細旦聚苯硫醚纖維的制備及性能

吳鵬飛，彭梓航，任 捷，朱金唐，崔 寧，崔華帥，史賢寧，李 杰，黃 慶

(1. 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； 2. 杭州科百特過濾器材有限公司，浙江 杭州 311265； 3. 中國紡織機械協會，北京 100028)

聚苯硫醚(PPS)纖維是一種耐腐蝕、耐高溫的高性能纖維，耐高溫濾材是其典型應用之一[1]。隨著環保要求提高，為提高PPS濾材的過濾精度，PPS纖維細旦化的需求逐漸提高。同時，細旦PPS纖維防輻射、隔熱、保溫的特點，也為其在服裝面料領域的應用開拓了更廣闊的前景。

目前，制備細旦、超細旦PPS纖維的方法有熔噴法[2]，海島纖維法[3-4]，熔融靜電紡法[5-6]等，但市場上很少見用熔融紡絲法制備的細旦PPS長絲，其制備難度在于：若原料不勻，熔體易有氣泡；熔體高溫停留時間較長會發生交聯，堵塞噴絲孔，使流變性能下降，可紡性變差[7]。熔融紡絲的過程中，原料本身的熔體流變性能及剪切速率和噴絲頭拉伸比都是影響可紡性的重要因素，噴絲板的孔徑決定了噴絲頭拉伸比，且高度影響剪切速率，若要紡制細旦絲，應優選較小直徑的噴絲孔[8]，但目前還未見關于噴絲板孔徑與PPS纖維線密度之間關系的報道。

作者從噴絲板孔徑與熔體穩定性的關系角度出發，采用標準毛細管研究了PPS纖維級切片的流變性能；模擬現實紡絲時熔體流經噴絲板孔的流變情況，采用非標毛細管研究了噴絲板孔徑對PPS熔體穩定性的影響；同時選取不同孔徑噴絲板，參考常規PPS纖維紡制工藝[11-13]，固定后處理工藝，制備了單絲線密度0.8 dtex的細旦PPS纖維，研究了噴絲板孔徑對纖維力學性能、結晶與取向性能的影響，以期為細旦PPS纖維的制備提供借鑒。

1 實驗

1.1 主要原料

PPS切片：牌號Fortron 0320，纖維級，熔點為280 ℃，玻璃化轉變溫度為90 ℃，美國Ticona公司產。

1.2 儀器與設備

UGI-1C型固體水分測量儀：成都儀器廠制；DSC-8000型差示掃描量熱儀：美國PerkinElmer公司制；SCY-Ⅲ聲速儀：上海凱歷迪新材料科技股份有限公司制；Instron 2343萬能材料試驗機：美國英斯特朗公司制；DZF-6050型真空干燥箱：中儀國科(北京)科技有限公司制；RheoGraph 25型高壓毛細管流變儀: 德國Goettfert公司制；單螺桿紡絲機：帶環吹和緩冷器，中國紡織科學研究院自制；七輥平牽機：中國紡織科學研究院自制。

1.3 細旦PPS長絲的制備

將PPS切片在真空干燥箱中120 ℃干燥4 h，再升溫至160 ℃，確保切片的含水率小于50 mg/kg。初生纖維制備在單螺桿紡絲機進行，螺桿直徑22 mm，長徑比為28:1；計量泵規格為2.4 mL/r；噴絲板選用不同孔徑規格的48孔噴絲板。PPS初生纖維紡絲工藝條件見表1。

表1 PPS初生纖維紡絲工藝條件Tab.1 Spinning process conditions of as-spun PPS fiber

將熔融紡絲制得的1#～3#PPS初生纖維進一步在七輥平牽機上進行熱牽伸和熱定型，兩步牽伸，牽伸溫度分別為100 ℃和115 ℃；兩步緊張熱定型，熱定型溫度分別為135 ℃和200 ℃，總牽伸倍數3.6倍，卷繞后得到線密度為0.8 dtex的細旦PPS牽伸絲，分別標記為4#～6#試樣。

1.4 分析與測試

結晶性能：采用DSC-8000 型差示掃描量熱儀測試，氮氣保護，以20 ℃/min升溫速率從30 ℃升溫到320 ℃，完成第一次熔融，得到PPS牽伸絲的熔融曲線，并根據式(1)計算PPS牽伸絲的結晶度(Xc)。

(1)

式中：?H為測試樣品的熔融焓；?H0為測試樣品100%結晶時的熔融焓，取77.5 J/g[16]。

聲速取向：采用SCY-Ⅲ聲速儀測試纖維的聲速取向。隨機抽取一定數量的纖維試樣，分別測定每個試樣在20 cm和40 cm處聲波傳播的時間，并按式(2)計算取向因子(fs)。

(2)

式中：Cu為無規取向纖維的聲速值，取1.51 km/s[12]；C為纖維試樣的實測聲速值。

力學性能：參考GB/T 14344—2008《化學纖維長絲拉伸性能試驗方法》，在Instron 2343萬能材料試驗機上對纖維試樣進行測試，纖維夾持長度500 mm, 拉伸速率 500 mm/min。測試環境溫度 20 ℃，相對濕度 65%，每個試樣測試15次，結果取平均值。

2 結果與討論

2.1 PPS的流變性能

2.1.1 流變曲線

圖1 PPS切片的ηa與的關系曲線Fig.1 Curves of ηa versus for PPS chip■—305 ℃；●—310 ℃；▲—315 ℃；▼—320 ℃；◆—325 ℃；?—330 ℃

2.1.2 黏流活化能(?Eη)

?Eη反映了溫度對熔體ηa的影響程度，?Eη越高，則表明熔體黏度受溫度影響越大；反之，表明ηa對溫度不敏感。?Eη可以根據Arrhenius方程計算，見式(3)。

ηa=Ae-?Eη/RT

(3)

式中：A為常數；R為普適氣體常數，其值為8.3145 J/(mol·K)；T為熱力學溫度。

根據2.1.1中測得的ηa值，以lnηa對1/T作圖，并對其進行線性擬合，得到的直線的斜率即為?Eη，其數值見表2。

表2 PPS熔體的?EηTab.2 ?Eη of PPS melts

2.1.3 非牛頓指數(n)

(2)

表3 PPS熔體在不同溫度下的nTab.3 n values of PPS melt at different temperatures

2.1.4 結構黏度指數(?η)

?η表征的是紡絲流體的結構化程度。非牛頓流體的?η大于0。?η值越小，流體的結構化程度越低，流動穩定性和可紡性越好；?η值越大，流體的結構化程度越高，紡絲越困難。?η由式(3)求得[14]。

(3)

表4 PPS熔體在不同溫度下的?ηTab.4 ?η of PPS melt at different temperatures

由表4可知，溫度從305 ℃升高到330 ℃，PPS熔體的?η僅從1.06降低到0.99，這說明隨著溫度的升高，PPS熔體的流動穩定性略有提高。但在紡絲過程中，若溫度過高，能耗升高，且PPS大分子鏈上的C—S鍵會發生斷裂形成自由基，通過自交聯和氧化交聯兩種方式交聯[2]，造成堵塞噴絲孔；根據PPS熔體的?η變化規律，溫度降低，熔體結構化程度變大，不利于紡絲。因此，本研究選擇進一步紡絲和測試的溫度為315 ℃。

2.2 噴絲板孔徑對PPS熔體穩定性的影響

因此，本研究選擇孔數為48，孔徑分別為0.18 mm，0.2 mm和0.3 mm(長徑比均為3)的圓形噴絲板用于細旦PPS纖維的制備。

2.3 細旦PPS纖維的性能

2.3.1 力學性能

圖2 不同噴絲板孔徑下PPS初生纖維的應力-應變曲線Fig.2 Stress-strain curves of as-spun PPS fibers produced at different spinneret hole size1—1#試樣；2—2#試樣；3—3#試樣

PPS初生纖維牽伸處理后的力學性能見表6。

表6 PPS初生纖維牽伸處理后的力學性能Tab.6 Mechanical properties of as-spun PPS fibers after drawing

從表6可以看出，在相同的熱牽伸和熱定型處理條件下，各牽伸絲的斷裂伸長率相當，但在噴絲板孔徑為0.20 mm下制備的牽伸絲斷裂強度最高，達到了4.7 cN/dtex，明顯高于噴絲板孔徑為0.18 mm、0.30 mm的牽伸絲，這可能是因為在初生絲制備過程中，孔徑為0.20 mm的噴絲板孔徑合理，PPS熔體擠出形成過程中，大分子鏈解纏結與固化時取向較好，在相同的熱牽伸和熱定型的過程中，初生纖維取向度較好的優勢得以保持，因此纖維力學性能較好。

2.3.2 結晶性能

表7 不同噴絲板孔徑下細旦PPS牽伸絲的Xc和?HTab.7 Xc and ?H of fine denier drawn PPS fibers at different spinneret hole size

2.3.3 取向性能

從表8可以看出，噴絲板孔徑為0.20 mm時對應的PPS牽伸絲的fs最高，為0.69，即取向度最高。聲速法測得的是纖維的整體取向度，包括晶區和非晶區的取向。

表8 不同噴絲板孔徑下細旦PPS牽伸絲的fs和CTab.8 fs and C of fine denier drawn PPS fibers at different spinneret hole size

3 結論

b.隨著溫度升高，PPS熔體的?η降低，適宜的紡絲溫度為315 ℃；在315 ℃下經過不同尺寸毛細管時，PPS熔體的?η隨毛細管直徑的減小而減小。