LPET和PET的流变性能及其皮芯复合纺丝研究

刘 传 生

(中国石化仪征化纤有限责任公司研究院，江苏 仪征 211900)

低熔点聚酯(LPET)因其熔点低及与常规聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)良好的黏合性和相容性，常用来生产皮芯复合纤维，皮层LPET在较低加热条件下即可融化，并形成良好的黏结作用，而芯层的PET部分起到提高强度的作用[1]。但由于皮层LPET的力学性能较差，导致制备的LPET/PET皮芯复合纤维的强伸性能在整体上较单一组分的PET纤维要低，而通过纤维的细旦化，可有效提高纤维的强伸性能，增加纤维表面积，进一步提升黏结牢度，在减少使用量的情况下，达到同样甚至更好的效果，同时也可节约成本[2]。

1 实验

1.1 原料

LPET切片、PET切片：中国石化仪征化纤有限责任公司生产。其切片的玻璃化转变温度(Tg)、熔点(Tm)、特性黏数([η])等基本指标见表1。

表1 PET及LPET切片常规指标Tab.1 Conventional index of PET and LPET chips

1.2 设备与仪器

DZF-6050型真空干燥箱：上海精宏实验设备有限公司制；JM-500ZGX型自动真空转鼓干燥箱：上海金玛电光技术研究所制；JWHQ100型复合纺丝机：晋中经纬化纤精密制造有限公司制；JWKV518型平牵机：晋中经纬化纤精密制造有限公司制；XPL-2型光学显微镜：南京江南永新光学有限公司制；Rosand RH-7型毛细管流变仪：英国Malven公司制；TG 209 F1 Iris型热失重仪：德国耐驰公司制；YG023B型全自动单纱强力仪：常州八方力士纺织仪器有限公司制。

1.3 实验方法

1.3.1 皮芯复合初生纤维的制备

首先将LPET切片在真空干燥箱中于50 ℃下干燥40 h，常规PET切片于真空转鼓中按如下工艺进行干燥：室温～90 ℃升温3 h保温2 h，90～120 ℃升温1 h保温2 h，120～150 ℃升温1 h保温9 h。将干燥好的切片投入复合纺丝机进行熔融纺丝，以LPET为皮层，常规PET为芯层，制备皮芯复合初生纤维。其纺丝速度为1 000 m/min，侧吹风速度为0.45 m/s，纺丝工艺流程如图1所示。

1.3.2 细旦LPET/PET皮芯复合纤维的制备

将皮芯复合初生纤维在平牵机上进行后加工制备细旦LPET/PET皮芯复合纤维。热盘温度85 ℃，热板温度110 ℃，拉伸速度450 m/min，其工艺流程如图2所示。

1.4 分析与测试

强伸性能：按照GB/T 14344—2008《化学纤维长丝拉伸性能试验方法》进行测试。测试夹持距离(500±1)mm，拉伸速度 500 mm/min，测试环境温度(20±2)℃，相对湿度(65±5)%。

热性能：采用TG 209 F1 Iris型热失重仪进行测试。将5 mg试样置于铂坩埚内，在氮气气氛下，升温速率为10 ℃/min，温度为50～650 ℃，记录试样质量的变化，得到试样的热重(TG)曲线。

2 结果与讨论

2.1 热性能

从图3可以看出，LPET及PET的起始分解温度分别为307.5，336.8 ℃，都能满足熔体熔融纺丝的加工要求。

图3 PET及LPET切片的TG曲线Fig.3 TG curves of PET and LPET chips1—PET； 2—LPET

2.2 熔体流变性能

2.2.1 流动曲线

▲—288 ℃;■—292 ℃;●—296 ℃;◆—300 ℃

▲—240 ℃;■—250 ℃;●—260 ℃;◆—270 ℃

2.2.2 非牛顿指数(n)

(1)

式中：K为常数。

表2 PET及LPET熔体的nTab.2 n of PET and LPET melts

2.2.3 结构黏度指数(∆η)

表3 PET及LPET熔体的∆ηTab.3 ∆η of PET and LPET melts

2.2.4 黏流活化能(∆Eη)

∆Eη用来表征熔体黏度对温度的依赖性。分子链的柔顺性越好，∆Eη值越低。温度与熔体黏度的变化关系符合Arrhenius方程[7]：

ηa=AeΔEη/RT

(2)

式中：A为常数，其值为8.314 5 J/( mol·K)。

以lnηa对1/T作图，从拟合直线中的斜率得到∆Eη，具体数值见表4。从表4可以看出，PET的∆Eη较LPET要小很多，说明其熔体黏度对温度的依赖性更低，有利于纺丝成形，在纺丝温度的调整中更灵活。LPET的∆Eη较高，表明该熔体黏度对温度的依赖性更高，提高温度，ηa降低得越多，有助于改善熔体的加工成形。

表4 LPET及PET熔体的∆EηTab.4 ∆Eη of PET and LPET melts

2.3 喷丝孔出口的计算

(3)

式中：Q为喷丝孔单孔体积流量；S为异形孔截面积；Dh为喷丝孔当量直径；λ为微孔截面形状因子。

由文献[9]可知，芯层喷丝孔的λ(λL)为16，皮层喷丝孔的λ(λh)可由公式(4)计算获得[10]：

(4)

式中：k为喷丝孔内孔直径与外孔直径的比。

由公式(4)计算得到λh为25.6。

表5 LPET及PET熔体在喷丝孔出口处的Q及Tab.5 Q and of PET and LPET melts at spinneret hole outlet

2.4 纺丝温度

表6 LPET和PET熔体的复合纺丝温度Tab.6 Composite spinning temperature of PET and LPET melts

从表6可以看出，皮层比例越低，两种熔体的复配温度越高，根据之前两种熔体n、∆η、∆Eη的特征，应采用相对更高的温度。在螺杆挤压熔融阶段，相近的螺杆挤出温度可以避免两种熔体因在纺丝箱体中温度相差较大而造成的纺丝不稳定性。PET的Tm高，采用熔融效果更充分的具有五区加热功能的A螺杆；LPET的Tm低，易熔融，采用四区加热功能的B螺杆，同时，为避免进料口处环结堵料，螺杆一区不加热。熔体进入纺丝箱体后，因温度差而进行的热交换会使两种熔体的温度发生改变。为使两种熔体接近理想温度并满足PET熔体的流动性，箱体温度应设在PET熔体的理想温度之间，优化后的纺丝温度见表7。

表7 优化后的螺杆温度及箱体温度Tab.7 Optimized screw temperature and box temperature

在表7工艺条件下进行复合纺丝，所制备的皮芯复合初生纤维在显微镜下放大100倍后的截面形态见图5。由图5可见：在皮芯质量比为5∶5及4∶6时，皮层分布均匀，纤维成形完好；皮芯质量比为3∶7时，纤维成形劣化，纤维的皮层结构出现破裂，部分纤维的表面甚至完全没有皮层包覆。这是因为过小的皮芯质量比使组件内LPET熔体的压力偏低，导致LPET熔体在喷丝孔处不能均匀的包覆PET熔体所造成的。因此，在制备细旦皮芯复合纤维时，皮层比例不宜过低。

图5 不同皮芯质量比的LPET/PET复合纤维截面形态Fig.5 Cross section morphology of LPET/PET composite fiber with different sheath-core mass ratios

2.5 后加工温度

在后加工过程中，热盘起变形的作用，其设定温度要满足纤维充分拉伸的要求，通常要高于Tg，因此，热盘温度设定为85 ℃。热板起到热定型的作用，使纤维在高温下充分取向并结晶，提高纤维的强度，因LPET的Tm较低，又不能使纤维出现黏结的情况，故热板的温度设定在110 ℃。

2.6 细旦LPET/PET皮芯复合纤维性能指标

由表8可见，整体上，随着皮芯质量比的降低，在相同断裂伸长率条件下，细旦LPET/PET皮芯复合纤维的可拉伸性能和断裂强度提高。这是因为皮层LPET相较于芯层PET的力学性能弱很多，降低皮层比例后，纤维受LPET的影响降低，纤维性能改善，特别是皮芯质量比4∶6时，纤维单丝线密度达到1.38 dtex，经热处理后，纤维黏结牢固，且皮芯结构完整(见图6)，实现LPET/PET皮芯复合纤维细旦化和强度提升的同时，也满足后道加工的要求。但皮层比例过低后，纤维成形变差，纤维的可拉伸性和力学性能下降严重，不匀率增加，已无法满足产品的正常使用。

表8 细旦LPET/PET皮芯复合纤维性能指标Tab.8 Physical index of fine-denier LPET/PET sheath-core composite fiber

3 结论

b.皮芯质量比为5∶5、4∶6，纺丝温度分别为290，292 ℃时，可纺性及纤维成形完好，皮层质量比过低时，可纺性及纤维性能劣化。

c.皮芯质量比为4∶6时，在110 ℃下进行拉伸3.25倍，制得的细旦LPET/PET皮芯复合纤维的单丝线密度为1.38 dtex、断裂强度为3.42 cN/dtex、断裂伸长率为22.36%。