LMTPEE/PET偏心復合纖維的制備及其性能

肖雪　何肖　邢喜全　張夢茹　王秀華

摘 要： 為了制備柔韌性好、彈性優良的低熔點復合纖維，以低熔點熱塑性聚醚酯彈性體（LMTPEE）為皮層、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）為芯層通過熔融紡絲法制備了偏心復合纖維。探討了復合比對LMTPEE/PET偏心復合纖維橫截面、結晶性能、取向性能、拉伸性能、熱收縮性能、卷曲性能等的影響，以及熱處理溫度對復合纖維的卷曲形貌和黏結性能的影響。結果表明：不同復合比的復合纖維橫截面均有穩定的偏心結構；隨著復合比（皮與芯的體積比）從40∶60改變到50∶50、60∶40，復合纖維的斷裂伸長率和干熱收縮率呈現增大的趨勢，斷裂強度、聲速值、熔融焓和結晶度均逐漸減小。復合比為60∶40的LMTPEE/PET偏心復合纖維在熱處理溫度140 ℃、熱處理時間10 min時，具有較好的卷曲性能；熱處理溫度高于170 ℃、熱處理時間10 min時，纖維間發生黏結。該結果可為低熔點自卷曲纖維的制備和應用提供參考。

關鍵詞： 低熔點TPEE；偏心皮芯復合纖維；熱收縮性能；三維卷曲；黏結性能

中圖分類號： TQ342.25

文獻標志碼： A

文章編號： 1673-3851 （2023） 11-0701-08

引文格式：肖雪，何肖，邢喜全，等.LMTPEE/PET偏心復合纖維的制備及其性能［J］. 浙江理工大學學報（自然科學），2023，49（6）：701-708.

Reference Format： XIAO Xue， HE Xiao， XING Xiquan， et al. Preparation of LMTPEE/PET composite fibers with an eccentric sheath-core and their properties［J］. Journal of Zhejiang Sci-Tech University，2023，49（6）：701-708.

Preparation of LMTPEE/PET composite fibers with an eccentric sheath-core and their properties

XIAO Xue1， HE Xiao2， XING Xiquan3， ZHANG Mengru1， WANG Xiuhua1

Abstract：? To prepare low melting point composite fibers with superior flexibility and elasticity， eccentric composite fibers were prepared by melt spinning with low melting point thermoplastic polyether ester elastomer （LMTPEE） as the skin component and polyethylene terephthalate （PET） as the core component. The effects of the composite ratio on the cross section， crystallinity， orientation， drawability， thermal shrinkage and crimp properties of the LMTPEE/PET fibers and the effects of heat treatment temperature on the crimp morphology and adhesion properties of the composite fibers were discussed. The results show that the cross sections of the composite fibers with various composite ratios have stable eccentric morphology. With the composite ratio （LMTPEE∶PETthe ratio of LMTPEE to PET） changing from 40∶60 to 50∶50 and 60：40， the breaking elongation and dry heat shrinkage of the composite fibers increase， while the tensile strength， sonic velocity， melting enthalpy and crystallinity decrease gradually. The LMTPEE/PET fibers with a composite ratio of 60∶40 show a superior crimping performance after being treated at 140 ℃ for 10 min， while they could adhere with each other at a heat treatment temperature higher than 170 °C for 10 min. The results can provide reference for the preparation and application of low melting point self-crimping fibers.

Key words： low melting point TPEE; eccentric sheath-core composite fiber; heat shrinkage; three-dimensional crimp; adhesion property

0 引 言

熱熔黏合是非織造布制備的主要方法之一。其原理是將一定比例的低熔點纖維和主體纖維混合均勻后制成纖網，通過熱處理使低熔點纖維受熱熔融，與主體纖維產生黏結。隨著紡絲技術的進步，已經開發出以低熔點組分為皮層、高熔點組分為芯層的皮芯型復合纖維，以此取代低熔點單組分纖維，低熔點復合纖維與主體纖維混合所制備的非織造布的蓬松度明顯改善。目前此類皮芯復合纖維主要有PP/PE、PE/PET、LMPET/PET等，廣泛應用于汽車坐墊、床墊、仿絲棉等非織造領域［1-2］。

LMPET/PET皮芯復合纖維由于成本低、制備技術成熟而受到廣泛應用。皮層LMPET組分與芯層常規PET有著良好的相容性，當復合纖維加熱到超過皮層熔點而低于芯層熔點時，皮層LMPET發生熔融與主體纖維發生黏結，而芯層仍保持原來的物理狀態，起到支撐作用［3-5］。然而，LMPET/PET皮芯復合纖維呈物理剛性，其模量較高，所制非織造布的柔性和手感較差，導致其應用受到限制［6-7］。因此，尋求良好的柔韌性低熔點組分與PET復合制備纖維成為開發的關鍵。聚醚酯彈性體（TPEE）由高結晶聚酯硬段和無定形聚醚軟段組成。硬段微晶形成物理交聯，為TPEE提供力學性能；軟段為其提供柔韌性。因此TPEE具有優良的彈性、機械強度和耐磨性等優點［8-10］。低熔點熱塑性聚醚酯彈性體（Low melting point thermoplastic polyether ester elastomer，LMTPEE）是由TPEE改性制備，具有良好的回彈性、手感柔性和較好的聚酯相容性［11］。在復合方式上，與常規皮芯復合纖維相比，LMTPEE和常規PET以偏心方式進行復合紡絲，制得的纖維經松弛熱處理后，其卷曲勢能釋放，呈現出類似彈簧結構的三維自卷曲效果［12］，所制非織造布具有良好的透氣性和回彈性，可替代LMPET/PET皮芯復合纖維用于熱熔黏合非織造布的制備。但目前尚未有LMTPEE/PET偏心皮芯復合纖維的研究報道。

本文以LMTPEE為皮層、常規PET為芯層，采用熔融紡絲技術制備LMTPEE/PET偏心皮芯復合纖維。討論了復合比對LMTPEE/PET偏心復合纖維橫截面、結晶性能、取向性能、拉伸性能、熱收縮性能、卷曲性能等的影響，以及熱處理溫度對復合纖維的卷曲性能和黏結性能的影響，期望為此類低熔點自卷曲短纖維的制備和應用提供參考。

1 實驗部分

1.1 原 料

LMTPEE切片：熔點158 ℃，特性黏度1.40 dL/g，熔融指數（230 ℃，2.16 kg）11.6 g/10min，四川晨光科新塑膠有限責任公司提供。

PET切片：纖維級，特性黏度0.65 dL/g，中國石化儀征化纖有限責任公司生產。

1.2 LMTPEE/PET偏心復合纖維的制備

1.2.1 切片干燥

將LMTPEE切片在真空轉鼓烘箱中60 ℃干燥5 h，再80 ℃干燥24 h；PET在140 ℃真空轉鼓烘箱中干燥12 h。

1.2.2 復合紡絲

通過熔融紡絲制備復合比（皮與芯的體積比）為40∶60、50∶50和60∶40的三種LMTPEE/PET偏心復合纖維，線密度分別為92.3、91.5 dtex和82.5 dtex。LMTPEE/PET偏心復合纖維的紡絲工藝參數見表1。

1.2.3 性能測試

橫截面形貌觀察：通過纖維哈氏切片器（Y172，上海祈工儀器設備有限公司）和光學顯微鏡（BX51，日本Olympus公司）觀察偏心復合無油絲的橫截面。

DSC測試：稱取復合纖維5～10 mg，利用差示掃描量熱儀（DSC 1，瑞士Mettler-Toledo公司）進行測試，在流量為50 mL/min的氮氣保護下，以空坩堝為參比樣，測試溫度從25 ℃升至300 ℃，升溫速率為10 ℃/min。

XRD測試：采用X射線衍射儀（A8 Advance，布魯克AXS有限公司），將復合纖維剪成粉末狀，鋪成1 mm左右的薄片，使用Cu靶，掃描角度為5°～70°，掃描速度為3（°）/min。

聲速取向性能測試：使用纖維試樣的實測聲速C（km/s）表征纖維的取向度。通過聲速取向儀（SCY-Ⅲ，上海思爾達科學儀器有限公司）測定聲速C，預張力0.1 cN/dtex，每個試樣測5次，取平均值。

拉伸測試：采用電子單紗強力機（YG020B，常州八方力士紡織儀器有限公司）夾持距離為200 mm，預張力為0.05 cN/dtex，拉伸速度為1000 mm/min。

干熱收縮測試：采用熱空氣收縮檢測儀（TST 2，LENZING INSTRUMENTS公司），在140 ℃下靜態測試5 min，預張力0.01 cN/dtex，每個試樣測5次，取平均值。

卷曲性能測試：參考GB/T 6506—2017《合成纖維變形絲卷縮性能試驗方法》，分別在120～180 ℃（每隔10 ℃進行測試）鼓風烘箱中，熱處理時間為10 min，對樣品進行卷曲性能測試，卷曲性能指標分別按式（1）—式（3）計算：

其中：CC為卷曲收縮率，%；CM為卷曲模量，%；CS為卷曲穩定度，%；Lg為0.12 cN/dtex張力下試樣的長度，cm；Lz為0.001 cN/dtex張力下試樣的長度，cm；Lf為0.01 cN/dtex張力下試樣的長度，cm；Lb為1 cN/dtex張力下試樣的長度，cm。

卷曲形貌測試：在手持光學顯微鏡（WIFI1MEGA，上海戰晟機電設備有限公司）下觀察干熱處理后復合纖維的卷曲形貌。

黏結性能測試：將多根纖維交叉放在玻片上，在鼓風烘箱中分別進行160、165、170、175 ℃和180 ℃熱處理，待冷卻后利用光學顯微鏡拍攝黏結情況。

2 結果與討論

2.1 復合比對纖維性能的影響

2.1.1 橫截面分析

圖1是復合比為40∶60、50∶50和60∶40的LMTPEE/PET偏心皮芯復合無油絲的橫截面圖。由圖1可知，隨著皮層LMTPEE的比例逐漸提高，芯層PET的比例逐漸降低，不同復合比的偏心復合纖維橫截面都有穩定的偏心結構，皮層和芯層的包覆效果較好。

2.1.2 結晶性能分析

圖2是不同復合比的復合纖維的DSC第一次升溫曲線和XRD圖譜。由圖2（a）知，不同復合比的復合纖維DSC第一次升溫曲線上都只有255 ℃左右一個熔融峰，此熔融峰為芯層PET的熔融峰。而皮層LMTPEE的熔融峰不明顯，說明皮層LMTPEE的結晶度很低。這是因為LMTPEE組分中引入的第三單體IPA和軟鏈段PTMG破壞了PBT鏈段的規整性，使皮層結晶能力下降。隨著復合比從40∶60變到60∶40，即皮層比例逐漸增加，芯層比例逐漸減少，芯層的熔融焓逐漸減少［13］。

由圖2（b）知，復合比為40∶60的復合纖維XRD光譜在2θ為17.5°、22.44°和25.48°出現衍射峰，該衍射峰為PET晶體中（010）、（-110）、（100）晶面所貢獻［13］。隨著LMTPEE組分比例增多，與上述光譜不同，復合比為50∶50和60∶40的復合纖維光譜中在2θ為17.0°、20.2°、23.0°和24.8°處出現衍射峰，該衍射峰為LMTPEE組分中的硬鏈段PBT晶體中（010）、（-111）、（100）和（111）晶面所貢獻［14-15］，此時復合纖維衍射峰是皮層硬段PBT和芯層PET的衍射峰疊加形成的。隨著皮層LMTPEE比例增多，皮層硬段PBT的2θ為20.2°的特征峰逐漸明顯，隨著芯層PET比例降低，復合纖維的衍射峰趨于緩和，表明復合纖維的結晶度降低。這與不同復合比的復合纖維DSC測試結果一致。

根據纖維的結晶性能測試結果知，皮層LMTPEE結晶度很低，熔融紡絲時單絲間容易發生黏結，會影響LMTPEE/PET偏心復合纖維的可紡性，所以在紡絲時應強化冷卻效果，使絲條迅速冷卻成形。

2.1.3 取向性能分析

圖3是聲速C隨復合比變化柱狀圖。由圖3知，隨著復合比從40∶60變到60∶40，復合纖維的聲速C由2.48 km/s減小到2.06 km/s。這是因為在LMTPEE/PET偏心復合纖維中芯層組分在牽伸中承擔較大的拉伸應力，相應取向程度較高，因此隨著芯層比例逐漸減少，復合纖維的取向度減小［16］。

2.1.4 拉伸性能分析

圖4分別是不同復合比的復合纖維的斷裂伸長率、斷裂強度隨復合比變化曲線。由圖4可知，隨著皮層比例逐漸增加，復合纖維的斷裂伸長率從46.7%增大到51.4%，這是因為LMTPEE/PET偏心復合纖維中的皮層主要為復合纖維提供柔韌性；與此同時，斷裂強度從2.8 cN/dtex降低至2.3 cN/dtex，這是因為芯層PET主要為復合纖維提供強度支撐。因此隨著皮層比例逐漸增加、芯層比例逐漸減少，復合纖維的斷裂伸長率升高、斷裂強度降低。

2.1.5 熱收縮性能分析

圖5是不同復合比的復合纖維在140 ℃熱處理5 min后的收縮率柱狀圖。隨著復合比從40∶60變到60∶40，復合纖維的干熱收縮率從3.5%增至7.0%。這是因為復合纖維的熱收縮主要與纖維的取向和結晶結構有關，由于皮層組分中引入的第三單體IPA破壞了PBT鏈段的規整性，結晶能力明顯下降，所以隨著皮層比例逐漸增加，在熱的作用下非晶區取向分子鏈的解取向程度逐漸增大，宏觀表現為收縮率上升［17］。結果表明復合纖維中皮層LMTPEE為高收縮組分，芯層PET為低收縮組分。

2.1.6 卷曲性能分析

圖6為不同復合比的LMTPEE/PET偏心復合纖維經140 ℃處理10 min后的卷曲性能曲線和卷曲形貌圖。由圖6（a）可知，隨著復合比從40∶60變到60∶40，復合纖維的卷曲收縮率、卷曲模量和卷曲穩定度都增大。當復合比為60∶40時，偏心復合纖維的各項卷曲指標最好，卷曲收縮率為8.76%，卷曲模量為7.27%，卷曲穩定度為94.7%。這表明偏心復合纖維中皮層LMTPEE組分比例越多，在熱的作用下兩組分間的熱收縮應力差越大，復合纖維的卷曲性能越好［18］。從圖6（b）也可以看出，當復合比為60∶40時偏心復合纖維更加卷曲。

2.2 熱處理溫度對纖維性能的影響

選擇復合比為60∶40的LMTPEE/PET偏心復合纖維進行實驗。

2.2.1 熱處理溫度對纖維卷曲性能的影響

圖7分別是不同熱處理溫度下復合纖維的卷曲指標曲線和卷曲形貌圖。由圖7（a）可知，隨著熱處理溫度從120 ℃升至180 ℃，復合纖維的卷曲收縮率、卷曲模量、卷曲穩定度均為先上升后降低。當熱處理溫度為140 ℃時復合纖維的卷曲性能達到最好、卷曲形貌中螺旋密度最高（圖7（b）），其卷曲收縮率為8.76%，卷曲模量為7.27%，卷曲穩定度為94.7%，表明當熱處理溫度為140 ℃時卷曲性能最好。因為隨著熱處理溫度升高，復合纖維的分子鏈獲得能量，卷曲勢能釋放越大，卷曲呈現就越好［19］。熱處理溫度高于160 ℃時，皮層LMTPEE組分開始熔融，纖維間發生黏結，限制了纖維的卷曲呈現。

2.2.2 熱處理溫度對纖維黏結性能的影響

圖8是復合纖維在160～180 ℃下熱處理10 min后的纖維間黏結圖。熱處理溫度低于165 ℃時，皮層未發生黏性流動；而熱處理溫度高于170 ℃時，芯層均保持原來的物理狀態，皮層逐漸發生熔融，纖維間產生黏結（見圖c、圖d和圖e中劃圈標記處）。這是因為熱處理溫度為160～165 ℃剛達到LMTPEE的熔點，難以出現良好的黏性流動。而當熱處理溫度高于170 ℃時，皮層發生黏性流動，冷卻后纖維間產生黏結。但熱處理溫度遠低于芯層的熔點，所以芯層仍保持原有狀態，起到了支撐作用［20］。

3 結 論

本文通過熔融紡絲法制備了LMTPEE為皮組分、PET為芯組分的偏心復合纖維，討論了復合比對LMTPEE/PET偏心皮芯復合纖維橫截面、結晶性能、取向性能、拉伸性能、熱收縮性能、卷曲性能的影響，以及熱處理溫度對復合纖維的卷曲性能和黏結性能的影響。主要研究結論為：

a）根據DSC和XRD測試結果知，皮層LMTPEE結晶度很低，熔融紡絲時單絲間容易發生黏結，會影響LMTPEE/PET偏心復合纖維的可紡性，所以在紡絲時應強化冷卻效果，使絲條迅速冷卻成形。

b）復合比為40∶60、50∶50、60∶40的偏心復合纖維橫截面都有均一穩定的偏心結構，皮層和芯層的包覆效果較好。

c）隨著復合比從40∶60到60∶40的變化，即皮層LMTPEE比例逐漸提高、芯層PET比例逐漸降低，復合纖維的斷裂伸長率和干熱收縮率逐漸提高，斷裂強度、聲速C值、熔融焓和結晶度均逐漸降低。

d）復合比為60∶40的LMTPEE/PET偏心復合纖維，在熱處理溫度為140 ℃、熱處理時間為10 min時，具有較好的卷曲性能；在170 ℃以上熱處理10 min時，皮層LMTPEE進入黏流態，纖維間會發生黏結。

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（責任編輯：張會巍）

收稿日期： 2023-02-16網絡出版日期：2023-06-07

基金項目： 寧波“科技創新2025”重大專項（寧波市重大科技任務攻關項目）（2022Z156）

作者簡介： 肖 雪（1998- ），女，湖南常德人，碩士研究生，主要從事新型纖維材料方面的研究。

通信作者： 王秀華，E-mail：wxiuhua@126.com