常壓陽(yáng)離子可染聚酯熔體的流變性能研究

張?zhí)炝粒墅惾A，李志鵬，李志勇，金 劍，李 鑫

(1.北京化工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院 北京100029；2.中國(guó)紡織科學(xué)研究院有限公司 生物源纖維制造技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100025)

聚酯具有較好的耐磨性、回彈性等性能,在紡織纖維等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，聚酯纖維作為化學(xué)纖維最大品種的纖維,在我國(guó)乃至世界化纖工業(yè)的發(fā)展過(guò)程中都起著非常重要的作用。在所有改性聚酯纖維中,陽(yáng)離子染料可染聚酯纖維是研究開(kāi)發(fā)最早并最成功的種類(lèi)[1]。其中，常壓陽(yáng)離子染料可染聚酯(ECDP)纖維適用于仿真織物的開(kāi)發(fā),也能夠用來(lái)純紡或者與自然纖維及其他種類(lèi)化學(xué)纖維混紡，是開(kāi)發(fā)各種休閑、運(yùn)動(dòng)面料的優(yōu)良原料[2]。

聚合物分子運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了聚合物熔體的外在流動(dòng)，聚合物的流動(dòng)行為主要與聚合物分子結(jié)構(gòu)、相對(duì)分子質(zhì)量等內(nèi)在的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有關(guān)；此外，外部環(huán)境如溫度、壓力、流動(dòng)速度等條件的改變也會(huì)對(duì)熔體的流動(dòng)行為產(chǎn)生較大的影響。因此，研究聚合物熔體的流變性能對(duì)加工工藝的選擇或優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)意義。作者利用高壓毛細(xì)管流變儀研究了ECDP熔體的流變性能，并與常規(guī)聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)的流變性能進(jìn)行對(duì)比，為調(diào)整優(yōu)化ECDP纖維紡絲的工藝參數(shù)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試樣

PET：特性黏數(shù)([η])0. 72 dL/g，熔點(diǎn)240 ℃，中國(guó)石化儀征化纖股份有限公司產(chǎn)；ECDP-1：[η] 0. 601 dL/g，熔點(diǎn)236 ℃，中國(guó)紡織科學(xué)研究院有限公司產(chǎn)； ECDP-2：[η] 0. 574 dL/g，熔點(diǎn)240 ℃，紹興九洲化纖有限公司產(chǎn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

分別將ECDP-1、ECDP-2切片及PET切片在真空干燥箱中80 ℃預(yù)結(jié)晶2 h， 然后升溫至120 ℃真空環(huán)境下干燥至少10 h，使切片的含水率低于50 μg/g。采用德國(guó)Gottfert公司的RHEOGRAPH25型高壓毛細(xì)管流變儀對(duì)試樣進(jìn)行流變性能測(cè)試，毛細(xì)管的長(zhǎng)徑比為40:1，測(cè)試溫度分別為270，280，290 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚酯的流動(dòng)曲線(xiàn)

圖1 不同T下試樣的流動(dòng)曲線(xiàn)Fig.1 Rheological curves of samples at different T■—270 ℃;●—280 ℃;▲—290 ℃

2.2 非牛頓指數(shù)(n)

n可以用來(lái)表征聚合物流體偏離牛頓流體的程度，其數(shù)值大小與熔體T等的因素有關(guān)。越接近1說(shuō)明熔體越接近牛頓流體。它對(duì)聚合物熔體在后續(xù)的紡絲加工中的可紡性產(chǎn)生一定的影響。

(1)

式中：K為稠度系數(shù)。

對(duì)公式(1)兩端取對(duì)數(shù)：

(2)

圖2 不同T下試樣的lgσ與的關(guān)系曲線(xiàn)Fig.2 Curves of lgσ versus of samples at different T■—270 ℃;●—280 ℃;▲—290 ℃

表1 不同T下試樣的nTab.1 n of samples at different T

2.3 黏流活化能(?Eη)

?Eη的大小體現(xiàn)出熔體ηa與T的關(guān)系，T會(huì)對(duì)聚合物熔體的ηa產(chǎn)生較大的影響，其關(guān)系可用Arrhenius方程來(lái)表示[6]:

ηa=Ae?Eη/R T

(3)

式中：R為理想氣體常數(shù)；A為指前因子。

對(duì)公式(3)兩邊取對(duì)數(shù)，得到公式(4)：

lnηa=lnA+?Eη/RT

(4)

表2 不同下試樣的?EηTab.2 ?Eη of samples at different

2.4 結(jié)構(gòu)黏度指數(shù)(?η)

?η表示聚合物熔體的結(jié)構(gòu)化程度，可以反映熔體內(nèi)部大分子鏈的纏結(jié)程度和衡量紡絲流體可紡性好壞。在非牛頓區(qū)內(nèi),假塑性流體的?η大于 0。?η越小，表明流體的結(jié)構(gòu)化程度越低，可紡性越好；反之，?η越大表明紡絲熔體的結(jié)構(gòu)化程度越大,大分子纏結(jié)越嚴(yán)重，可紡性和穩(wěn)定性越差。?η的計(jì)算公式如式(5)所示[8]:

(5)

圖4 不同T下試樣的lgηa與的關(guān)系曲線(xiàn)Fig.4 Curves of lgηa and of samples at different T■—270 ℃;●—280 ℃;▲—290 ℃

由圖4的曲線(xiàn)斜率可以得到不同T下的?η，如表3所示。

表3 不同T下試樣的?ηTab.3 ?η of samples at different T

由表3可看出：隨著T的升高，試樣的?η逐漸減小，說(shuō)明試樣的熔體結(jié)構(gòu)化程度下降。這是因?yàn)門(mén)的升高會(huì)使得熔體的纏結(jié)點(diǎn)濃度降低，從而會(huì)使熔體的?η減小。因此，在調(diào)整聚酯紡絲工藝過(guò)程中，在允許范圍內(nèi)提高紡絲溫度可以改善其熔體的可紡性和穩(wěn)定性。對(duì)比ECDP-1、ECDP-2與PET熔體的?η可以看出，ECDP-1、ECDP-2的?η較 PET 熔體高，表明ECDP-1、ECDP-2的結(jié)構(gòu)化程度高于 PET 熔體，這是因?yàn)镋CDP-1、ECDP-2引入的磺酸基團(tuán)會(huì)導(dǎo)致空間位阻增加，分子間作用力增大，因此會(huì)導(dǎo)致ECDP-1、ECDP-2的?η較大。

3 結(jié)論

d. ECDP-1、ECDP-2與PET的?η隨著T的升高而減小；在避免聚酯[η]發(fā)生較大幅度降低的前提下，適當(dāng)升高紡絲T調(diào)整其?η，從而可改善熔體的可紡性和穩(wěn)定性。另外，ECDP-1、ECDP-2的?η較PET熔體高，表明ECDP-1、ECDP-2的結(jié)構(gòu)化程度高于PET熔體。