氧化石墨烯改性聚酯紡絲加工技術探究

王小華　汪春波　王炳奎　馮衛芳

摘要：氧化石墨烯改性聚酯纖維具有多種對人體健康有益的功能。從結晶干燥、紡絲熔體制備、上油、拉伸變形、產品拉伸力學性能與結構5個方面，對氧化石墨烯改性聚酯紡絲加工技術深入探究。結果表明：結晶干燥按常規聚酯切片工藝執行;紡絲熔體制備不受氣體氛圍的影響，溫度區間寬，但在螺桿中的停留時間對黏度降有很大影響;紡絲上油量明顯高于常規品種;拉伸變形時，出現底部退繞不盡、過尾斷頭的問題;POY、DTY拉伸力學性能偏低，其中，POY的強度及斷裂伸長明顯低于常規產品，不利于后道加工的穩定。研究結果可為氧化石墨烯改性聚酯的產業化增速提供參考。

關鍵詞：氧化石墨烯;改性聚酯;紡絲工藝;結晶干燥;紡絲熔體;上油;拉伸變形

中圖分類號：TS154文獻標志碼：A文章編號：1009265X（2022）03006005

Exploration on spinning technology of graphene oxide modified polyester

WANG Xiaohua， WANG Chunbo， WANG Bingkui， Feng Weifang

Abstract： Graphene oxide modified polyester fiber has a variety of functions beneficial to human health. This paper conducts indepth study of the spinning technology of graphene oxide modified polyester from five aspects of crystallization and drying， spinning melt preparation， oiling， drawtexturing and tensile mechanical properties of products. The results show that： the crystallization and drying are implemented in accordance with the conventional polyester chip process. The preparation of the spinning melt is free from the influence of gas atmosphere. The temperature range is wide， but the residence time in the screw has a great influence on the viscosity drop. The amount of spinning oil is significantly higher than that of the conventional varieties. During the tensile deformation， there exist some problems， such as endless bottom unwinding and end breakage. The tensile mechanical properties of POY and DTY are relatively low， while the strength and breaking elongation of POY are obviously lower than those of conventional products， which are not conducive to stable postprocessing. The research results are expected to provide a reference for the industrial growth of graphene oxide modified polyester.

Key words： graphene oxide; modified polyester; spinning process; crystallization and drying; spinning melt; oiling; drawtexturing

單層氧化石墨烯可以通過共聚或共混的改性方法對聚酯進行改性[14]，然后應用于長絲、短纖、無紡布等領域，賦予紡織品遠紅外發射、抗菌、抗紫外、負離子發生等性能[512]，可一材多效，使紡織品實現多功能健康升級，造福于民，在聚酯領域的應用具有廣闊前景。

氧化石墨烯原位聚合改性聚酯具有氧化石墨烯分散均勻，添加比例低，功能明顯的特點。然而，氧化石墨烯改性聚酯的加工性能較常規聚酯發生了變化，本文對氧化石墨烯改性聚酯的紡絲加工技術進行探究，為氧化石墨烯改性聚酯產業化進度增速提供參考。

1原料

聚酯材料分子鏈中的酯鍵在高溫、含水的條件下會發生水解，導致聚酯紡絲加工穩定性變差，氧化石墨烯改性聚酯材料面臨同樣問題。因此，氧化石墨烯改性聚酯紡絲加工前也需要進行結晶干燥;結晶干燥是原料用于加工之前的重要準備工作。改性聚酯切片在沸騰式結晶床上進行結晶，結晶溫度在175～179 ℃，然后進入干燥塔進行干燥，干燥溫度160～170 ℃，干燥時間8～14 h，含水率可以控制在40 mg/kg以內。氧化石墨烯改性聚酯切片的干燥條件與常規聚酯干燥條件相同。

在165 ℃下干燥14 h，在不同的時間段取樣，研究切片水份及黏度的變化情況，如圖1、圖2所示，可見切片黏度在干燥過程中黏度變化幅度很小，在合理范圍內;切片含水率在干燥前期下降迅速，在后期下降的幅度很小。因此，切片的干燥時間應該控制在10 h左右，既能達到干燥效果，也能節約能源。

2實驗

2.1紡絲實驗設計

主要考察熔融溫度、氣體氛圍、螺桿停留時間對紡絲熔體黏度穩定性的影響，改性材料對組件背壓的影響以及上油率對可紡性的影響，以提高改性材料可紡性。

2.2拉伸變形實驗設計

主要考察紡絲卷繞工藝空管超喂率、加彈結尾方式對加彈過尾穩定性的影響，加彈加工速度對加彈穩定性的影響，以提高拉伸變形工藝穩定性。

2.3質量指標及測試設備

自動烏式黏度測試儀測定黏度，全自動單紗強力機測定斷裂伸長率、斷裂強度，纖維油脂快速抽出器測定上油率，小角X射線衍射儀測定結晶度、取向度。

3結果與分析

3.1紡絲

3.1.1熔體制備

均一、穩定的紡絲熔體是可紡性及纖維質量的根本。采用原位聚合的方式制備氧化石墨烯改性聚酯切片，使氧化石墨烯在紡絲原液中分散均一。從生產技術的角度，熔體黏度降及組件壓力的變化是紡絲熔體質量的關鍵點。

紡絲溫度保證紡絲熔體在箱體中的流動性，提高紡絲熔體的均勻性，使紡絲原液獲得合適的流變性。但是，紡絲溫度應該設置在合理的區間，以免造成熔體過大的黏度降，使熔體不穩定。如圖3所示，在無剪切狀態下，在283～292 ℃的溫度范圍內，聚酯黏度降在合理的區間，說明氧化石墨烯改性聚酯材料加工溫度區間寬。

螺桿用于熔融、混合、輸送、計量紡絲熔體，對熔體的剪切作用較強，這種剪切作用在分子鏈相對運動受阻的情況下，會造成分子鏈斷裂，聚酯特性黏度降增大。如圖4所示，在氮氣保護氛圍中，在螺桿中的停留時間越長，氧化石墨烯改性聚酯材料的黏度降越大。對比圖3發現，螺桿剪切對改性聚酯黏度降的影響非常大，已經超出正常的黏度降幅度。

對比圖4和圖5發現，在空氣和氮氣氛圍下，氧化石墨烯改性聚酯材料的黏度降變化規律基本相同，并沒有因為氧氣的存在而導致更加嚴重的黏度降趨勢。

單層氧化石墨烯的片徑在1 μm左右，相對于二氧化鈦、炭黑等無機粒子，片徑偏高，但是單層氧化石墨烯具有柔性的特點，在組件濾網處沒有引起嚴重的聚集現象，如圖6所示，組件壓力隨時間的變化趨勢較為平穩。

3.1.2上油

油劑可以提高纖維的平滑性，保持纖維與纖維間、纖維與其他接觸部件的適宜摩擦系數;提高集束性，減少纖維生產、加工中產生的靜電并使之迅速消失。含有碳材料的滌綸需要提高上油率，因為碳材料具有更強的油劑吸附能力，如黑絲的上油率達到0.55%以上，才能保證紡絲、卷繞過程平穩，卷裝外觀達到質檢要求。

氧化石墨烯改性聚酯纖維同樣如此，由于氧化石墨烯對油劑具有很強的吸附能力，按照常規的上油工藝無法滿足需要，出現大量的網絲、毛絲，產品降等甚至報廢，帶來極大的經濟損失，如圖7所示，上油率達到0.75%以上，3次落筒中毛絲、網絲絲卷數量才能基本達到要求。但是，上油率過高為后道工序會帶來不穩定因素。

3.2拉伸變形

拉伸變形工藝過程賦予聚酯纖維更加穩定的結構，也有一定的彈性、蓬松性，使聚酯纖維能夠滿足更多應用領域的要求。氧化石墨烯改性聚酯紡制POY后，必須進行高質量的拉伸變形加工，才能使產品滿足高端紡織品的使用要求，代表性的拉伸變形工藝如表1所示。

3.2.1底部退繞不盡

氧化石墨烯改性聚酯紡制的POY在拉伸變形工藝過程中，在卷裝厚度0.5～1.0 cm處，出現較大比例的斷頭質量問題，這使生產穩定性大打折扣，機臺效率降低，工人工作量加大，產品檔次降等，嚴重影響經濟效益。

在分析過程中發現，空管超喂對于底部退繞不盡的問題有重要影響。在紙管加速和減速的過程中，紙管轉速和摩擦輥轉速之間由于系統反饋的原因存在一定的速度差，摩擦輥對纖維造成損傷。在快速退繞時，纖維損傷處跟不上對外力的響應而斷裂。如圖8所示，空管超喂越多，在36顆試樣絲中，出現底部退繞不盡問題的錠數越多。

3.2.2過尾斷頭

氧化石墨烯改性聚酯紡制的POY在拉伸變形工藝過程中，在過尾時出現比較嚴重的斷頭問題。如圖9所示，采用手動和壓槍兩種不同的接頭方式，48個錠位出現的過尾斷頭數都很高。

為了提高過尾穩定性，必須降低過尾時絲程上的張力，使接頭處的摩擦力能夠承受外力的作用。如圖10所示，48個錠位出現的過尾斷頭數隨加工速度的增加而增加。

3.3拉伸力學性能與結構分析

氧化石墨烯改性聚酯材料紡制的POY存在強度低、伸長短的問題，不同產品的拉伸力學性能如表2所示。POY的伸長低于120%，強度低于1.5 cN/dtex，從而造成DTY加工不穩定，也容易受到損傷，使最終產品質量不好。DTY伸長在20%左右，強度低于2.9 cN/dtex，強度偏低，在針織的高速織造工況下，對穩定性有影響。

不同產品的結晶度與取向度如表3所示，可見氧化石墨烯改性聚酯材料紡制的POY、DTY與普通黑絲、白絲相比，結晶度和取向度并沒有存在較大的偏差。但是在拉伸過程中，氧化石墨烯對于分子鏈的滑移起到阻礙作用，從而不利于產品的拉伸力學性能。

4結語

氧化石墨烯改性聚酯紡制的纖維具有多種對人體健康有益的功能。然而，該種材料的紡絲加工技術有待深入探究，以順利實現其產業化。結晶干燥按常規聚酯切片工藝執行;紡絲熔體制備不受氣體氛圍的影響，溫度區間寬，但在螺桿中的停留時間對黏度降有很大影響;紡絲上油量明顯高于常規品種;拉伸變形時，出現底部退繞不盡、過尾斷頭、煙氣量大的問題;POY、DTY拉伸力學性能偏低，其中，POY的強度及斷裂伸長明顯低于常規產品，不利于后道加工的穩定。

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收稿日期：20210301網絡出版日期：20210826

作者簡介：王小華（1983-），男，湖北廣水人，碩士研究生，主要從事新材料及紡絲加工技術方面的研究。

通信作者：馮衛芳，Email：wxh@zhink.cc