6D扁平高收缩腈纶的结构和性能

陈咏燕

(中国石化安庆分公司，安徽安庆 246000)

聚丙烯腈(PAN)纤维作为三大合成纤维之一，仅次于聚酯和聚酰胺，被广泛应用于服装、装饰和产业用领域[1]。近年来，随着合成纤维工业的发展以及人们生活水平的提高，传统PAN纤维已不能适应人们的需求，市场对于高附加值、功能化PAN纤维产品的需求日益提高[2-4]。异形、高收缩、高亲水、抗静电、抗菌、导电、阻燃、高强度等产品的研发成为PAN纤维发展的重要方向[5-9]。

高收缩腈纶通常是指沸水收缩率高于15%的PAN纤维。将高收缩PAN纤维与常规PAN纤维以一定的比例混纺可以制备手感柔软且富有弹性的膨体纱线[10-12]。与常规PAN纤维相比，扁平PAN纤维的截面与动物毛的截面形状更加相似，具有与真毛相近的光泽度、膨松感、保暖性以及优良的抗起球性能，因此成为人造毛皮、玩具绒、室内装饰布等的重要原材料[13]。扁平高收缩腈纶作为一种高附加值的差别化纤维，其织物的市场应用前景十分广阔。但是，扁平高收缩腈纶的生产难度较大，其沸水收缩率的稳定性是其质量指标中的控制难点[12]。

本文以国产的6D扁平高收缩性腈纶作为对象，对其结晶结构、取向度、力学性能和热收缩性能进行表征分析，研究其结构与性能之间的关系。

1 试 验

1.1 原料与试剂

中国石化安庆分公司所生产的6D扁平高收缩性腈纶，采用丙烯腈、醋酸乙烯酯、甲基丙烯磺酸钠三元共聚生产聚丙烯腈，然后用浓硫氰酸钠溶解，制成适合纺丝的原液供纺丝生产出合格腈纶产品，经测试其扁平度大约在6左右。

图1 6D扁平高收缩性腈纶

1.2 仪器设备

所用仪器设备的基本信息如表1所示。

表1 所用仪器设备

1.3 测试表征

沸水收缩率(S)测试：将6D扁平高收缩性腈纶放置于60℃、70℃、80℃、90℃、100℃的水浴中，保温30min。其沸水收缩率为：

(1)

其中L1为纤维原始长度，cm；L2为纤维收缩后的长度，cm。

结晶度测试：采用粉末X射线衍射仪对样品进行测试，再通过Peak fit软件对数据进行分峰分析。将纤维剪成碎屑状进行测试。其中结晶度为：

(2)

式中∑W为结晶峰面积之和(%)。

取向度测试：

使用声速法测试纤维的全取向度，其计算公式如下所示：

(3)

式中Cu为取向完全无规时声速的数值，腈纶的Cu为2.1 km/s，C为测试时的声速值。

使用二维XRD测试纤维晶区取向度，其计算公式(4)如下所示：

(4)

式中Z1为第一个峰(16.8°)的半高宽，Z2为第二个峰(28°)的半高宽。

由计算得到的纤维全取向度与晶区取向度进一步计算非晶区取向度，其计算公式如(5)所示：

(5)

式中Es=11.3×C2(C为声速仪测出的声速值)；Ev=11.3×Cu2，Xc为结晶度，fa为晶区取向因子。

力学性能测试：对纤维样品进行单丝力学性能测试，多次平行测试取其平均值。夹持距离10 mm，拉伸速率10 mm/min。

2 结果与讨论

2.1 热收缩过程中6D扁平高收缩腈纶沸水收缩率的变化

不同温度时6D扁平高收缩腈纶的沸水收缩率如图2所示。在温度60℃、70℃时，腈纶收缩较小，当温度进一步提高，沸水收缩率随温度的提高而快速上升。当温度到达80℃以上时，温度超过PAN的Tg，PAN的链节等小基团运动剧烈，甚至链段开始运动，非晶区发生解取向，因此沸水收缩率快速增大。

图2 6D扁平高收缩腈纶不同温度时的沸水收缩率

2.2 热收缩过程中6D扁平高收缩腈纶的结晶度变化

为了探究扁平高收缩腈纶沸水收缩时热收缩的解取向过程，本文测试了不同温度水浴处理后6D扁平高收缩腈纶的结晶度。通过文献可以得知腈纶的结晶峰位置分别在16.8°和28°，其中，16.8°为(100)晶面位置，28°为(110)晶面位置。下表为不同温度下6D扁平高收缩腈纶的结晶度。通过表2数据可以看出，随着温度增加，6D扁平高收缩性腈纶的结晶度基本未发生明显变化。

表2 不同温度下6D扁平高收缩腈纶的结晶度

2.3 热收缩过程中6D扁平高收缩腈纶的取向度

表3为不同温度下6D扁平高收缩腈纶的声速值和全取向度。可以看出，随着温度的升高，纤维的全取向度逐渐降低。在温度较低时，纤维的全取向度下降的速度较慢。当温度达到80℃到90℃之间时，纤维的全取向度开始快速下降，这可能是由于温度高于样品的Tg后PAN大分子链段开始运动，解取向加快，全取向度大幅度下降。当温度为90℃到100℃时，纤维全取向的降低趋势逐渐减缓直至达到极限。

表3 不同温度下6D扁平高收缩腈纶的声速值和全取向度

通过表4可以看出在收缩过程中晶区的取向度基本没有发生变化，在前面我们得知在收缩过程中结晶度只有很小的变化，这说明了在热收缩的解取向过程中，晶区部分几乎是没有贡献的，扁平高收缩腈纶在沸水中收缩几乎全部是由非晶区解取向造成的。

表4 不同温度下6D扁平高收缩腈纶的半峰宽与晶区取向度

图3为不同温度下6D扁平高收缩腈纶的非晶区取向度，它是根据公式(5)计算得到。由图可知，随着温度的升高，样品的非晶区的取向度逐渐下降，在80℃时突然减小，90～100℃减小趋势变缓慢，100℃时非晶区的取向度仅仅只有9.25%。

图3 不同温度下6D扁平高收缩腈纶的非晶区取向度

2.4 热收缩过程中6D扁平高收缩腈纶的力学性能变化

力学性能是纤维品质的主要性能之一。在收缩后，腈纶的纤度和力学性能会发生相应的改变，此处我们对浸入不同温度水浴的6D扁平高收缩腈纶纤度与力学性能进行测试，结果见表5。

表5 不同温度的水浴下6D扁平高收缩性腈纶的强力与断裂伸长率

由表5可见，随着温度的增加，6D扁平高收缩腈纶的断裂伸长率在不断增加。根据前文结晶结构与取向结构的分析可知，因为随着温度升高，PAN分子链内运动越剧烈，越来越多的非晶区进行解取向，PAN大分子链从伸直状态变为卷曲状态。拉伸时需将卷曲的非晶区链段拉直，然后到达极限强度才能导致纤维断裂。所以增长的断裂伸长率主要来自于解取向后非晶区的结构变化。

由表可见，6D扁平高收缩性腈纶的纤度随着温度的升高逐渐上升，这是因为在沸水收缩后，扁平高收缩腈纶发生了大幅度收缩，使线密度增大从而纤度变大。并且，随着温度逐渐升高，收缩程度越大纤维的纤度越大。6D扁平高收缩腈纶的强度随着温度的升高而降低，这主要是纤度变大造成的。

3 结 论

公司生产的6D扁平高收缩腈纶的沸水收缩率达到20.8%，其收缩主要来自于非晶区PAN分子的解取向，与晶区取向度关系不大。在聚合工艺不变的情况下，进一步提高扁平腈纶的沸水收缩率方法是提高非晶区的取向度或增加非晶区体积。