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    NEDDP/PBT双组分复合长丝卷曲与力学性能研究

    时间：2023-03-25 17:45:04来源：百花范文网本文已影响人

    周玉磊 代国亮 王 妮 肖 红

    （1.东华大学，上海， 201620；
    2.军事科学院系统工程研究院军需工程技术研究所，北京， 100082）

    并列复合弹性长丝由具有潜在热收缩率差异的两个同系高聚物并列纺丝而成［1］。从喷丝孔获得的长丝，经后道热处理形成明显的三维螺旋卷曲，获得卷曲弹性［2］。商业化的典型并列复合弹性 长 丝 包 括PET/PET［3］、PET/PBT［4］、PET/PTT［5］，这些都已在织物开发中得到了应用［6-8］。但均含有PET组分，均采用高温高压染色。针对这一问题，课题组自制了由新型常压分散可染聚酯（NEDDP）和聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）为并列组分的NEDDP/PBT双组分复合长丝，并系统研究其结晶、取向结构及卷曲形貌［9］。

    已有研究表明，纺丝工艺包括原料的特性黏度配比、组分比例、纺丝过程中的牵伸比和牵伸温度、后处理时的定形温度等，均会影响并列复合弹性长丝的结构与性能。为指导NEDDP/PBT双组分复合长丝的应用，在前期研究基础上，进一步探索不同纺丝工艺条件下获得的NEDDP/PBT双组分复合长丝的卷曲和力学性能，以指导纺丝生产，并获得兼具良好卷曲性能和力学性能的常压分散可染双组分复合长丝。

    采用不同特性黏度的NEDDP切片和PBT切片，以不同组分比例、不同纺丝牵伸比例、牵伸温度及定形温度熔融纺丝获得12种NEDDP/PBT双组分复合长丝、1种NEDDP单组分长丝及1种PBT单组分长丝，细度均为83 dtex/36 F。NEDDP单纤维纺丝条件：特性黏度0.71 dL/g，牵伸比1.7，牵伸温度85 ℃，定形温度110 ℃。PBT单纤维纺丝条件：特性黏度1.07 dL/g，牵伸比1.7，牵伸温度85 ℃，定形温度110 ℃。其他各样品对应的纺丝条件如表1所示。

    表1 NEDDP/PBT双组分复合长丝的纺丝参数

    弹性长丝受热后，释放潜在的热收缩性差异，形成卷曲。参考标准［10］和文献［11］测试卷曲性。在0.05 cN/dtex预加张力下，量取原始长度为1 m的样品，将其放入100 ℃沸水中处理，取出晾干，量取同样预加张力下的长度，计算沸水收缩率。再取一定长度的纤维，加轻负荷（0.001 8 cN/dtex）测得其长度，取下轻负荷再加重负荷（0.075 cN/dtex）测得长度，计算长丝的卷曲率。使用YG061F型电子单纤维强力仪测试纤维强伸性能，预加张力0.1 cN/dtex，拉伸速度100 mm/min，夹距100 mm，每个试样测试5次。

    2.1 特性黏度配比对长丝性能的影响

    选 取 试 样1、试 样10、试 样11、试 样12的NEDDP/PBT双组分复合长丝进行试验。

    2.1.1卷曲性能

    经沸水处理，沸水收缩率随两组分特性黏度差异的增加而增加，如图1所示。

    图1 不同沸水处理时间下的沸水收缩率

    当NEDDP特性黏度为0.47 dL/g时，特性黏度差异的减少意味着PBT组分熔体由高特性黏度向低特性黏度变化，特性黏度较小的PBT组分在同样小的纺丝张力下沿纤维轴向的排列比同条件下较高特性黏度的PBT组分沿轴向的排列更规整，导致低特性黏度的PBT组分具有较小的收缩率，两组分潜在的收缩率差异随着两组分特性黏度差异的减小而减小，潜在的卷曲势能不显著。当PBT特性黏度为1.32 dL/g时，同样大的纺丝张力下，低特性黏度的NEDDP熔体将获得优于高特性黏度的NEDDP熔体的诱导取向和结晶，导致低特性黏度的NEDDP组分的收缩率变小，两组分间潜在的收缩率差异随着两组分特性黏度差异的增加而增加，潜在的卷曲势能更加显著。

    图1还表明，特性黏度差异最大的试样10在100 ℃下处理5 min的沸水收缩率都远高于其他3种试样在该条件下处理1 h的沸水收缩率。试样11在处理10 min的沸水收缩率和试样1在处理5 min的接近，而试样12在处理1 h后的沸水收缩率也没有试样10在处理5 min下的高。因此，无论在何种处理条件下，特性黏度差异大的试样10的沸水收缩率均远远高于其他3种特性黏度差异小的。因此，特性黏度配比对卷曲势能的影响至关重要。特性黏度差异越大，双组分纤维潜在的收缩差及其导致的卷曲势能越大；
    特性黏度差异小的双组分纤维通过后道湿热处理可提高其沸水收缩率，但远远达不到相对较弱处理条件下特性黏度差异大的双组分纤维的沸水收缩率。即难以通过后道处理条件变化对NEDDP/PBT卷曲性能进行显著改善。

    2.1.2力学性能

    特性黏度配比变化对双组分复合长丝的强度、模量及伸长率的影响较复杂，具体数据如表2所示。由表2可知，随着两组分特性黏度差异的增加，双组分复合长丝的杨氏模量逐渐变小，即卷曲性能较差的双组分复合长丝模量较高，而卷曲性能较好的双组分复合长丝模量较低。在PBT特性黏度为1.05 dL/g时，随NEDDP特性黏度增加，两组分特性黏度差异变小。高特性黏度NEDDP比低特性黏度NEDDP有较高的相对分子量，增加了分子间作用力，纤维模量和断裂强度略有增加，但差异不大；
    屈服应力相当，且断裂伸长率有所增加。在NEDDP特性黏度为0.47 dL/g时，随着PBT特性黏度的增加，两组分特性黏度差异变大，纤维的断裂强度增加，但是模量大幅下降，断裂伸长率大幅度下降。

    表2 不同特性黏度配比下双组分复合长丝的力学性能

    2.2 组分比例对长丝性能的影响

    选取NEDDP长丝、PBT长丝和试样1、试样9的NEDDP/PBT双组分复合长丝进行试验。

    2.2.1卷曲性能

    PBT含量对NEDDP/PBT双组分复合长丝沸水收缩率的影响如图2所示。

    图2 PBT含量对卷曲性能的影响

    由图2可知，在NEDDP/PBT比例为50/50时可获得最好的沸水收缩率。两组分比例大小影响了两组分收缩时的卷曲势能。只有达到足够的含量，收缩率大的组分产生的力矩才能使得收缩率小的组分跟随在纤维外侧发生卷曲。如果收缩率大的组分比例过小，其收缩产生的力矩将不足以使收缩率小的组分跟着形成卷曲；
    如果收缩率小的组分比例过大，会使得收缩率小的组分呈蓬松状在外层，导致纤维产生毛丝现象。

    2.2.2力学性能

    不同组分比例下的NEDDP/PBT双组分复合长丝的力学性能如表3所示。由表3可知，双组分复合长丝的断裂强度先随PBT含量增加而减少；
    虎克区应变初始随着PBT含量的增加而增加，在NEDDP/PBT比例为50/50时达到最大，弹性最好；
    模量随着PBT含量的增加而减少，这与强度变化的规律存在差异。从断裂强度而言，PBT长丝最高，其次是NEDDP长丝，NEDDP/PBT双组分复合长丝强力进一步降低，但靠近NEDDP长丝。这表明，复合长丝上NEDDP长丝承担了大部分的纺丝张力，而PBT组分依附其上，NEDDP组分是双组分复合长丝强力的主要贡献者。从模量的变化可以进一步明确NEDDP组分是双组分长丝力学性能的主要贡献者。

    表3 不同组分比例下双组分复合长丝的力学性能

    2.3 牵伸比对长丝性能的影响

    选用试样1、试样6、试样7、试样8的NEDDP/PBT双组分复合长丝进行试验。

    2.3.1卷曲性能

    不同牵伸比下的NEDDP/PBT双组分复合长丝卷曲性能如图3所示。由图3可知，无论是沸水收缩率还是卷曲率，均随着牵伸比的增加而增加。由于NEDDP组分在双组分复合长丝上优先结晶，具有良好的力学性能，所以，随着牵伸比的增加，一方面NEDDP组分承担的纺丝张力增加，诱导取向结晶增加，大分子链排列规整性增强，收缩率变小；
    另一方面PBT组分也发生了更大的形变，收缩率变大。两方面竞争的结果是两组分收缩率差异增加、卷曲率增加。但牵伸比过小，会导致先结晶的组分取向不够；
    牵伸比过大，先结晶的组分晶体发生破坏，处于不稳定状态，且由于不能完全承受牵伸力作用而使得后结晶部分承受牵伸力作用发生诱导取向，使得两组分取向差异减小，从而使得卷曲性能下降。

    图3 不同牵伸比下双组分复合长丝的卷曲性能

    2.3.2力学性能

    不同牵伸比下NEDDP/PBT双组分复合长丝的力学性能如表4所示。由表4可知，随着牵伸比的增加，断裂伸长率减小，杨氏模量、断裂强度增加，但变化很小。显然，牵伸比对力学性能的影响没有组分比例和特性黏度差异影响大。

    表4 不同牵伸比下双组分复合长丝的力学性能

    2.4 牵伸温度对长丝性能的影响

    选取试样1、试样2、试样3的NEDDP/PBT双组分复合长丝进行试验。

    2.4.1卷曲性能

    不同牵伸温度下NEDDP/PBT双组分复合长丝的卷曲性能如图4所示。由图4可知，在70 ℃～85 ℃内，随着牵伸温度的增加，NEDDP/PBT双组分复合长丝沸水收缩率逐渐减小，卷曲率在75 ℃时达到最大。

    图4 不同牵伸温度下双组分复合长丝的卷曲性能

    2.4.2力学性能

    不同牵伸温度下的NEDDP/PBT双组分复合长丝力学性能如表5所示。

    表5 不同牵伸温度下双组分复合长丝的力学性能

    由表5可知，随着牵伸温度的增加，断裂强度、断裂伸长率都逐渐减小，杨氏模量略有增加，但总体来看差异不大，说明牵伸温度对于力学性能的影响较小。

    2.5 定形温度对长丝性能的影响

    选取试样1、试样4、试样5的NEDDP/PBT双组分复合长丝进行试验。

    2.5.1卷曲性能

    NEDDP/PBT双组分复合长丝卷曲性能如图5所示。由图5可知，随着定形温度的增加，双组分复合长丝的沸水收缩率逐渐下降，这是由于定形温度增加加剧了NEDDP和PBT单组分纤维的收缩率差异。因此，随定形温度增加，两者的收缩率虽都减小，但双组分复合长丝的卷曲率增加。

    图5 不同定形温度下双组分复合长丝的卷曲性能

    2.5.2力学性能

    不同定形温度下NEDDP/PBT双组分复合长丝力学性能如表6所示。随着定形温度的增加，断裂强度、断裂伸长率都逐渐减小，杨氏模量逐渐增加，但总体而言差异不大，说明定形温度不是影响双组分复合长丝力学性能的主要因素。

    表6 不同定形温度下双组分复合长丝的力学性能

    （1）在可纺的前提下，对于NEDDP/PBT双组分复合长丝的卷曲性能和力学性能，特性黏度差异和组分比例是最关键的影响因素，牵伸比、牵伸温度和定形温度对于双组分复合长丝的影响相对较小。

    （2）当NEDDP组分特性黏度不变时，随着PBT组分特性黏度的增加，NEDDP/PBT双组分复合长丝的沸水收缩率增加，模量减小，断裂强度增加。当PBT组分特性黏度不变时，随着NEDDP组分特性黏度的增加，NEDDP/PBT双组分复合长丝的沸水收缩率减小，模量、断裂强度和断裂伸长率均增加。

    （3）当NEDDP/PBT的组分比例为50/50时，双组分复合长丝具有最大的沸水收缩率。随着NEDDP组分含量的增加，双组分复合长丝的模量、断裂强度和断裂伸长率均增加。

    （4）随着牵伸比的增加，NEDDP/PBT双组分复合长丝的卷曲率和沸水收缩率均增加；
    随定形温度和牵伸温度的增加，NEDDP/PBT双组分复合长丝的沸水收缩率减小，卷曲率增加。

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