常壓陽離子可染聚酯熔體的流變性能研究

張天亮，甘麗華，李志鵬，李志勇，金 劍，李 鑫

(1.北京化工大學 化學工程學院 北京100029；2.中國紡織科學研究院有限公司 生物源纖維制造技術國家重點實驗室，北京 100025)

聚酯具有較好的耐磨性、回彈性等性能,在紡織纖維等領域應用廣泛，聚酯纖維作為化學纖維最大品種的纖維,在我國乃至世界化纖工業的發展過程中都起著非常重要的作用。在所有改性聚酯纖維中,陽離子染料可染聚酯纖維是研究開發最早并最成功的種類[1]。其中，常壓陽離子染料可染聚酯(ECDP)纖維適用于仿真織物的開發,也能夠用來純紡或者與自然纖維及其他種類化學纖維混紡，是開發各種休閑、運動面料的優良原料[2]。

聚合物分子運動導致了聚合物熔體的外在流動，聚合物的流動行為主要與聚合物分子結構、相對分子質量等內在的結構特點有關；此外，外部環境如溫度、壓力、流動速度等條件的改變也會對熔體的流動行為產生較大的影響。因此，研究聚合物熔體的流變性能對加工工藝的選擇或優化具有重要的指導意義。作者利用高壓毛細管流變儀研究了ECDP熔體的流變性能，并與常規聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)的流變性能進行對比，為調整優化ECDP纖維紡絲的工藝參數提供參考。

1 實驗

1.1 試樣

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

1.2 實驗方法

分別將ECDP-1、ECDP-2切片及PET切片在真空干燥箱中80 ℃預結晶2 h， 然后升溫至120 ℃真空環境下干燥至少10 h，使切片的含水率低于50 μg/g。采用德國Gottfert公司的RHEOGRAPH25型高壓毛細管流變儀對試樣進行流變性能測試，毛細管的長徑比為40:1，測試溫度分別為270，280，290 ℃。

2 結果與討論

2.1 聚酯的流動曲線

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

2.2 非牛頓指數(n)

n可以用來表征聚合物流體偏離牛頓流體的程度，其數值大小與熔體T等的因素有關。越接近1說明熔體越接近牛頓流體。它對聚合物熔體在后續的紡絲加工中的可紡性產生一定的影響。

(1)

式中：K為稠度系數。

對公式(1)兩端取對數：

(2)

圖2 不同T下試樣的lgσ與的關系曲線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的大小體現出熔體ηa與T的關系，T會對聚合物熔體的ηa產生較大的影響，其關系可用Arrhenius方程來表示[6]:

ηa=Ae?Eη/R T

(3)

式中：R為理想氣體常數；A為指前因子。

對公式(3)兩邊取對數，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 結構黏度指數(?η)

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

(5)

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

由圖4的曲線斜率可以得到不同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，說明試樣的熔體結構化程度下降。這是因為T的升高會使得熔體的纏結點濃度降低，從而會使熔體的?η減小。因此，在調整聚酯紡絲工藝過程中，在允許范圍內提高紡絲溫度可以改善其熔體的可紡性和穩定性。對比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的結構化程度高于 PET 熔體，這是因為ECDP-1、ECDP-2引入的磺酸基團會導致空間位阻增加，分子間作用力增大，因此會導致ECDP-1、ECDP-2的?η較大。

3 結論

d. ECDP-1、ECDP-2與PET的?η隨著T的升高而減小；在避免聚酯[η]發生較大幅度降低的前提下，適當升高紡絲T調整其?η，從而可改善熔體的可紡性和穩定性。另外，ECDP-1、ECDP-2的?η較PET熔體高，表明ECDP-1、ECDP-2的結構化程度高于PET熔體。