纳米云母改性聚酰胺6纤维的制备及其力学性能研究

毛雄亮，宁佐龙，郁萍华，张顺花

(1.浙江理工大学，杭州 310018；2.义乌华鼎锦纶股份有限公司，浙江义乌 322000)

纳米云母改性聚酰胺6纤维的制备及其力学性能研究

毛雄亮1，宁佐龙2，郁萍华1，张顺花1

(1.浙江理工大学，杭州 310018；2.义乌华鼎锦纶股份有限公司，浙江义乌 322000)

添加3%、5%云母微粒到聚酰胺6切片中，用纺丝—牵伸一步法制得云母改性PA6纤维。测试分析不同云母微粒含量对聚酰胺纤维的力学性能和回弹性等指标的影响。结果表明：云母微粒的添加量对PA6纤维的大分子取向有明显影响，加入云母后的改性纤维取向因子减小，纤维的断裂强度和弹性模量降低，而断裂伸长率增大；云母改性PA6纤维的弹性回复率较高，当定伸长为3%、5%和7%时，添加3%云母微粒的改性PA6纤维的急弹性变形回复率依次为99.2%、97.0%和92.4%，比未改性PA6纤维的分别高7.5、3.0和3.0个百分点。适量添加云母微粒，可提高PA6纤维的急弹性变形回复率，但对PA6纤维的大分子取向有明显影响。在实际生产中应合理调整加工工艺，可以改善和提高云母改性PA6纤维的结构和力学性能。

聚酰胺6；云母微粒；共混改性；力学性能；回弹性

0 引 言

聚酰胺6(PA6)纤维具有耐磨性好、弹性回复率高和强度高等特点，大量应用在袜品、内衣等服饰中。随着生活水平的提高，休闲时间的增多，人们对服饰面料的品质提出了更高的要求，时尚、健康、舒适休闲的服饰越来越受消费者的欢迎，服饰面料正向高档化、多样化、功能化方向发展。轻质、吸湿透气、凉爽、保暖等差异化锦纶纤维织物受到消费者青睐[1-3]。云母(mica)是一种片状结构的无机材料，来源广泛，具有热膨胀系数小、滑动性好、耐酸碱腐蚀、耐高温、有光泽、物理化学性能稳定等特点，可用于多种高分子材料的共混改性。在PA6纤维中加入少量云母微粒，可以显著改善纤维的导热性能，这将有利于舒适性凉爽纤维的开发[4]。本课题组已经对云母改性PA6纤维的可纺性、改性纤维的结构与性能进行了实验研究[3-4]，本文实验研究纳米云母添加量对PA6纤维的取向、强伸、回弹性等指标的影响，以期为PA6纤维凉爽功能的开发生产提供一定的理论依据。

1 实 验

1.1 原料

PA6切片(纤维级，相对黏度2.4，真空包装，含水率小于100mg/kg)；改性母粒(基体成分为PA6，云母微粒质量分数为20%)。

1.2 试样的制备

将云母微粒真空干燥，干燥温度为105℃，干燥时间为24h，使母粒含水率小于100mg/kg；按比例与PA6切片共混，其配比见表1。

在高速纺丝机上，一步法制备Mica/PA6共混纤维。熔融、纺丝温度为280～260℃，牵伸比1.25，卷绕速度为4500m/min。纺丝工艺流程：共混切片→挤压熔融→过滤→计量→纺丝→吹风冷却→上油→导丝→热牵伸→高速卷绕→FDY。

表1 Mica/PA6纤维的配比

1.3 结构性能测试

1.3.1 改性聚酰胺纤维的形态结构

采用JSM-5610型扫描电子显微镜放大(2000倍和5000倍)，对纯聚酰胺以及改性聚酰胺纤维表面形态以及横截面进行观察。

1.3.2 线密度测试

用YG081缕纱测长机和电子天平测定试样长度和质量，然后换算成纤维的线密度。

1.3.3 强伸度测试

用XL-2纱线强伸度仪进行测试，夹具间距离为250mm，预加张力为0.05cN/dtex，拉伸速度250mm/min。

1.3.4 定伸长回弹性测试

采用XL-2纱线强伸度仪。预加张力为0.05cN/dtex，夹持距离为500mm，拉伸速度为100mm/min，分别将纤维拉伸至3%、5%和7%，停顿时间30s，回复时间90s，开始第二次拉伸，重复这一拉伸过程直至循环5次，并按下式计算定伸长回弹率。

(1)

式中：L-定伸长度；L1-拉伸至定伸长值后试样的长度；L2-试样复位后的长度。

1.3.5 纤维取向度测试

用SCI-Ⅲ型声速取向测量仪，对纤维取向度进行测试，每个试样测试5次，并按下式计算取向度F,

(2)

式中：Cu为声波沿着未取向试样的传播速度；C0为声波沿着取向试样的传播速度。

2 结果与讨论

2.1 纤维形态结构

改性前后聚酰胺6纤维的表面形态结构如图1所示。图1显示，纯聚酰胺纤维的表面和横截面均较光滑(图1(a)、(b)),而云母微粒改性纤维(图1(c)、(d))的表面和横截面有细小云母颗粒，颗粒分散较均匀。

图1 改性前后PA6纤维的形态结构

2.2 改性纤维的力学性能

纤维具有结晶区和非结晶区，结晶区的结晶度和非晶区的取向度是纤维超分子结构的重要参数，其数值大小对纤维的力学、热学、光学等性能都有影响，其中对纤维的力学性能影响尤为显著。用声速法测试试样的取向因子，结果如表2。表2可见，云母微粒的添加量对PA6纤维的大分子取向有明显影响，加入云母后的改性纤维取向因子减小，取向度下降，这将导致纤维的力学性能的改变。

表2 掺杂不同含量云母微粒PA6的取向度与模量

云母微粒含量/%取向因子fs声速模量/(cN/dtex)00．54837．22030．45730．95150．44630．412

不同云母微粒含量PA6纤维的主要力学性能测试结果如表3。表3显示，添加云母微粒的PA6纤维的断裂强度和弹性模量有所降低，断裂伸长率提高。

表3 云母微粒含量对纤维力学性能的影响

注：试样线密度为95.0dtex

无机粒子改性纤维的力学性能在一定程度上取决于填料粒子在基体中的分散度和分布均匀性以及两者界面状态。无机粒子加入增大了聚酰胺6纤维大分子链间间距，削弱了分子链之间的连接，同时也改变了PA6纤维的超分子结构，大分子的取向、结晶性能均会发生变化[5]。从声速取向因子测试结果看，纤维的取向度明显下降。这导致了改性纤维的强度、模量的下降和断裂伸长率的提高。因此，在实际生产中应根据改性母粒的添加量，合理调整加工工艺，改善和提高云母改性纤维的结构和力学性能。

2.3 改性纤维的回弹性测试

回弹性表征纤维的变形恢复能力，对纤维的尺寸稳定性、抗折皱性有影响，常用指标是回弹率。实验测试分析了定伸长率为3%、5%、7%时的不同云母微粒含量的PA6纤维的回弹性能。结果如图2、表4所示。从图2可以看出，同一伸长率条件下，样品1比样品2和样品3承受更大负荷，变形更难。表4数据显示，定伸长为3%时，样品2急弹性变形为99.2%，回弹率为100%，样品1急弹性变形为91.7%，回弹性为100%；定伸长为5%时，样品2急弹性变形为97.0%，回弹率为100%，样品1急弹性变形94.0%，回弹性99.4%；定伸长为7%时，样品2急弹性变形为92.4%，回弹率为100%，样品1急弹性变形89.4%，回弹率99.4%。由此可见，添加了3%云母母粒的PA6纤维具有较好的回弹性。

图2 不同云母微粒含量PA6纤维的弹性恢复率

表4 含不同云母微粒的PA6纤维的弹性恢复率

定伸长率/%云母微粒含量/%急弹性变形Ei/%塑性变形Ep/%缓弹性变形Es/%回弹率Er/%3091．70．08．3100．0399．20．00．8100．0589．61．88．798．25094．00．65．099．4397．00．03．0100．0591．41．07．599．07089．40．610．099．4392．40．013．6100．0586．41．811．798．2

3 结 论

a) 云母微粒的添加量对PA6纤维的大分子取向有明显影响，加入云母后的改性纤维取向因子减小，断裂强度和弹性模量降低，而断裂伸长率增大。在实际生产中应根据改性母粒的添加量，合理调整加工工艺，改善和提高云母改性PA6纤维的结构和力学性能。

b) 当添加3%云母微粒，定伸长为3%、5%和7%时，改性PA6纤维的急弹性变形回复率依次为99.2%、97.0%和92.4%，比未改性PA6纤维提高7.5、3.0和3.0个百分点。适量添加云母微粒，可提高PA6纤维的急弹性变形回复率，进而提高织物的弹性和穿着舒适性。

[1] Zhang S H,Wu H X,Ning Z L,et al.Physical properties and dyeing behavior of the hollow-triangle nylon 6 fiber[J].Advanced Materials Research,2012,441:160-164.

[2] Zhang S H, Wu H X, Zhang L N, et al. Characterization method for shape factor of the hollow-triangle fiber[J]. Advanced Materials Research, 2012, 441: 736-740.

[3] Zhang S H,Zhu G X,Yang F C. Influence of mica particles on rheological and thermal properties of polypropylene[J].Rare Metal Material and Engineering,2012,41(S3):234-237.

[4] 朱桂新,张顺花,徐鑫灿.云母/聚丙烯共混物熔体的拉伸流变性能[J].复合材料学报,2012(4):42-46.

[5] 李唯唯.高岭土涤纶改性纤维及其性能研究[D].苏州：苏州大学，2008.

(责任编辑：张祖尧)

Study on Preparation and Mechanical Properties of Polyamide 6 Fiber Modified with Nano-mica

MAOXiongliang1,NINGZuolong2,YUPinghua1,ZHANGShunhua1

(1.College of Materials and Textiles, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China;2.Yiwu Huading Nylon Co., Ltd., Yiwu 322000, China)

This study adds 3% and 5% mica master-batches to polyamide 6 slices, prepares mica modified PA6 fiber with spinning-drafting one-step method and tests and analyzes the influence of different contents of mica particles on performance indicators of polyamide fiber such as mechanical properties and rebound resilience. The result shows that the volume of addition of mica master-batches has significance influence on macromolecular orientation of PA6 fiber. The orientation factor of modified fiber added with mica decreases, its breaking strength and elasticity modulus decrease and its elongation at break increases. Mica modified PA6 fiber has a high elastic recovery rate. When certain elongation is 3%, 5% and 7%, the fast elastic deformation recovery rate of modified PA6 fiber added with 3% mica master-batches is respectively 99.2%, 97.0% and 92.4%, respectively 7.5%, 3.0% and 3.0% higher than that of unmodified PA6 fiber. Appropriate addition of mica master-batches can increase the fast elastic deformation recovery rate of PA6 fiber, but has significant influence on macromolecular orientation of PA6 fiber. In practical production, it can be used to adjust the processing technology reasonably and improve structural and mechanical properties of mica modified PA6 fiber.

polyamide 6; mica master-batches; blending modification; mechanical properties; rebound resilience

2014-06-03

浙江省科技计划项目(2013T103)；义乌市科技计划项目(2012-G1-10)

毛雄亮(1988-)，男，江西上饶人,硕士研究生，主要从事新纤维材料及功能性纤维材料的研究。

宁佐龙，E-mail:ninglong11@163.com

TS102.521

A

1009-265X(2015)01-0006-03