大直径纳米改性PET单丝的成形工艺研究

马海军，邵小群，徐 燕，王 城

（南通新帝克单丝科技股份有限公司，江苏 南通 226003）

大直径聚合物单丝一般指直径为0.08～5.00 mm的单根纤维。大直径聚对苯二甲酸乙二酯（PET）单丝具有良好的力学性能及尺寸稳定性，耐酸、抗霉菌等优点，但强度及弹性不理想[1-3]。利用纳米技术对PET进行改性，显著提高了PET单丝的性能并扩大了其应用范围。用于改性PET的纳米无机粒子主要有纳米二氧化硅（SiO2）、纳米二氧化钛（TiO2）、纳米蒙脱土（MMT）、纳米氧化锌（ZnO）和纳米碳酸钙（CaCO3）等[4-6]。利用纳米TiO2粒子改性PET，提高了PET单丝的强度、柔软度，增强了单丝的防水性、阻隔性、耐热性及抗老化性等功能，可用于织造高速运行的造纸成型网及其他高性能输送带[7-10]。本研究以纳米改性的PET为原料，纺制大直径PET单丝，探讨了纺丝温度、液体冷却温度、后拉伸及热定型温度等工艺参数对大直径PET单丝热性能、结构及力学性能的影响。

1 实验部分

1.1 实验原料

纳米改性PET：Tm=255 ℃, Tg=67 ℃（无锡三房巷集团有限公司）。

半消光纤维级PET：Tm=264 ℃，Tg=70 ℃[东丽（南通）合成纤维有限公司]。

有光PET：Tm=266 ℃，Tg=72 ℃（中国石化上海石油股份有限公司）。

1.2 实验设备

Φ65单丝成形设备（南通金虹环保科技有限公司）。

SAHM700XE卷绕机（德国SAHM公司）。

工艺流程如图1所示。

图1 工艺流程

1.3 结构及力学性能表征

差示扫描量热仪：DSC-500T（上海研锦科学仪器有限公司）。

扫描电子显微镜：S-550型（日本日立公司）。

万能材料试验机：TH-8201A（苏州拓博机械设备有限公司）。

2 结果与讨论

2.1 熔体温度对纺丝成形的影响

熔体温度对大直径PET单丝拉伸强度的影响见表1。

由表1可以看出，不同规格PET树脂的熔体温度并不相同，纳米改性PET树脂的熔体温度最低。这是因为纳米改性PET树脂的熔体流动性较普通PET的熔体流动性能好。但是纳米改性PET单丝的力学性能优异，这是因为纳米粒子的加入，在PET体系中起到成核剂的作用，提高了PET单丝的结晶度，因此，纳米改性PET单丝的力学性能良好。不同PET初生丝的SEM图如图2所示。

表1 熔体温度对大直径PET单丝拉伸强度的影响（单丝直径0.20 mm）

由图2可以看出，纳米改性PET初生丝的结构较为致密，大分子排列规整；普通PET初生丝的结构松散，且出现结构分层现象。

2.2 冷却水温对纳米改性PET单丝力学性能的影响

不同冷却水温下PET初生丝的DSC图如图3所示。

图2 不同PET初生丝的SEM图

图3 不同冷却水温下PET初生丝的DSC图

由图3可以看出，当纺丝液体冷却温度发生改变时，PET初生丝的熔点也随之发生改变，当冷却液体温度较低时，初生丝的熔点较高，随着冷却温度的提高，PET初生丝的熔点呈下降趋势。当冷却温度为80 ℃时，PET初生单丝的熔点温度开始下降。这主要是由于冷却温度的变化导致了PET初生丝不同的结晶形态和结晶方式，其结晶度和取向度也不相同，从而导致了PET单丝熔点的改变。冷却水温对PET单丝力学性能的影响如表2所示。

表2 冷却水温对PET单丝力学性能的影响（直径0.20 mm）

由表2可以看出，当冷却温度较低时，大直径PET单丝的拉伸强度较低，当冷却温度升高到80 ℃时，PET单丝的拉伸强度提高到902 MPa。由于PET的玻璃化温度较高（67 ℃），所以在温度较低时，PET初生丝的结晶度和取向度都较低，当冷却温度继续升高到90 ℃时，PET单丝拉伸强度下降到884 MPa，所以，冷却温度不宜过高。

2.3 拉伸倍率及拉伸温度对纳米改性PET单丝力学性能的影响

通过液体冷却成形制得的大直径PET初生单丝结构还不完善，取向度低，拉伸强度差，需要进行后拉伸。拉伸倍率对PET单丝力学性能的影响如表3—4所示。

表3 一级拉伸时不同拉伸倍率对PET单丝力学性能的影响（直径0.20 mm）

由表3可以看出，当采用一级拉伸方式，拉伸倍率为3.0时，拉伸强度为498 MPa，拉伸倍率为4.5时，拉伸强度提高到680 MPa。这主要是因为随着拉伸倍率的提高，大直径PET单丝内的大分子结构从无序向有序排列，提高了PET单丝的取向度和规整度，从而导致大直径PET单丝的拉伸强度增加。当拉伸倍率为4.8时，拉伸强度下降到647 MPa，主要是拉丝倍率过高会导致大直径PET单丝的大分子链滑移。

由表4可以看出，采用二级拉伸方式，拉伸倍率为3时，拉伸强度为588 MPa，拉伸倍率提高到4.5时，PET单丝拉伸强度为905 MPa，拉伸强度提升效果明显。当拉伸倍率进一步提高到4.8时，PET单丝拉伸强度有所下降，为857 MPa。对比表3可以看出，同样的拉伸倍率，二级拉伸的拉伸强度比一级拉伸强度高。这是因为二级拉伸时一道拉伸倍率占比较低，大直径PET单丝所受外力小，拉伸内应力低，形成了初步取向，二道拉伸时，拉伸温度较高，增加了大直径PET单丝链段的活性，结晶度和取向度进一步提高。

表4 二级拉伸时不同拉伸倍率对PET单丝力学性能的影响（直径0.20 mm）

在后拉伸过程中，拉伸温度同样影响着大直径PET单丝的力学性能。拉伸倍率4.5，直径0.20 mm时，热水拉伸温度对PET单丝拉伸强度的影响如表5所示，热风拉伸温度对PET单丝拉伸强度的影响如表6所示。

表5 热水拉伸温度对PET单丝力学性能的影响（拉伸倍率4.5，直径0.20 mm）

表6 热风拉伸温度对PET单丝力学性能的影响（拉伸倍率4.5，直径0.20 mm）

由表5—6可以看出，大直径PET单丝的拉伸强度在一定范围内随着拉伸温度的升高而增强。热水温度为70 ℃时，拉伸强度为754 MPa；热水温度升高到95 ℃时，拉伸强度提高到908 MPa；热风温度为140 ℃时，拉伸强度为764 MPa；热风温度为180 ℃时，拉伸强度为902 MPa。这是因为随着大直径PET单丝拉伸温度的提高，结晶度也得到增加，但是拉伸温度过高时，大直径PET单丝的拉伸强度会出现下降。

2.4 热定型温度对PET单丝力学性能的影响

拉伸过后的大直径PET单丝存在一定的内应力，单丝尺寸稳定性差，需要进行热定型，消除大直径PET单丝的内应力。热定型温度对PET单丝干热收缩率的影响如图4所示。

图4 热定型温度对PET单丝干热收缩率的影响（测试条件：180 ℃，10 min）

由图4可以看出，大直径PET单丝的干热收缩率随着热定型温度的升高而减小。这是因为随着热定型温度的升高，大直径PET单丝大分子的内应力得到消除，大分子结构致密化，规整性提高。但是过高的热定型温度会导致分子链的运动加剧，大直径PET单丝的结构出现松散，甚至出现解取向，从而导致PET单丝的干热收缩率升高。

3 结语

（1）冷却水温是影响PET单丝力学性能的重要因素，PET单丝的拉伸强度随冷却水温的提高而增强。最佳冷却水温为80 ℃。

（2）在大直径PET初生单丝后拉伸过程中，采用二级拉伸时，大直径PET单丝的拉伸强度较高。最佳二级拉伸倍数为4.5倍。

（3）拉伸温度同样影响大直径PET单丝的拉伸强度，拉伸强度在一定温度范围内随着拉伸温度的升高而增强，温度过高，大直径PET单丝的拉伸强度有所下降。最佳热水拉伸温度为95 ℃，热风级拉伸温度为180 ℃。