LPET和PET的流變性能及其皮芯復合紡絲研究

劉 傳 生

(中國石化儀征化纖有限責任公司研究院，江蘇 儀征 211900)

低熔點聚酯(LPET)因其熔點低及與常規聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)良好的黏合性和相容性，常用來生產皮芯復合纖維，皮層LPET在較低加熱條件下即可融化，并形成良好的黏結作用，而芯層的PET部分起到提高強度的作用[1]。但由于皮層LPET的力學性能較差，導致制備的LPET/PET皮芯復合纖維的強伸性能在整體上較單一組分的PET纖維要低，而通過纖維的細旦化，可有效提高纖維的強伸性能，增加纖維表面積，進一步提升黏結牢度，在減少使用量的情況下，達到同樣甚至更好的效果，同時也可節約成本[2]。

1 實驗

1.1 原料

LPET切片、PET切片：中國石化儀征化纖有限責任公司生產。其切片的玻璃化轉變溫度(Tg)、熔點(Tm)、特性黏數([η])等基本指標見表1。

表1 PET及LPET切片常規指標Tab.1 Conventional index of PET and LPET chips

1.2 設備與儀器

DZF-6050型真空干燥箱：上海精宏實驗設備有限公司制；JM-500ZGX型自動真空轉鼓干燥箱：上海金瑪電光技術研究所制；JWHQ100型復合紡絲機：晉中經緯化纖精密制造有限公司制；JWKV518型平牽機：晉中經緯化纖精密制造有限公司制；XPL-2型光學顯微鏡：南京江南永新光學有限公司制；Rosand RH-7型毛細管流變儀：英國Malven公司制；TG 209 F1 Iris型熱失重儀：德國耐馳公司制；YG023B型全自動單紗強力儀：常州八方力士紡織儀器有限公司制。

1.3 實驗方法

1.3.1 皮芯復合初生纖維的制備

首先將LPET切片在真空干燥箱中于50 ℃下干燥40 h，常規PET切片于真空轉鼓中按如下工藝進行干燥：室溫～90 ℃升溫3 h保溫2 h，90～120 ℃升溫1 h保溫2 h，120～150 ℃升溫1 h保溫9 h。將干燥好的切片投入復合紡絲機進行熔融紡絲，以LPET為皮層，常規PET為芯層，制備皮芯復合初生纖維。其紡絲速度為1 000 m/min，側吹風速度為0.45 m/s，紡絲工藝流程如圖1所示。

1.3.2 細旦LPET/PET皮芯復合纖維的制備

將皮芯復合初生纖維在平牽機上進行后加工制備細旦LPET/PET皮芯復合纖維。熱盤溫度85 ℃，熱板溫度110 ℃，拉伸速度450 m/min，其工藝流程如圖2所示。

1.4 分析與測試

強伸性能：按照GB/T 14344—2008《化學纖維長絲拉伸性能試驗方法》進行測試。測試夾持距離(500±1)mm，拉伸速度 500 mm/min，測試環境溫度(20±2)℃，相對濕度(65±5)%。

熱性能：采用TG 209 F1 Iris型熱失重儀進行測試。將5 mg試樣置于鉑坩堝內，在氮氣氣氛下，升溫速率為10 ℃/min，溫度為50～650 ℃，記錄試樣質量的變化，得到試樣的熱重(TG)曲線。

2 結果與討論

2.1 熱性能

從圖3可以看出，LPET及PET的起始分解溫度分別為307.5，336.8 ℃，都能滿足熔體熔融紡絲的加工要求。

圖3 PET及LPET切片的TG曲線Fig.3 TG curves of PET and LPET chips1—PET； 2—LPET

2.2 熔體流變性能

2.2.1 流動曲線

▲—288 ℃;■—292 ℃;●—296 ℃;◆—300 ℃

▲—240 ℃;■—250 ℃;●—260 ℃;◆—270 ℃

2.2.2 非牛頓指數(n)

(1)

式中：K為常數。

表2 PET及LPET熔體的nTab.2 n of PET and LPET melts

2.2.3 結構黏度指數(?η)

表3 PET及LPET熔體的?ηTab.3 ?η of PET and LPET melts

2.2.4 黏流活化能(?Eη)

?Eη用來表征熔體黏度對溫度的依賴性。分子鏈的柔順性越好，?Eη值越低。溫度與熔體黏度的變化關系符合Arrhenius方程[7]：

ηa=AeΔEη/RT

(2)

式中：A為常數，其值為8.314 5 J/( mol·K)。

以lnηa對1/T作圖，從擬合直線中的斜率得到?Eη，具體數值見表4。從表4可以看出，PET的?Eη較LPET要小很多，說明其熔體黏度對溫度的依賴性更低，有利于紡絲成形，在紡絲溫度的調整中更靈活。LPET的?Eη較高，表明該熔體黏度對溫度的依賴性更高，提高溫度，ηa降低得越多，有助于改善熔體的加工成形。

表4 LPET及PET熔體的?EηTab.4 ?Eη of PET and LPET melts

2.3 噴絲孔出口的計算

(3)

式中：Q為噴絲孔單孔體積流量；S為異形孔截面積；Dh為噴絲孔當量直徑；λ為微孔截面形狀因子。

由文獻[9]可知，芯層噴絲孔的λ(λL)為16，皮層噴絲孔的λ(λh)可由公式(4)計算獲得[10]：

(4)

式中：k為噴絲孔內孔直徑與外孔直徑的比。

由公式(4)計算得到λh為25.6。

表5 LPET及PET熔體在噴絲孔出口處的Q及Tab.5 Q and of PET and LPET melts at spinneret hole outlet

2.4 紡絲溫度

表6 LPET和PET熔體的復合紡絲溫度Tab.6 Composite spinning temperature of PET and LPET melts

從表6可以看出，皮層比例越低，兩種熔體的復配溫度越高，根據之前兩種熔體n、?η、?Eη的特征，應采用相對更高的溫度。在螺桿擠壓熔融階段，相近的螺桿擠出溫度可以避免兩種熔體因在紡絲箱體中溫度相差較大而造成的紡絲不穩定性。PET的Tm高，采用熔融效果更充分的具有五區加熱功能的A螺桿；LPET的Tm低，易熔融，采用四區加熱功能的B螺桿，同時，為避免進料口處環結堵料，螺桿一區不加熱。熔體進入紡絲箱體后，因溫度差而進行的熱交換會使兩種熔體的溫度發生改變。為使兩種熔體接近理想溫度并滿足PET熔體的流動性，箱體溫度應設在PET熔體的理想溫度之間，優化后的紡絲溫度見表7。

表7 優化后的螺桿溫度及箱體溫度Tab.7 Optimized screw temperature and box temperature

在表7工藝條件下進行復合紡絲，所制備的皮芯復合初生纖維在顯微鏡下放大100倍后的截面形態見圖5。由圖5可見：在皮芯質量比為5∶5及4∶6時，皮層分布均勻，纖維成形完好；皮芯質量比為3∶7時，纖維成形劣化，纖維的皮層結構出現破裂，部分纖維的表面甚至完全沒有皮層包覆。這是因為過小的皮芯質量比使組件內LPET熔體的壓力偏低，導致LPET熔體在噴絲孔處不能均勻的包覆PET熔體所造成的。因此，在制備細旦皮芯復合纖維時，皮層比例不宜過低。

圖5 不同皮芯質量比的LPET/PET復合纖維截面形態Fig.5 Cross section morphology of LPET/PET composite fiber with different sheath-core mass ratios

2.5 后加工溫度

在后加工過程中，熱盤起變形的作用，其設定溫度要滿足纖維充分拉伸的要求，通常要高于Tg，因此，熱盤溫度設定為85 ℃。熱板起到熱定型的作用，使纖維在高溫下充分取向并結晶，提高纖維的強度，因LPET的Tm較低，又不能使纖維出現黏結的情況，故熱板的溫度設定在110 ℃。

2.6 細旦LPET/PET皮芯復合纖維性能指標

由表8可見，整體上，隨著皮芯質量比的降低，在相同斷裂伸長率條件下，細旦LPET/PET皮芯復合纖維的可拉伸性能和斷裂強度提高。這是因為皮層LPET相較于芯層PET的力學性能弱很多，降低皮層比例后，纖維受LPET的影響降低，纖維性能改善，特別是皮芯質量比4∶6時，纖維單絲線密度達到1.38 dtex，經熱處理后，纖維黏結牢固，且皮芯結構完整(見圖6)，實現LPET/PET皮芯復合纖維細旦化和強度提升的同時，也滿足后道加工的要求。但皮層比例過低后，纖維成形變差，纖維的可拉伸性和力學性能下降嚴重，不勻率增加，已無法滿足產品的正常使用。

表8 細旦LPET/PET皮芯復合纖維性能指標Tab.8 Physical index of fine-denier LPET/PET sheath-core composite fiber

3 結論

b.皮芯質量比為5∶5、4∶6，紡絲溫度分別為290，292 ℃時，可紡性及纖維成形完好，皮層質量比過低時，可紡性及纖維性能劣化。

c.皮芯質量比為4∶6時，在110 ℃下進行拉伸3.25倍，制得的細旦LPET/PET皮芯復合纖維的單絲線密度為1.38 dtex、斷裂強度為3.42 cN/dtex、斷裂伸長率為22.36%。