PET沉析纤维及其复合纸机械性能的研究

张素风 宋宝玉 张美娟

摘要：采用扫描电子显微镜、纤维质量分析仪、比表面积分析仪和X射线衍射仪（XRD）等检测仪器，对自制PET沉析纤维和市售PET浆粕进行表面形貌、比表面积、结晶性能及成纸性能研究。实验结果表明，与市售PET浆粕相比，自制PET沉析纤维呈飘带状，纤维形态柔顺，质轻且较薄，比表面积较大，达6311 m2/g；纤维结晶度为3610%，纤维悬浮液分散度达97%，有利于提高成纸匀度和强度；相比于市售PET浆粕和PET短切纤维抄造的纸张，自制PET沉析纤维和PET短切纤维成纸的抗张指数、撕裂指数和伸长率分别提高了63%、112%、388%。

关键词：PET沉析纤维；纤维性能；纤维形貌；纸张力学性能

中图分类号：TQ342+2文献标识码：ADOI：1011980/jissn0254508X201803005

收稿日期：20171109（修改稿）

基金项目：陕西省2015科技统筹创新工程计划项目（2015KTCQ0144）； 陕西省造纸技术及特种纸品重点实验室项目（No12JS024）； 陕西省教育厅重点科学研究计划（重点实验室）（No17JS016）。Characterization of PET Fibrid and Mechanical Properties of Its Composite PaperZHANG Sufeng*SONG BaoyuZHANG Meijuan

（Shaanxi Provincal Key Lab of Papermaking Technology and Specialty Paper Development， Key Lab of Paper

Based Functional Materials of China National Light Industry， National Demonstration Center for Experimental Light Chemistry

Engineering Education， Shaanxi University of Science & Technology， Xi′an， Shaanxi Province， 710021）

（*Email： sufengzhang@126com）

Abstract：The surface morphology， specific surface area， crystalline properties and papermaking properties of labmade PET fibrid and commercially available PET pulp were studied using scanning electron microscopy（SEM）， FQA， BET surface analyzer and X ray diffraction（XRD） The experimental results showed that compared with the commercially available PET pulp， PET fibrids were ribbon， soft， lightweight and thinner， with fiber morphology and larger specific surface area The crystallinity of the fibrid was 3610%， and the dispersity of fibrid suspension reached 97%， which was helpful to improve the formation and mechanical strength of PET sheets At the same ratio of raw materials， the tensile index， tear index and elongation of the paper prepared with PET fibrid and PET chopped fiber improved by 63%， 112% and 388%， respectively compared with the paper prepared with commercial PET pulp and chopped fiber.

Key words：PET fibrid； fiber properties； fiber morphology； paper mechanical property

沉析纖维是将聚合物溶液注入高速搅拌凝固液中制备的差异化纤维，由于其特殊的形态结构可应用于摩擦材料、密封材料、增强材料及特种纸品[12]等领域。目前常见的沉析纤维有芳纶沉析纤维、壳聚糖沉析纤维[3]、纤维素沉析纤维[4]和聚合物沉析纤维[56]等，而在造纸工业中研究较多的是芳纶沉析纤维，在填充和黏结材料增强纤维间的结合、改善纸基材料机械强度和绝缘性能方面应用广泛[78]。

PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）纤维具有高强度、耐热性、耐化学药品性以及良好的尺寸稳定性，被广泛用于包装领域、造纸行业、电子电气部件等领域。PET纤维主要用于纺织业，在纸基材料方面的研究较少。用于造纸的PET短切纤维具有较高的物理机械性能和热稳定性，但由于自身缺乏结合力，无法单独成纸，需要与特殊形态的纤维（沉析纤维/浆粕）共混湿法成纸。采用纺丝切割法制备的市售PET浆粕表面较光滑但缺乏极性基团，因而在水介质中分散不均匀，使得成纸匀度低且机械强度较差；然而沉析纤维形态柔软，在水相介质中容易均匀分散，可以替代浆粕制备纸基材料，因而对于PET沉析纤维制备及性能研究很有必要[9]。目前对于PET沉析纤维作为聚酯差异化纤维新产品的研究较少，查阅文献沉析法[10]是一种简便、快速、温和的纤维制备方法，即将低温缩聚的溶液注入高速搅拌凝固液中，在高速剪切流的作用下，液滴被逐渐拉伸变形，进而凝固原纤化形成纤维。与常规纺丝法相比，该方法省去了复杂的纺丝及机械切割帚化过程，在纤维未产生强度时将其拉伸变形，使得纤维尺寸细小，分丝帚化现象明显，比表面积较大，在水介质中均匀分散，采用湿法抄造制备出匀度高且强度优异的PET纸基材料，从而被广泛应用于绝缘材料、过滤材料以及包装材料等领域[11]。

本研究通过扫描电子显微镜（SEM）、纤维质量分析仪、比表面积仪、X射线衍射仪（XRD）等检测手段对自制PET沉析纤维和市售PET浆粕的表面形态、尺寸大小、原纤化程度以及结晶性能进行分析，并对自制PET沉析纤维和市售PET浆粕分别与PET短切纤维抄造纸张的抗张强度、撕裂强度等力学性能进行了探究，对进一步研究PET纸基材料的性能及应用奠定基础。

1实验

11实验原料及设备

111实验原料

PET短切纤维，长度4～6 mm，上海熊津有限公司提供；市售PET浆粕，长度027～100 mm，上海兰邦工业纤维有限公司提供，打浆处理后PET浆粕打浆度为25°SR；PET切片（分子质量16700～26500），平均特性黏度为068 dL/g，由上海某厂提供。

112实验设备

VEGA 3 SBH扫描电子显微镜，TESCAN（捷克）公司生产；纤维质量分析仪（MorFi Compact），法国生产； L&W SE062电脑自动抗张强度测定仪，瑞典L&W公司生产；LBSL1000纸张撕裂度仪，蓝博仪器厂生产；2D LAB F/SNSOR纸张匀度测定仪，法国生产；Gemini VII2390比表面积分析仪，麦克默瑞提克公司生产；D8 Advance X射线衍射仪，德国 Bruker公司生产。

12PET沉析纤维的制备及浆粕形态分析

121PET沉析纤维的制备

称取一定量的PET切片加入到混合溶剂（苯酚和四氯乙烷质量比为1∶1）中，在80°C的水浴中加热搅拌，直至切片完全溶解得到质量分数为10%的PET浆液（乳白色溶液），冷却至室温备用。接着用针管吸取一定量的PET浆液逐滴注入高速剪切（3000 r/min）的凝固浴（甘油和无水乙醇体积比为3∶1）中，PET液滴在凝固浴的黏性剪切作用、溶剂和凝固剂间相互扩散作用下凝固成形[1213]，连续剪切一段时间得到PET纤维悬浮液，随后用自来水洗涤、抽滤，重复操作3～5次，最后放入冷冻干燥器中干燥，保存备用。

122PET沉析纤维和浆粕的形貌和性能分析

（1）SEM分析

将绝干样品（自制PET沉析纤维、市售PET浆粕、PET复合纸）固定在导电胶上，经过喷金处理后，在SEM上进行观察，采用二次电子成像模式，加速电压为25 kV。

（2）纤维质量分析

稱取004 g绝干纤维原料（PET沉析纤维、PET浆粕）于标准纤维疏解机加入去离子水至1000 mL，疏解10000转后倒入测量容器中，在纤维质量分析仪上进行纤维形态测定，最终对纤维长度、粗度、细小纤维的百分比、卷曲指数、分丝帚化指数等参数进行表征。

（3）比表面积测定

采用比表面积分析仪，通过BET氮吸附法测定纤维原料的比表面积。

（4）纤维分散性的测定

配制浓度为04%的自制PET沉析纤维和市售PET浆粕悬浮液，分别加入到500 mL的量筒中静置24 h，纤维分散度按公式（1）计算。

f=v0-v1v0 ×100%（1）

式中，f为分散度，%；v0为纤维悬浮液初始体积，mL；v1为沉降24 h后上清液的体积，mL。

（5）XRD分析

采用XRD对自制PET沉析纤维和市售PET浆粕的结晶度进行测定。测试条件：Cu靶Ka射线源，Ni滤波进行扫描，扫描范围为5°～70°，扫描速度为5°/min，采用Jade 60软件对样品衍射曲线利用分峰拟合法计算结晶度。

13PET复合纸的制备、匀度表征及物理性能检测

采用湿法抄纸工艺，将自制PET沉析纤维和市售PET浆粕分别与PET短切纤维按照相同的质量配比进行抄纸。纤维在疏解机中形成悬浮液，并在纸页成形器上抄纸，预干燥温度为105°C，纸张定量为100 g/m2。干燥后的纸张在平板硫化机上进一步热压处理，热压条件为温度210°C，时间2 min、压力15 MPa。纸张在热压板之间正反面各热压1次，随后在冷却板之间冷却至常温，得到PET复合纸。

按照国家标准检测方法通过电脑自动抗张强度测定仪、纸张撕裂度仪、电脑测控厚度紧度仪和纸张尘埃匀度仪对纸张抗张强度、伸长率、撕裂度、紧度和匀度等性能进行检测。

2结果与讨论

21PET沉析纤维及浆粕形态分析

纤维微观形貌与制备方法和生产工艺条件密切相关，目前市售浆粕主要的生产方法为纺丝切割法，即聚合、纺丝、切割、微纤化的工艺路线，所生产的PET浆粕如图1（a）所示。从图1（a）可看出，浆粕表面形态较光滑、宽度基本一致、尺寸均匀，表面存在少量毛绒状微细纤维，通过BET氮吸附法测定市售PET浆粕的比表面积为1290 m2/g，原因是纺丝切割法制备的浆粕表面原纤化程度较低，因而其浆粕的比表面积较小。

然而，沉析法制备工艺特殊，沉析纤维是将低温缩聚溶液直接注入高速剪切的沉析剂中所产生的纤维。自制PET沉析纤维如图1（b）所示，纤维悬浮液在持续高速剪切力的作用下，纤维原纤化程度提高，表面易分丝帚化且比表面积较大，达6311 m2/g，纤维表观形态呈现飘带状，质轻且薄，尺寸均匀。利用沉析法制备出均匀带状结构的PET纤维，主要是使用温和的凝固条件（甘油与无水乙醇的共混物），浆液液滴在未完全凝固成形前，在高速剪切力的作用下，易于原纤化，在制备PET复合纸时，自制PET沉析纤维表面接触位点较多，有利于黏结短切纤维，增加纤维间机械连锁作用，同时提高界面结合程度，使得纸张的整体机械强度与热性能得到改善[14]。

22PET沉析纤维和浆粕的形态参数及分散性

沉析纤维形态分为薄膜状和纤维分丝状，纤维形态参数是评价纤维质量和纸张强度性能的重要指标[15]。因此本研究对自制PET沉析纤维和市售PET浆粕的形态参数进行了分析，分别表征了纤维长度、宽度、卷曲指数、分丝帚化指数等指标，结果如表1所示。

由表1可以看出，PET沉析纤维重均长度为0502 mm，是PET浆粕长度的2倍多，同时图2所示的PET沉析纤维长度呈正态分布，有研究证明，当氢键结合力较差时，纤维长度对纸张性能的影响要比纤维强度的影响更重要，因而PET沉析纤维有利于制备机械强度高的纸张。PET沉析纤维的平均粗度为05896 mg/m，比PET浆粕粗度值高，而纤维粗度影响单根纤维的柔软性，增加纤维粗度可以减少纤维间的相互缠绕，使得纤维悬浮液的分散度更高，因此PET沉析纤维添加到浆料中有利于抄造出匀度高、机械性能优异的纸张。

纤维的分丝帚化是指经过打浆处理后，纤维发生起毛、撕裂和分丝的现象，造纸中纤维的分丝帚化指数越高，纸张越容易成形。PET沉析纤维的分絲帚化指数为2346%，是PET浆粕的2倍多，原因是纤维在持续高速剪切力的作用下，表面原纤化程度提高，比表面积较大，这与SEM分析结果一致。PET沉析纤维的卷曲指数为181%，比PET浆粕的157%稍高，PET沉析纤维的卷曲指数较大，表明纤维形态柔韧，在湿法抄造中能够很好分散在水中与短切纤维交织结合，形成力学性能优异的纸基材料。

图2自制PET沉析纤维和市售PET浆粕长度分布图分散度法为沉降体积分数法中的一种，具有简便和直观的优势，纤维分散效果的好坏与分散度的大小成正比关系[16]。本实验对自制PET沉析纤维和市售PET浆粕分别进行分散度的测定，从测定结果得到，PET沉析纤维的分散度为97%，而PET浆粕的分散度为76%，表明PET沉析纤维在水介质中悬浮液分散性更好，有利于纸张的抄造成形。综上所述，结合两种PET纤维的形态参数，得出自制PET沉析纤维的比表面积更大，纤维表面结合点更多，表面活性更高，从而更容易与水、纤维、酰胺类复合树脂间产生氢键，在水介质中更易均匀分散，对于制备出良好均匀性、机械性能强的纸基材料有一定优势。

23PET沉析纤维 和PET浆粕的结晶结构分析

大多数聚合物是由结晶区和非结晶区组成的复杂结构，结晶性指聚合物链平行且紧密堆积，一般用结晶度来表示结晶性能高低。聚合物结晶度越高，分子链排列越整齐，分子间的作用力越强，聚合物的强度、硬度和耐热变形性也相应增强，但结晶过度也会产生负面影响。纤维的结晶结构指处于平衡时组成纤维的高聚物长链分子几何排列特征，与纤维的物理性能密切相关[17]。

由图3可以看出，自制PET沉析纤维和市售PET浆粕在2θ=1640°、2226°、2534°均存在图3自制PET沉析纤维和市售PET浆粕的XRD图衍射峰，其分别对应纤维（010）、（110）、（100）3个晶面的衍射峰，属于典型的三斜晶系，衍射峰的形状和强度基本相似。对试样X射线衍射曲线进行分峰拟合处理得到PET沉析纤维和PET浆粕的结晶度分别为3610%和3326%。结果表明，PET沉析纤维和PET浆粕是一种半结晶晶态结构，不同的制备方法对纤维结晶程度的影响不大，但PET沉析纤维比PET浆粕的结晶度稍微高，原因是PET沉析纤维在制备过程中，纤维分子链受到高速剪切力容易断裂，较短的分子链在剪切力的驱使下移动，在非晶区排列趋于规整，因此PET沉析纤维对于纸基材料强度的增加具有一定积极作用。

3PET复合纸的形貌和力学性能

31PET复合纸的形貌分析

热压处理能够改善纤维间的黏结程度，提高纤维间的结合力使其形成整体受力的网络结构，从而达到提高纸张机械强度和介电性能的目的[18]。采用SEM观察纸张中纤维的交织状态，由图4可以看出，热压处理后，纸张表面纤维交织紧密，PET短切纤维在高温高压下发生微变形，表面几乎没有熔融的现象，依旧保持其刚性的本质；而PET沉析纤维作为黏结和填充材料，在高温高压作用下发生熔融软化变形呈橡胶态，PET沉析纤维和PET短切纤维一起形成交联结图4不同状态下PET复合纸的SEM图构，提高纤维间结合强度，在热压处理过程中的冷却板之间，PET沉析纤维发生冷结晶和分子链重排，从而提高PET沉析纤维的结晶度和PET复合纸的密度，同时沉析纤维和短切纤维黏结更加紧密形成整体受力结构，从而赋予纸张优异的机械强度和性能[19]。

32PET复合纸的力学性能比较

纸张力学性能对于其应用范围至关重要，本研究在相同的配比（沉析纤维/浆粕∶短切纤维=3∶7）下，对自制PET沉析纤维和市售PET浆粕分别与PET短切纤维成纸的机械性能进行探究。

纸张的力学性能首先要考虑纸张的匀度，当纸的结构不均匀时，其机械强度下降，表现为裂断长降低[19]。表2为自制PET沉析纤维和市售PET浆粕成纸性能比较。由表2可以看出，相比于浆粕纤维，PET沉析纤维所制备的纸张匀度指数较大，表明沉析纤维添加在浆料中可以改善纸张匀度，有利于纸张强度增加以及实际应用。

由自制PET沉析纤维+PET短切纤维抄造的纸张抗张指数为4253 N·m/g、撕裂指数为4288 mN·m2/g，伸长率为744%，较市售PET浆粕+PET短切纤维抄造的纸张分别提高了63%、112%、388%。PET复合纸的撕裂强度主要取决于纤维长度的大小；而其抗张强度不仅取决于纤维长度，而且受纤维黏结强度的影响。因此两种纸张成纸性能的不同，其原因可能是，与市售PET浆粕相比，自制PET沉析纤维的平均长度较大，表观形态为特殊的飘带状结构，纤维原纤化程度高，比表面积较大，纤维表面的活性更大，使纤维间的接触位点增多，增加纤维间的结合力，提高纸张的力学性能；同时PET沉析纤维在水介质中容易形成均匀的纤维悬浮液，成纸过程中产生纸张的匀度更高。因此，自制PET沉析纤维与市售PET浆粕相比，更易制备出匀度好、物理强度较高的纸张，使其作为PET纸基材料的原料应用前景广泛。

4结论

41 自制PET沉析纤维外观呈现飘带状，形态柔顺，纤维分丝帚化明显，比表面积达6311 m2/g，在水介质中分散均匀；市售PET浆粕表面较光滑，尺寸均一，但纤维表面原纤化程度低，比表面积仅为1290 m2/g。

42自制PET沉析纤维形态分析表明，其重均长度为0502 mm，卷曲指数为181%，纤维尺寸分布较集中；自制PET沉析纤维和市售PET浆粕的结晶度分别为3610%和3326%，PET沉析纤维呈现半结晶结构，其特殊的形貌对于制备出匀度高，机械性能好的纸基材料有一定的优势。

43由自制PET沉析纤维+PET短切纤维制备的复合纸抗张指数为4253 N·m/g，撕裂指数为4288 mN·m2/g，伸长率为744%，匀度指数为72，在纸张匀度和机械性能方面优于由市售PET浆粕+PET短切纤维配抄的纸张，说明PET沉析纤维是一种性能优异的PET纸基原料。

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