滌綸POY動態熱應力測試方法及影響因素

孫燕琳，肖順立，林雪燕，顏志勇

(1.桐昆集團股份有限公司，浙江 桐鄉 314513； 2.嘉興學院，浙江 嘉興 314001)

纖維的動態熱應力[1]平均數值大小和波動變化量能直接反映出纖維長程范圍內微觀結構的均勻性，如纖維內部晶區和非晶區分布的均勻性、大分子鏈長程取向的均勻性等物理性能[2-3]。將滌綸預取向絲(POY)加熱到玻璃化轉變溫度(Tg)以上，測試其動態熱應力，能模擬POY拉伸等過程，還能判斷其結構性能[1, 4]，如力學性能、沸水收縮率、染色均勻性等。但測試過程的參數選擇也可能造成測試結果誤差，因此，已經制訂了FZ/T 50051—2020《滌綸預取向絲動態熱應力試驗方法》標準的測試條件，為了擴大我國纖維產業在國際上的影響力，該標準正在努力上升為國際標準。為此，作者探討預張力、熱箱內溫度、拉伸比和收絲速度等對滌綸POY動態熱應力測試結果的影響，以便能更好指導實際生產。

1 實驗

1.1 原料

滌綸POY：其規格分別為140 dtex/72 f、267 dtex/48 f、368 dtex/288 f，相應的單根纖維的線密度(dpf)分別為1.28，1.94，5.56 dtex，自制。

1.2 儀器

YG367型全自動長絲熱應力測試儀：加熱箱長度78 cm，溫度范圍為室溫～300 ℃，收紗速度10～400 m/min，纖維試樣長度10 ～999 m，常州八方力士紡織儀器有限公司制。

1.3 實驗方法

采用YG367型全自動長絲熱應力測試儀進行滌綸POY的動態熱應力測試。

滌綸POY的動態熱應力測試原理及方法為：POY經恒張力控制器，纏繞在導絲羅拉上，引入到熱箱中，穿越熱箱后經動態熱應力測量輪，牽引到牽伸輪上，經吸絲器收集。恒張力控制器上有彈簧碟片，可以控制導絲羅拉上纖維張力大小，這個張力稱為預張力。導絲羅拉和牽伸輪的速度之比，稱為拉伸比。本實驗儀器的導絲羅拉和牽伸輪共用同一臺電機的轉軸和變頻器，因此，導絲羅拉和牽伸輪的角速度一樣，拉伸比即為牽伸輪直徑與導絲羅拉直徑之比。收紗速度，即為牽伸輪的線速度。滌綸POY經加熱、拉伸后的應力變化，通過測量輪上的傳感器轉換成電信號，計算機采集處理，直接繪制出應力波動曲線，并計算應力的平均值、最大值、最小值、均方差和變異系數(CV)等。

2 結果與討論

2.1 預張力的影響

滌綸POY動態熱應力測試過程中，會發生纖維通過導絲羅拉導入熱箱，纖維在熱箱持續運行的穩定性關系到拉伸過程中微觀結構的變化。為了使纖維在導絲羅拉上纖維張力及運行速度穩定，在導絲羅拉的前面，安裝了恒張力控制器，將纖維引入到加熱箱里穩定運行。根據滌綸POY特性、已有文獻[5]和實際操作經驗，施加單位線密度預張力分別為0.03，0.04，0.05，0.06，0.07 cN/dtex，測試滌綸POY動態熱應力的實驗條件如表1所示。

表1 不同預張力的實驗條件

按照表1實驗條件，測試滌綸POY動態熱應力時將熱應力儀器上的讀數列于表2中。從表2可以看出：整束滌綸POY的纖維線密度越大，則整束纖維的動態熱應力測試值也越大。這是由于滌綸POY單根纖維數量越多、線密度越大，纖維內聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)大分子鏈數目越多，從而其動態熱應力越大。由表2還可以看出：3種規格的滌綸POY的dpf不同，當施加預張力從0.03 cN/dtex增加到0.07 cN/dtex時，每種纖維的單位線密度動態熱應力測試值沒有明顯變化，表明這個范圍內的預張力變化對動態熱應力的測試值沒有明顯影響。另外，從表2還可以看出：預張力大小對滌綸POY熱應力CV值有顯著影響，對于每一種規格的纖維，預張力從0.03 cN/dtex增加到0.07 cN/dtex，各動態熱應力CV值先減少后增加。如對于368 dtex/288 f(dpf 1.28 dtex)的滌綸POY，當預張力為0.05 cN/dtex時，其動態熱應力CV值只有0.19%;而預張力為0.07 cN/dtex時，其動態熱應力CV值為0.53%。這表明預張力太小或太大，都會引起纖維與輪子表面的摩擦力較大波動，從而導致動態熱應力讀數變化較大。

表2 單位線密度動態熱應力及其CV值與預張力的關系

2.2 熱箱內溫度的影響

測試滌綸POY動態熱應力時，滌綸POY在熱箱內受熱同時被拉伸，根據滌綸拉伸原理，PET大分子鏈的狀態與所處溫度環境有關。當PET大分子鏈溫度高于其Tg，PET大分子鏈段開始運動，大分子鏈由卷曲狀態伸直。因此，熱箱內溫度高于PET分子的Tg，即超過80 ℃后PET大分子鏈段在拉伸應力作用下逐漸伸直[6]，纖維長度增加，纖維直徑變小。

滌綸POY從室溫進入熱箱，受到熱箱熱輻射，纖維溫度逐漸升高，達到Tg，大分子鏈段開始運動，在軸向拉伸應力作用下伸直分子鏈的數量越多，分子鏈段取向度越高，局部區域內分子鏈由一維有序形發展成三維有序的結晶態結構，結晶過程中放出熱量，纖維溫度產生一個極大值[6]。

為了模擬滌綸POY實際拉伸效果，采用與實際生產相近的拉伸比1.65，考察拉伸溫度與動態熱應力的關系，結果如表3所示。

表3 單位線密度動態熱應力測試值與拉伸溫度的關系

從表3可以看出：對于每一種不同線密度纖維，熱箱溫度在165 ℃以上變化時，其纖維的動態熱應力測試值并沒有明顯增加或減少，都基本保持不變。這是由于熱箱內溫度高于165 ℃時，纖維進入熱箱內，較短時間內纖維的溫度高于Tg溫度，PET大分子鏈段開始運動，進入高彈態，產生高彈形變，高彈態的松馳時間與分子鏈段的黏度和高彈模量有關[7]；當熱箱溫度高于Tg80 ℃時，纖維的拉伸黏度變小，分子鏈段自由體積變大，分子鏈段之間的內摩擦阻力變小，分子鏈段高彈態松馳時間變小，能及時響應外界張力的形變而不產生滯后，在拉伸張力作用下，分子鏈段之間沒有參與內應力，因而表現出動態熱應力并沒有隨溫度升高而變化。從表3還可以看出：dpf越小，單位線密度動態熱應力越大，說明在加熱箱內，纖維受熱速率與dpf有關。如368 dtex/288 f(dpf為1.28 dtex)、140 dtex/72 f(dpf為1.94 dtex)、267 dtex/48 f(dpf為5.56 dtex)規格的纖維的單位線密度動態熱應力分別為0.42，0.40，0.34 cN/dtex。另外，隨著拉伸溫度的升高，纖維熱應力CV值整體上呈降低的趨勢。這是由于溫度越高，纖維升溫越快，有利于拉伸穩定，導致動態熱應力波動小，動態熱應力CV值減小。

2.3 拉伸比的影響

從表4可見：同一規格的滌綸POY的動態熱應力測試值都隨著拉伸比的增加而增加。

表4 單位線密度動態熱應力測試值與拉伸倍數的關系

這是由于拉伸比增加，施加在纖維上的形變速率越大，要求分子鏈段響應形變速率增加，分子鏈段高彈松馳時間不變情況下，分子鏈段之間內應力增加；同時，拉伸比增加，拉伸張力迫使更多分子鏈段由卷曲狀態轉變為更加伸直的鏈段，分子鏈段之間的運動阻力增加，表現出纖維形變響應越滯后，導致分子鏈段之間的內應力增加，因而宏觀表現為纖維動態熱應力隨拉伸比的增加而增加。由表4還可看出：相同拉伸比的情況下，纖維的dpf越小，單位線密度動態熱應力越大。當纖維dpf小于2 dtex時，纖維的動態熱應力CV值隨拉伸比的增加整體呈降低趨勢；但纖維dpf高于5.5 dtex時，纖維的動態熱應力CV值整體上隨拉伸比的增加而呈升高的趨勢。另外，在拉伸比相同的情況下，隨著拉伸溫度降低，纖維的動態熱應力CV值也隨之降低。

2.4 收紗速度的影響

從表5可以看出：一定收紗速度下，纖維線密度越大，動態熱應力值越大；隨著收紗速度提高，不同規格纖維動態熱應力值都增加。這是由于收紗速度越大，施加在纖維分子鏈段上的應變越快的緣故。

表5 單位線密度熱應力測試值與收紗速度之間關系

從表5還可以看出：滌綸POY的單位線密度動態熱應力測試值隨收紗速度的增加而增加，但增加的幅度很小。對比每種規格纖維的動態熱應力和單位線密度動態熱應力數據，收紗速度從150 m/min增加到250 m/min，單位線密度動態熱應力值增加幅度沒有整束纖維動態熱應力增幅明顯，表明收紗速度小于250 m/min時，對單位線密度動態熱應力的影響很小。另外，對于不同規格的滌綸POY，當收紗速度從50 m/min增加到250 m/min，熱應力CV值有降低趨勢。dpf越大，熱應力CV值降低趨勢越明顯。

3 結論

a.預張力在0.03～0.07 cN/dtex時對滌綸POY動態熱應力的測試結果沒有明顯影響。

b.熱箱內溫度在165 ℃以上時，滌綸POY動態熱應力測試值隨熱箱內溫度增加而變化不明顯。拉伸溫度相同時， dpf越小，單位線密度的動態熱應力越大。

c.滌綸POY動態熱應力測試值隨拉伸比增加而增加。拉伸比相同時，纖維的dpf越小，單位線密度動態熱應力測試值越大。

d.收紗速度提高，滌綸POY動態熱應力測試值相應增加。收紗速度小于250 m/min時，收紗速度對單位線密度動態熱應力測試值的影響很小。