增加非晶區體積。