化学纤维的复合

化学纤维的复合 摘要：本文从国际环境现状出发，探讨了PTT/PET复合纤维技术方面进展，研究了PTT/PET复合纤维的外观形态及力学性能，对不同环境的适应性。提出了复合纤维的广阔前景，在未来的发展趋势。 关键词：PTT,PET,纤维复合，力学性能，结构，机理 1. 国际环境 随着新技术、新设备的不断涌现，产生大量的化纤新品种，复合纤维便是其中之一。1959年，美国杜邦公司首批商业化生产了睛纶复合纤维，其结构为简单的并列型。 1965年，日本钟纺研制出了并列型自卷曲复合纤维，自此以后，其它各种形式的并列型复合纤维不断涌现。60年代中期，日本化纤制造商在双组分复合纤维的基础上发展了多层复合纤维，并发现利用这种纤维制成的织物在后整理时纤维内各个组分间发生分裂剥离，并形成更多更细的纤维，由此纤维制成的织物的柔软性、悬垂性、光泽度甚至吸水和透气性都大大超过常规产品。70年代末，80年代初，由于用超细纤维制成的纺织品在日本，欧美等市场屡获成功，进一步刺激了复合纤维纺丝技术的发展。 1.1 PTT/PET复合纤维   PET，PBT和PTT为同类聚酷，利用共聚，共混的能综合各自的优势，弥补单一组分性能上的缺陷。理论上PTT与PET有三类复合方法[2]:一是PET与PTT进行共混熔融纺丝;二是用对苯二甲酸，丙二醇和乙二醇进行三元共聚，得到PTT/PET共聚酷;三是将PET，PTT并列复合纺丝成型，获得 PTT/PET复合纤维[1-3]。     东华大学肖雪春等对PTT/PET共混体系的相容性进行了研究，得出PTT/PET共混体系为热力学相容体系。pomnusamy和Balakrishnan曾经用酷交换法合成了不同组成比的PET与PTT的共聚物，并测定了它的一些性能，为共聚物的加工提供了依据。郭春花等人介绍了采用直接酷化法合成的PET与PTT共聚酷，并测定了共聚酷的组成与性能之间的关系， 研究明PET与PTT共聚酷的染色性优于纯PET，当PTT的含量小于30%时，其纤维的上染率随PTT组成的增加而提高，当PTT的含量大于30%时，其上染率提高不明显;PET与PTT共聚酷纤维的力学性能随组成含量不同而变化。 PTT纤维是近几年来开发的新型纤维[4-7]，它结合了PET和PA这两种纤维的最优性能[8-9]，具有优异的回弹性，染色性，可无载体常压下沸水连续染色，具有许多潜在的用途[10-11]。但由于PTT纤维强度远低于PET纤维，限制了PTT纤维的工业化应用[12-14]。选择将PET和一定比例的PTT进行复合，以获得一种兼具有PTT和PET最优性能的复合纤维。通过测试分析这种复合纤维的性能，可以更好的将 PTT/PET并列复合纤维应用到针织和机织产品开发领域。 2. PTT/PET复合纤维外观形态与力学性能研究 纺织纤维的形态结构直接影响材料的性能和加工难易，如竹纤维横截向为布满椭圆形的空隙，使竹纤维可在瞬间吸收并蒸发水分，成为一种会“呼吸的纤维”[15];大豆蛋白纤维的横截面形态成扁平状，哑铃形或腰圆形，属上异型纤维，这样的纤维截面对纤维的抗弯性能有一定的影响。PTT/PET复合纤维具有许多优良的性能，如弹性、回复性能及柔软手感，这些性能与纤维外观形态结构密切相关，而且纤维的二维形态结构因PTT与PET高聚物的并列复合发生了一定的变化，本章首先通过显微放大照片分析其外观形态结构，然后比较测试分析了 PTT/PET并列复合丝的拉伸性能，为PTT/PET复合纤维的应用提供参考。 2.1 PTT/PET复合纤维的形态结构 PTT/PET复合纤维沿纵向呈明显的三维卷曲。一般来说，化学纤维其表面比较光滑，无卷曲，纤维间的空隙小，产品的蓬松丰满度差，通常要采取物理或化学方法使纤维具有一定的卷曲，似这类卷曲往往不够持久。PTT/PET并列复合纤维则不同于普通化学纤维，其截面内存价收缩规律不同的两种组分，其热收缩性和力学性能不同。由于双侧分布的两种聚合物应力一应变行为的不同使得PTT/PET纤维产生卷曲，这种卷曲不是利用机械的方法产生的，它是复合纤维自身的特点，称为自卷曲。收缩率较高的组分在螺旋的内侧，收缩率较低的在螺旋外侧，两种组分收缩率的差异与聚合物内部因素(如大分子链化学组成和结构不同)及外部条件(如拉伸、热定型条件的变化)有关。该纤维经松弛热定型便可得到卷曲性能良好的纤维，两种组分内在结构上的对称分布是卷曲产述仁的基础，而造成两侧收缩性能的差异是卷曲的直接原因。 2.2 PTT/PET复合纤维的断裂机理     纤维整个拉伸断裂过程比较复杂，纤维受力开始时，首先是纤维中非晶区内长度最短的大分子链伸直，接着这些大分子受力拉伸，使化学键长度增加，键角增大，一部分最伸展、最紧张的大分子逐步地从结晶区中抽拔出来，有个别的大分子链被拉断。各个结晶区逐步产生相对移动，使结晶区之间沿纤维轴向的距离增大，而在非晶区中大分子链段的平行度(取向度)提高，结晶区的排列方向也开始顺向纤维轴，而且部分最紧张的大分子由结晶区中抽拔出来后，非晶区中大分子的长度差异减小，受力的大分子根数增多。如此，大分子在结晶区被抽拔移动的数目越来越多，被拉伸的大分子也逐步增加。这样继续进行到一定程度，大 分了之间原来比较稳定的横向联系受到显著破坏，使结晶区中大分子之间的结合力抵抗不住拉伸力的作用，从而明显的滑移，大批分子抽拔，伸长变形迅速增大，出现缓弹的现象。此后纤维中大部分松散的大分子都因拉伸滑移作用而达到基本上沿纤维轴向被拉直并平行的状态，结晶区也逐步松散。这时，由于取向度大大提高，大分子之间侧向的结合力可能又有所增加，所以大多数纤维拉伸曲线的斜率又开始有所上升。再继续拉伸，结晶区更加松散，许多大分子由于长距离抽拔，有的头端己经从结晶区中拔出游离，部分被拉断，头端也游离。最后，在整根纤维最薄弱的截面上断开，达到断裂点。 2.3 本章小节   (l)PTT/PET复合纤维在纵向上呈二维卷曲，其二维卷曲可能会使用此复合纤维织成的织物有良好的蓬松性;呈花生状截面的PTT/PET复合纤维有利降低产品的弯曲刚度，同时花生状沟槽可能会使其织物有良好的导湿性能。     (2)PTT/PET复合的单纤维和长丝都具有较低的拉伸断裂强度和较大的断裂伸长，由此纱线构成的织物会有良好的弹性、延伸性、柔软的手感。 3. PTT/PET复合长丝热水处理后的性能研究     PTT/PET复合长丝在不同温度下的热水收缩性能是后整理工艺的主要依据，因为在纺纱和织造的过程中，PTT/PET织物产生了较大的变形，使得坯布中残留较多的内应力，而这些变形的回复与温度、湿度有关，只有想方设法让坯布上的残余变形充分回复，消除内应力，PTT/PET织物才能具有足够的弹性伸长，织物手感才能柔软，织物才能具有良好的尺寸稳定性。本章考查了不同的热水处理温度和处理时间对复合丝外观形态、卷曲及拉伸性能的影响，为PTT/PET复合丝应用提供重要参考。 3.1 化学纤维的热收缩机理     (l)纤维的热力学状态与性质纤维热力学性质与纤维分子的结构和性状以及分子的热运动状态有关。在不同的温度下，纤维高分子的柔性，聚集态结构，乃至其宏观形态都将发生不同程度的变化，从而影响纤维的使用性能。非晶态高聚物一般有二种热力学状态:玻璃态、高弹态、粘流态。就纤维高聚物而言，其力学性质随温度变化而改变的规律，有两种类型: 1)热塑性纤维:大多数热塑性纤维，其内部有结晶部分，但结晶并不完整，存在很大的非晶态区域，这类纤维在受热以后，随着温度的提高，将相继出现玻璃态，高弹态，粘流态三种物理状态，其热力学行为与晶态高聚物相类似。2)非热塑性纤维:在受热以后，随着温度的提高，将不出现某些物理状态的变化过程，有的熔点高于分解点，在高温作用下，不熔解而分解。   (2)化学纤维的热收缩是一种极为普遍的现象，是表征结构和性质的主要参数之一。收缩机理可认为是纤维从外界吸收热量，而导致无定形区甚至晶区分子链构象的变化，产生嫡增大的调整，最终引起纤维的长度下降，宏观表现为纤维收缩。故化学纤维的取向和结晶结构对热收缩的影响很大。人们也曾对化学纤维的热收缩机理进行过广泛而细致的研究，但所得的结论并不完全一致。归结起来，大致有两种观点:Statton和Dumbleton等人通过研究聚酷纤维的热收缩，从收缩过程中伴随着X一射线小角衍射的加强和结晶的红外吸收光谱的出现，指出热收缩是一种链折叠的重结晶过程;与此相反，Wilson等人则认为聚醋纤维热收缩是非晶区分子链的解取向，是一种快速过程，链折叠只在高于一定温度及合适的时间才会发生，而结晶时纤维不发生收缩。热处理对纤维总的影响关键取决于结晶与解取向这两个过程哪个占优势。涤纶，锦纶纤维在松弛状态下进行高温热处理后，其断裂强度、模量会显著下降，且在长度方向产生较大的收缩，其织物的染色率增加。为了理解和解释这些现象，DISmore和Staton提出了锦纶纤维热定型的结构模型，定型前的模型中，纤维分子链基本上是伸直的，仅有少量折叠链存在，总体统计有序性低。当这一结构受到热处理时，分子间键 所具有的能量将会减弱，于是，分子链能得到局部移动，并形成比较稳定的分子间键，从而使局部的结晶增加[16]。涤纶，锦纶纤维在松弛状态下进行高温热处理后，其断裂强度，模量会显著下降，且在长度方向产生较大的收缩，织物的染色率增加。 3.2 PTT/PET复合长丝热水处理时间和温度对卷曲率影响 在低温时，收缩最终达到稳定需较长的时间，而在高温时，所需时间较短。试样在50度时，卷曲率随时间的增加而显著增加，在70、100度时，卷曲率随时间增加有限，这是因为纤维的收缩可理解为大分子在热作用下克服分了间作用力后由伸直态转变为卷曲态的过程。在较低温度时，分子的热运动能低于分子间的结合能，相邻分子间的各链节在相应位置上互相结合固定，好像被“冻结”住了，因此收缩相对难发生，当温度高于玻璃化温度时，分子链节的热运动高于分子之间部分基团的结合能，相当部分的链段能够自由旋转、弯曲、伸展或皱缩，纤维表现出较大的变形能力，因而收缩率会明显增加，且温度越高，这种变形能力越大。PET的玻璃化温度为80度左右，PTT玻璃化温度在45一65之间;在高温时， PET/PTT复合丝收缩在10分钟之内就能平稳。在低温时，PET的收缩较小，PTT丝的收缩与时间的关系较大，故卷曲率随时间的增加而显著增加。 3.3 本章小节     (l)从复合丝的外观可以看出，热水处理的复合长丝卷曲性有明显提高，且处理温度越高，时间越长卷曲越明显。     (2)热水处理的温度和时间对复合长丝对卷曲回弹性影响不明显，但对卷曲率和残留卷曲率影响显著，正交试验分析表明温度对PTT/PET复合长丝的卷曲率影响比时间显著。   (3)热水处理过的PTT/PET复合长丝的断裂强力都小于未用热水处理的PTT/PET复合长丝的断裂强力，且断裂强力随热水处理的时间和温度的不同而变化。 (4)热水处理 PTT/PET复合长丝的断裂伸长率大于未用热水处理的PTT/PET复合长丝的断裂伸长率，且断裂伸长率随着热水处理的温度提高而增加。 参考文献 [1] 郭春花，张文，陈玉顺等.PET与PTT共聚醋的合成及其性能研究[J] 聚酷工业，2004，17(6):30一32. 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