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1、作者简介: 孟家明, 33岁,工程师, 1985年毕业 于兰州金城联合大学物理系,长期从 事大型仪器分析和涤纶纤维结构性能 研究工作,发表论文25篇,现在美国 热电分析技术公司北京办事处工作。 研究论文 涤纶短纤维在纺程中的取向与性能研究 孟家明任夕娟成展曾宪春高宏保朱长江陈霞 (仪征化纤股份有限公司产品技术开发中心,江苏仪征, 211900) 摘要:应用WAXD法、声速法、双折射法等研究了涤纶在纺丝与后加工过程中取向 的形成变化及和性能的关系,以及工艺条件对纤维结构和性能的影响。结果表明,纤维非晶 区取向和结晶度与纤维的刚性和柔韧性密切相关,但决定纤维力学性能的主要的结构因素是 纤维的非晶区
2、有序化程度的高低。 一次拉伸主要是非晶区链段沿张力方向进行有序排列的过 程,伴随生成大量晶核,导致应变结晶;热定型时结晶产生于高度取向的非晶区域,是应变 结晶(取向诱导结晶)和热结晶共同作用的结果;高温机械卷曲是在机械挤压条件下的热力 学控制的非晶区解取向过程。 关键词: PET纤维晶区取向非晶区取向结晶物理性能 涤纶短纤维的纺丝及后处理生产工艺,决 定了涤纶短纤维的结构,因而直接影响了涤纶 短纤维性能与品质。因此对涤纶在纺丝及后加 工过程中结晶、取向及与性能之间的关系的研 究,不仅对涤纶生产工艺的改进具有指导意义, 而且对于涤纶性质的提高与开发具有决定的作 用。对涤纶在后加工过程中结构与性能
3、的变化 及受生产工艺的影响,国内已分别进行了较深 入的讨论1 3, 我们还就涤纶纺丝与后加工工 艺调整,如PET原丝预取向、牵伸浴槽温度和 拉伸速度、热定型条件4 6等对纤维结构性能 的影响进行了专题探讨,并对涤纶在后加工过 程中的结晶形成机理与变化和玻璃化温度与纤 维结晶、 取向的关系7进行了分析与表征。 在此 基础上,本文利用WAXD等进一步探讨涤纶 短纤维在纺丝及后处理过程中取向形成机理与 变化及与性能的关系,以及工艺条件对纤维结 构和性能的影响,以指导涤纶纤维生产。 1实验部分 111生产工艺流程 纺丝机盛丝桶(原丝)第一牵伸机 (DF2 1) 第二牵伸机(DF2 2) 加热箱 (HB
4、X)第三牵伸机(DF2 3) 罗拉加热箱 (HR)叠丝机(TA)蒸汽加热箱(SBX) 卷曲机(CP)切断机(成品纤维)。 112取样部位及试验工艺条件 1#样: PET初生纤维(原丝 ), 纺丝速度1, 120 m? m in,线密度511 dtex; 2#样: DF21出口,油剂浴槽温度353; 11 第14卷 第1期 Vol114No11 合成技术及应用 SYN THET IC TECHNOLOGY AND A PPL ICA T I ON 收稿日期: 1998- 02- 16修回日期: 1998- 04- 01 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Di
5、sc Co., Ltd. All rights reserved. 3#样: DF22出口,拉伸浴槽温度663, T3?T4拉伸倍率 (一牵 ) 3 12; 4#样: HBX出口,蒸汽温度100, T1?T2 拉伸倍率(二牵 ) 1 11; 5#样: DF23,蒸汽压力115M Pa, DF23线 速280 m?m in; 6#样: HR出口,蒸汽压力018M Pa, HR 线速274 m?m in; 7#样: TA出口, TA线速269m?m in, SBX 未通蒸汽; 8#样:CP出 口,CP入 口 纤 维 温 度 12614; 9#样:成品纤维; 113测试方法 11311晶区取向测定
6、R igaku D?max- RC系列X射线衍射仪, 配备石墨单色仪与FS- 3型纤维试样架。纤维 试样的制备按常规方法进行。纤维试样架定位 2= 4219,进行纬向扫描,以公式 cos25= ?2 0 I(5 )cos 25sin5d5 ?2 0 I(5 ) sin 5d5 (1) 求得(105)晶面的均方余弦,并用公式: cos25c,z= (cos 25-(105), z)?cos210 (2) 求得C轴的均方余弦8。根据Hermans公式 求得fc: fc= 1?2(3cos25c,z- 1) (3) 11312结晶度测定 R igaku D?max- RC型 X- 射线衍射仪附 石墨
7、晶体单色仪测定。Cu靶,管电压40 kV ,管 电流100 mA ,= 11542A ,扫描范围636, DS= SS= 1, RS= 0115 mm ,应用微机分峰法 (CPR)进行数据处理9,从分峰结果求得结晶 度Xc。 11313声速测定 中国纺织大学制SOM - 声速仪,用倍长 法测定声速。 11314双折射 n 西德L eitzPOL - BK偏振光显微镜, 用晶体补偿法测定。 11315强伸度测定 西德Textechna产FA FEGRA PHM型单 线强力仪测定。 2结果与讨论 211取向结构 涤纶短纤维是一种典型的一维取向的半结 晶型聚酯材料,通常对其结构的研究也就从结 晶与取
8、向两方面来考虑。对纤维样品X射线衍 射法结晶度的测定结果见表1。 表1PET纤维的取向因子、结晶度 样品编号 采样工序 1# 原丝 2# DF21 3# DF22 4# HBX 5# DF23 6# HR 7# TA 8# CP 9# 成品纤维 声模量?Ntex2111871187319541697165619081443127? 声速取向因子fs01030103015401610176017401780144? 晶区取向因子fc?0192019401970194019601920190 非晶区取向因子fa01030103014501450161016001660109? 双折射率 n0100
9、 010001244012460125401256011900118601183 结晶度Xc?0120013301410140014101420145 同时对纤维样品的(100)、(010)、(110)、 (105)诸晶面均进行位向扫描 (2 分别定位于 2515、1715、2215、4219 ), 结果见图1,并 以(105)晶面位向扫描曲线经分峰后按公式 (1 3) 来计算获得晶区取向因子fc。此外,对 纤维样品进行声速测定,以求得声速模量(Es) 和声速取向因子(fs ), 再根据声速- X光法,利 用X射线衍射法测得结晶度(Xc)和晶区取向 因子(fc)的数据,并按无规取向PET纤维的
10、 声 速 值Cu = 11 35 ( km?s ), 声 模 量Eu= 1113Cu2,由Dumbletoh方程10: fa= (Es-Eu ) - XcfcEs Es (1 - Xc) (4) 来推算得到非晶区取向因子(fa)的值,以 上数据及双折射测定结果也均列于表1。由此 可以看出,纤维取向的形成起始于前纺纺丝过 21 合成技术及应用第14卷 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 程中,其原因在于高速纺丝的过程中存在的速 度梯度分布和纤维固化点附近的空气摩擦阻力 使初生纤维产生了取向
11、11,从而使原丝表现为 具有一定的预取向,且随前纺纺丝泵供量与纺 丝速度等因素变化的影响,其预取向程度也有 所不同4。 结果还表明,此阶段的取向是非晶区 链段沿张力方向发生的有序排列,纤维未结晶, 亦无晶区取向。 故此时纤维强度低、 伸度大、 结 构不稳定,需经拉伸、热定型等后处理才能具 有稳定的结构和一定的物理-力学性能。 a. (010) b. (110) c. (100) d. (105) 图1PET纤维各晶面的位向扫描图 图2生产部位与纤维取向结构因子关系图 在纤维的后加工过程中,随着对纤维丝束 进行拉伸,纤维的取向得以很大的提高,纤维 开始形成结晶并经热定型和一维机械高温卷曲 后得以
12、进一步完善其结构,纤维的物理-力学 性能大为改善以满足纺织加工等方面的需要。 图2则是根据表1作出的在后加工过程中各生 产部位与涤纶纤维取向因子关系图。由图表可 以看出,纤维取向于DF21至DF22之间的进行 的一次拉伸时得以急剧发展,并随二次拉伸进 一步增加,在HR处上升到极大值,随后于CP 处降到最低。此外,声速法和双折射法测得的 数据呈现同样的规律。晶区取向发生于DF21 至DF22之间,说明此时晶核生成,在DF23呈 现极大值,表明此时结晶较完整,在HR后略有 下降,但总体来讲,经过拉伸后各样品的晶区 取向变化不大。非晶区取向波动较大,于DF22 后出现了较大的增加,随后在HBX中保持
13、不 变,再上升趋于平稳,最后于CP处急剧下降至 最低。可以这样解释,纤维分子取向主要发生 在DF21和DF22之间,随着拉伸的进行,大量 非晶区链段开始沿张力方向进行有序排列,并 随之生成大量晶核,导致应变结晶,此时的结 晶主要是分子取向诱发结晶产生的结果4,但 总体来讲,此时主要是非晶区有序化的过程,且 受制于拉伸温度与拉伸速度的影响5。从DF22 到DF23工序,纤维维总取向有所增加,晶区取 向同样有所增加,而非晶区取向在HBX后却 表现为基本不变,其原因在于结晶主要发生在 这一阶段,由于此时存在着二次拉伸,纤维的 结晶应主要是一定张力下的应变结晶(取向诱 导结晶)和较低程度的热结晶共同作
14、用的结 果6,使一次牵伸产生的大量晶核经HBX后, 开始产生了较大幅度的结晶,大量有序排列的 非晶分子转变为结晶分子,所以非晶区取向有 所减小,从而在经过HBX二次拉伸后并无太 大的变化,简单的说,非晶有序化的速率较非 晶有序化转变为结晶的速率要小一些或大致相 等。此后,二次拉伸的滞后效应仍使纤维的分 子取向再次增加,非晶区取向也随之增加,并 在DF23开始的热定型过程中,在一定的拉伸 应力作用下,随温度的升高得以进一步完善结 31 第1期孟家明等,涤纶短纤维在纺程中的取向与性能研究 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All
15、rights reserved. 晶,这是拉伸应变结晶与热致结晶共同作用的 结果,但热结晶起主导作用,通常产生于高度 取向的非晶区域。HR工序主要是涤纶纤维的 结构重整过程6 7, 在此过程中,晶粒重整,结 晶进一步完善,取向不再有明显的变化。此时 纤维的刚性虽已达到最大,但柔性却较小。CP 工序是对纤维进行一维机械高温卷曲,该工序 使非晶取向急剧下降,而对晶区取向影响不大, 它主要是在机械挤压条件下的热力学控制的非 晶区链段部分解取向过程。其对纤维的刚性影 响不大,但使纤维的柔性有了较大的提高。而 使纤维具有较完善的物理-力学性能,以较理 想的刚性与柔性满足纺织后加工的需要。 212物理性能
16、 图3是各纤维样品的应力应变曲线图,它 能够充分地反映PET纤维在纺丝与后加工过 程中的轴向引张性能和行为。图中可知,原丝、 DF21为非晶拉伸(细颈拉伸 ), 故在第一屈服点 处出现拉伸平台;而在DF22、HBX处由于已经 存在部分结晶,且有一定的非晶取向,故出现 了较明显的第二屈服点。 通常在拉伸过程中,第 一屈服点是由非晶区分子开始运动所产生的, 第二屈服点则归结为结晶较差的部分,即次晶 等被破坏造成的。此时纤维的强度低,伸长大。 而在DF23至CP前由于其高结晶度和较高的 非晶取向,纤维样品的应力应变曲线表现为断 裂强度高而伸长低,第一屈服点不明显,其原 因不在于非晶取向好,第二屈服点
17、则主要是结 晶破坏造成的。一维机械高温卷曲,破坏了非 晶取向,从而再次呈现出明显的第一屈服点,且 向拉伸大的方向移动,但由于是高温卷曲,对 结晶未破坏,因而强度变化不大。 a. 1#、2#样品 b. 3#样品 c . 4#样品 d. 5#、6#、7#样品 e . 8#、9#样品 图3PET纤维应力应变曲线 根据应力应变曲线所得的涤纶纤维在纺丝 与后加工过程中的力学性能数据见表2。结果 表明,纤维的断裂强度、断裂伸长与非晶区取 向因子、结晶度是密切相关的。在纤维结晶不 完善的情况下,随着结晶度的不断增加,断裂 强度增大,断裂伸长减小,其原因在于拉伸主 要是非晶区拉伸,结晶度增大,非晶区含量减 小
18、,使断裂伸长减小;而在DF23工序以后,结 晶渐趋完善,决定纤维力学性能的主要的结构 因素是纤维的非晶区有序化程度的高低。对照 表1与表2的数据可以看出,在结晶度基本相 同的情况下,非晶区取向越大,断裂强度初始 模量就越大,而相应的断裂伸长率越小。即纤 维的刚性越强,柔韧性越弱。反之,非晶区取 41 合成技术及应用第14卷 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 向越小,断裂强度、初始模量就越小,相应的 断裂伸长率越大,即纤维刚性越弱柔韧性越强。 屈服通常是塑性的表现,它取决于纤维拉伸时 的
19、初始取向度,由表可以看出,在纺程中随着 纤维结晶取向的渐趋完善,其屈服应力与屈服 应变也逐渐合理。 表2PET纤维的物理性能参数 样品编号 采样工序 1# 原丝 2# DF21 3# DF22 4# HBX 5# DF23 6# HR 7# TA 8# CP 9# 成品纤维 线密度?dtex510951091169115711541154115511581156 断裂强度?cNdtex21115311615107512051515164514451485139 初始模量?cNdtex21161316138416791682157719741843103910 断裂伸长率?%4174375811
20、331929152717311231173214 10%定伸强?cN210521054142616871126181615541864162 屈服应力?cNdtex21317131832510431243144815461848154718 屈服应变?%101310137111811510141116111214191513 纤维的一维高温卷曲是通过机械方式和高 温处理方式同时对纤维进行卷曲。其结果主要 是使非晶区解取向。在高温处理下,纤维中大 分子链段在热能的作用下作自由运动而逐渐卷 曲,使纤维产生了收缩,非晶取向明显下降。 随 着热处理温度提高,非晶区链自由蠕动不断加 剧,大分子解取向运动
21、也逐步增加。在生产中, 从HBX到TA之间纤维的拉伸线速逐渐降低, 故纤维的拉伸强力也逐渐降低,由于此间纤维 均在高温下处理,使大分子链段受到张力的作 用不能自由运动,而使纤维中非晶区保持了较 高的取向,至TA处随着拉伸张力的逐渐消除, 非晶区发生了部分解取向,所以在此时提高纤 维丝束的温度有利于非晶区解取向。故在设计 工艺时于SBX处通入蒸汽以使纤维丝束温度 保持在130,而实际生产中由于温度的滞后 效应取消了这一步。而后的一维高温机械卷曲 是机械挤压的外部条件和高聚物线型大分子在 高温下具有塑性的内部条件共同作用的结果。 3结论 a. 纤维非晶区取向和结晶度与纤维的刚性 和柔韧性密切相关,
22、但决定纤维力学性能的主 要的结构因素是纤维的非晶区有序化程度的高 低。 b. 一次拉伸主要是非晶区有序的过程化 的过程,随着拉伸的进行,大量非晶区链段开 始沿张力方向进行有序排列,并随之生成大量 晶核,导致应变结晶。 c. 在热定型过程,结晶通常产生于高度取 向的非晶区域,这是一定张力下的应变结晶 (取向诱导结晶)和热结晶共同作用的结果。 d. 高温机械卷曲是在机械挤压条件下的 热力学控制的非晶区解取向过程。 4参 考 文 献 1姜胶东,蔡夫柳,张明宏等.北京服装学院学报, 1991, 11 (1): 1 2孟家明,任夕娟,吴继善等.合成纤维工业,1993,16 (6): 5 3贾广霞,汤恩旗
23、,张宇峰等.高分子材料科学与工程, 1997, 13 (2):139 4孟家明,任夕娟,朱长江等.合成纤维工业,1997,20 (2): 11 5任夕娟,孟家明,高宏保等.合成纤维工业,1997,20 (1): 17 6孟家明,任夕娟,高宏保等.合成技术及应用, 1997, 12 (2): 12 7孟家明,胡家璁,任夕娟等.高分子材料科学与工程(待 发表) 8陈稀,黄家安.化学纤维实验教程,纺织工业出版社, 1988 9何国仁等.高分子通讯, 1986,(1), 43。 10胡学超,邵惠丽等.合成纤维, 1991, (3): 2 11吴刚,高分子通报, 1996,(3), 178。 (下转第5
24、5页) 51 第1期孟家明等,涤纶短纤维在纺程中的取向与性能研究 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 障,保证和提高POY的质量。 b1 对于机械性疵点,可通过数据计算,进 一步确认疵点产生的原因。 c1 由于条干不匀CV%是许多影响因素的 叠加结果,应根据波形情况具体分析。 d1 周期性疵点的峰高,超过基线到峰顶距 离的50%时,就会对织物造成不良影响。 7参 考 文献 1徐心华,李允成等.涤纶长丝生产 1 北京:纺织工业出版 社, 1989:203209 2李允成 1 合成纤维工业,
25、 1994, 17 (3):4950 3王显楼,郑淑兰 1 合成纤维, 1989, 18 (2):3946 STUDY AND APPL ICATI ON OF SPECTROGRAM OF POY-USTER EVENNESSM ETER W ang GeW u YongmeiGeng Hongkai (J inan Chem ical F iber Company,China) ABSTRACT This article analyses the effect of determ inating condition on POYs spectrogram, uneven2 ness cur
26、ve and CV value by U ster yarn evennessmeter2, and the relation betw een spectrogram and the technological condition and the mechanical condition. Keywords: unevenness curve;spectrogram;unevenness;POY (上接第15页) STUDY ON THE ORIENTATI ON AND PROPERTY OF PET FIBER DURING SPINNING PROCESS M eng Jiam ing
27、Ren XijuanCheng ZhanZeng Xianchun Gao HongbaoZhu ChangjiangChen Xia (P roduct and T echnology D evelop ing Centre of Y izheng Chem ical F iber CO. ,L td . ) ABSTRACT W e discussed the relation betw een orientation and property, the effect of process parameter on the structure and property of fiber d
28、uring spinning process byWAXD, sonic velocity method and double refraction method. The results indicate that the am rophous orientation and crystalini2 ty related to the stiffness and flexibility, but main structure factor that decided the mechanical properties of fiber w as the am rophous orientati
29、on.The amorphous segment made ordering along tension direction and crystal nucleus grew at the same ti me in the first draw ing, that created strain2crystallization.Crystallization produced in amorphouss region of height ordering during heat setting, it w as the result that strain2crystallization an
30、d thermal2crystallization acted. H igh temperaturemechanical cri mp w as the course of amorphous region disorientation under thermody2 nam ics command. Keywords: PET fiber;orientation;crystallization 55 第1期王革等, POY- U STER仪谱图的研究和应用 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.