涤纶工业丝动态粘弹性的研究

徐德增，蔡晓娇，郭大生

(1.大连工业大学纺织与材料工程学院，辽宁 大连116034;2.大连合成纤维研究设计院股份有限公司，辽宁大连116023)

高聚物材料在受外力作用时，既有固体的弹性行为，又有液体的粘性行为，具有粘弹性，这种特殊行为是因为高聚物复杂的分子链结构及分子的运动状态造成的，所以研究高聚物的粘弹性对高聚物材料应用性能非常重要。

近几十年来，随着国内涤纶工业丝的生产技术逐渐成熟，我国涤纶工业丝产量已经位于世界第一，而且已经应用在很多领域并以优良的性能取代了其他纤维［1］，但目前很少有文献对涤纶工业丝动态粘弹性进行研究。生产涤纶工业丝采用高黏度聚酯(PET)切片，但是由于高黏度PET的特性黏数较高，使得在生产过程中会遇到熔融挤出困难、高温降解和纺丝不均匀等现象。若适当地提高纺丝温度可以避免这些问题，但也影响涤纶工业丝的结构及性能。

作者主要通过动态热机械分析(DMA)法研究纺丝温度对涤纶工业丝初生纤维结构及动态力学性能的影响。采用动态力学热分析仪测试，通过分析储能模量(E')、损耗模量(E″)及损耗因子(Tanδ)等参数，可以得到聚合物的分子链段运动、键的旋转、非晶态结构、晶态结构及取向等情况，这对涤纶工业丝性能提供了理论依据［2］。

1 实验

1.1 原料

高黏度PET切片:特性黏数为(1.00±0.03)dL/g，大连合成纤维研究设计院股份有限公司产。

1.2 涤纶工业丝的制备

采用间歇法生产涤纶工业丝，将高黏度PET切片，经过转鼓干燥，干燥时间为30 h，含水率小于等于16 μg/g，然后分别经过280，290，300 ℃纺丝温度下得到3种初生涤纶工业丝(其他工艺条件相同)，分别标记为1#，2#，3#试样。其工艺流程见图1。

图1 涤纶工业丝工艺流程Fig.1 Flow chart of polyester industrial yarn

1.3 动态粘弹性实验

采用美国TA公司Q800型动态力学分析仪测试，频率1 Hz，升温速率5℃/min，温度20～200 ℃，得到 E'，E″，Tanδ与温度关系曲线［3－6］。

2 结果与讨论

2.1 E'与温度的关系

由图2可知，在一定的频率情况下，随着温度增加，1#，2#，3#试样的 E'由最大到变小再增大。出现这种现象的原因是，当温度低于玻璃化转变温度(Tg)，大分子主链运动被冻结，应变量很小，可以瞬时恢复，主要由键长、键角改变所产生，力学状态表现为玻璃态，因此在区域内具有较高的模量表现出弹性行为。

图2 初生涤纶工业丝的E'与温度的关系Fig.2 Relationship between E'and temperature of as-spun polyester industrial yarn

从图2还可以看出，3个试样的E'的最大值的大小依次为1#，2#，3#。出现这种现象的原因可能是当其他加工条件相同时，随着纺丝温度的升高，高黏度PET熔体中的大分子链运动越容易，松弛时间较少，其生产的初生涤纶工业丝纤维结构中的结晶区域较小及取向程度低，最终导致E'的最大值降低。由于涤纶工业丝生产过程中还需要进行二级拉伸，若初生纤维取向度或结晶度较高，进行后拉伸时容易产生断头、毛丝等现象，所以其初生纤维的取向度及结晶度越低，越有利于后加工。

从E'的转变点可以得出涤纶工业丝初生纤维的Tg约为79℃，比普通的大有光PET切片生产的涤纶Tg高。因为PET是半结晶聚合物，随着结晶度的提高，其Tg向高温转移。这说明通过高黏度PET生产的涤纶工业丝使用范围比较宽，在较高温度的环境使用，对其性能影响较小。当温度升到Tg，分子链段开始自由活动，玻璃态转往高弹态转变，E'显著降低。当温度继续升高到120℃左右，出现反常现象，E'又开始升高。由于PET属于半结晶聚合物，当接近或高于结晶温度时，在外力作用下其非晶区会发生取向及结晶现象，会导致 E'增加。1#，2#试样的 E'升高到1 500 MPa左右，而3#的 E'升高到2 800 MPa左右，说明在纺丝温度为300℃，初生纤维经过后拉伸加工，其非晶区的取向及结晶作用较大。

2.2 E″和温度的关系

由图3可知，当温度低于Tg时，分子链段冻结，力学损耗较小;在Tg范围内，E″出现极大值。这是因为在此范围内被冻结的链段刚开始运动，体系整体黏度还是很高，链段运动受到摩擦力阻力较大，以热的形式消耗能量增加。1#试样的E″峰值最大，说明链段松弛运动会导致大分子层内摩擦越大。当温度继续升高，体系的自由体积增大，熔体的黏度降低，链段受到的阻力减小，使得E″降低。当温度继续升高到120℃，E″出现小的峰值，这是由于取向和结晶区域的增加，体系内摩擦阻力再次提高，熔体黏度增加，所以力学内耗亦增加。3#试样的E″增加明显，说明取向及结晶明显，这样经过后拉伸可以有效提高涤纶工业丝的强度。产生小的内耗峰还有可能是由于晶区缺陷运动，以及晶区内部侧基或链端运动所引起的。

图3 初生涤纶工业丝的E″与温度的关系Fig.3 Relationship between E″and temperature of as-spun polyester industrial yarn

2.3 Tanδ和温度的关系

在Tg范围内，Tanδ也出现一个极大值，这是因为应变跟不上应力的变化，其相位差很大，力学损耗达到最大值。表1所示Tanδ的最大值表明了3个试样的内耗顺序由大到小依次3#，1#，2#，其值的大小与链段的活动能力有关。说明3#试样在周期应力作用下，链段活动能力较大，并引起较多能量损耗。

表1 初生涤纶工业丝的Tanδ最大值Tab.1 Tanδ maximum of as-spun polyester industrial yarn

3 结论

a.涤纶工业丝的E'与温度的变化规律随温度的增加，E'由最大先变小然后增大。涤纶工业丝初生纤维的E'的最大值随纺丝温度的升高而降低。

b.在Tg范围内，涤纶工业丝初生纤维的E″出现极大值，纺丝温度低的纤维的E″最大;Tanδ也出现一个极大值，纺丝温度高的纤维的Tanδ最大值最大。

c.测试温度升高到120℃时，E'与E″均出现小的峰值，140℃时趋于平衡。

d.纺丝温度为300℃的初生纤维非晶区的取向及结晶作用高于280℃和290℃的;经后拉伸后可有效提高纤维的强度。

［1］ 陈向玲，宋睿，赵万金，等.国内外涤纶产品与技术发展趋势［J］.合成纤维工业，2011，34(2):47 －49.

［2］ 金日光，华幼卿.高分子物理［M］.北京:化学工业出版社，2006:187－188.

［3］ 邬怀仁，姜孔仁，陈以蔚等.高聚物材料的动态力学测量［J］.工程塑料应用，1988(1):29 －35.

［4］ 郭俊敏，严国良，王艳双，等.DMA法分析聚酯纤维无定型区结构［J］.金山油化纤，2005，23(2):6 －9.

［5］ 台会文，夏颖.动态机械分析在高分子材料中的应用［J］.塑料科技，1988(1):57－58.

［6］ 邓友娥，章文贡.动态机械热分析技术在高聚物性能研究中的应用［J］.实验室研究与探索，2002，21(1):38 －39.