高温预加张力下高强阻燃聚酯工业丝性能研究

张玥 宋明根 姬洪 张玉梅 陈志钢

（1.高性能纤维及制品教育部重点实验室，上海，201620；2.东华大学，上海，201620；3.浙江尤夫高新纤维股份有限公司，浙江湖州，313017）

聚酯工业丝现已广泛应用于汽车帘子线、传送带、橡胶管线、土工布、安全带、绳索等各工业领域。其中高强阻燃聚酯工业丝无疑是工业用阻燃纺织品的重点关注对象［1-2］。由于阻燃剂的加入会使聚酯工业丝的结构发生变化，因此，阻燃聚酯工业丝产品除了要满足相应的阻燃要求外，还要满足应用市场的特殊需求，如结晶、取向、强度、伸长和收缩性能等应用特性。目前，阻燃聚酯工业丝研发的核心问题在于良好阻燃性与优异力学性能的兼顾［3-4］。

通过拉伸和热处理等纺丝后处理工艺可以提高 聚 酯 工 业 丝 的 力 学 性 能［5-6］。GB/T 16604—2017《涤纶工业长丝》定义高强型涤纶工业丝的干热收缩率测试条件为预加张力0.05 cN/dtex，热处理温度177℃，热处理时间10 min，要求热处理后干热收缩率不大于2.5%、断裂强度不小于6.6 cN/dtex。欧桂清等人在100℃～220℃范围内对涤纶工业丝施加0.05 cN/dtex的张力，紧张热处理10 min后，发现工业丝的干热收缩率增大、断裂强度减小、断裂伸长率增大［7］。高强阻燃聚酯工业丝在使用中都是长期应用或是在特定高温下经受长期应力作用，不可避免对其性能产生不利影响［8］。然而目前高强阻燃聚酯工业丝的抗张力服役特性和耐热稳定性等应用特性指标尚不明确，而这正是拓展产品应用领域、取得市场认可的关键。

聚酯工业丝在实际使用过程中通常达不到断裂失效的程度，因此使用服役条件下的初始模量、定伸长下的应力或定载荷下的伸长率等指标的保持率能更好地反应聚酯工业丝的应用特性［9］。本课题根据高强阻燃聚酯工业丝在现有下游制品的用途和要求，扩大预加张力范围，研究高强阻燃聚酯工业丝在高温预加张力条件下的力学性能和结晶取向结构变化，以期为高强阻燃聚酯工业丝的长期服役技术指标提供参考。

1 试验

1.1 试验原料

高强普通聚酯工业丝（以下简称HT，规格1 134 dtex/192 F）和高强阻燃聚酯工业丝（以下简称FRHT，规格1 125 dtex/192 F），浙江尤夫高新纤维股份有限公司生产。

1.2 热处理试验

由于在硫化浸胶工艺中浸胶温度会达到180℃～190℃，因此设定热处理温度为195℃，并根据聚酯工业丝在加工和应用中的典型受力范围和处理时间，将纤维置于控温烘箱中，在不同张力条件下紧张热处理5 min。记录热处理前后试样长度变化，计算干热收缩率。

1.3 差示扫描量热测试

采用Q20型差示扫描量热仪（美国TA公司），测试样品量为5 mg～10 mg，氮气流速50 mL/min。样品以10℃/min的升温速率从室温升至280℃。利用熔融焓计算样品结晶度［10］。

1.4 双折射率测试

采用配有BPX51型莱卡偏光显微镜和Berek补偿器（UCTB，Olympus）的SSY-C型纤维双折射仪（上海凯历迪新材料科技股份有限公司）。根据Berek补偿法，由补偿器获得补偿角θ，计算得到纤维双折射值［11］。

1.5 力学性能测试

在恒温恒湿环境下（温度20℃，相对湿度65%），采用3356型强力仪（美国Instron公司）对热处理后的纤维进行测试，夹持距离250 mm，拉伸速率300 mm/min，每组样品测试5次，取平均值，得到断裂强度、断裂伸长率、初始模量（断裂伸长率1%时的模量）、5%伸长时的强度（Lase-5）、4.0 cN/dtex强度下的伸长率（Easl-4）。

2 结果与讨论

2.1 张力对工业丝结晶取向的影响

图1为不同张力热处理后聚酯工业丝差示扫描量热曲线，张力为0.05 cN/dtex、0.50 cN/dtex时，其曲线、数据分别与预加张力0.10 cN/dtex、0.40 cN/dtex的很接近，变化趋势一致，为了使差示扫描量热图更清晰，图1中未列出这两组曲线。样品的熔点、结晶度与双折射值见表1。

图1 不同张力热处理后聚酯工业丝差示扫描量热曲线

表1 不同张力热处理后聚酯工业丝的熔点、结晶度与双折射率

从图1可见，HT与FRHT样品均未出现熔融双峰现象，表明加入阻燃剂对聚酯结晶完善程度没有影响，但表1中FRHT的熔点、结晶度和双折射率都低于HT，说明结晶时受到阻燃剂分子的影响，链段向结晶表面扩散运动的能力降低，从而降低了大分子的结晶能力，并且阻燃剂在聚酯结晶过程中被排出结晶区，导致非晶区取向降低。与未热处理的样品相比，当预加张力为0.10 cN/dtex，HT和FRHT样品在195℃热处理后的结晶度和双折射率都略有降低，这是由于此时热处理温度较高导致聚酯晶区结构被破坏，并且非晶区的链段发生了解取向，导致分子取向度降低。当预加张力增加到0.20 cN/dtex，在较大的张力作用下，解取向的链段发生重排，有助于提高非晶区链段的有序程度。当预加张力增加到0.40 cN/dtex，链段重排的趋势逐步增大，可以完全弥补链段的解取向，所以此时的结晶度与双折射率明显增大。与HT相比，FRHT的非晶区含量较高，且在阻燃剂的增塑作用下非晶区链段更易发生滑移重排，所以在较大张力作用下，FRHT的结晶度和取向程度提高更加明显。

2.2 预加张力对工业丝力学性能的影响

不同预加张力条件下热处理后HT和FRHT强度-伸长率曲线见图2。

从图2可见，未进行热处理时，FRHT与HT两者拉伸曲线中均未出现屈服现象，而当预加张力在0.05 cN/dtex～0.20 cN/dtex进行紧张热处理后，两者的拉伸曲线在伸长率约为3 %时都出现了明显的屈服，但是在预加张力达到0.40 cN/dtex后，屈服现象消失。表明在较小的张力作用下，高温热处理可以提高分子链段的运动能力，使得屈服应力减小，其中FRHT更易出现强迫高弹形变区，而在较大的预加张力作用下，解取向链段的重排作用导致屈服应力明显增大。

图2 不同张力热处理后聚酯工业丝的强度-伸长率曲线

不同张力热处理后样品的各项力学性能指标变化率见图3。

图3 不同张力热处理后聚酯工业丝力学性能变化

在低张力作用下，纤维大分子受热后非晶区链段运动导致的大分子解取向使样品的断裂强度、Lase-5、初始模量明显下降，断裂伸长率和Easl-4相应增加。当预加张力大于0.40 cN/dtex时，强度和模量高于未热处理纤维，其中FRHT的强度指标变化更为明显，说明FRHT样品低结晶度、非晶取向的特殊结构对外加张力更为敏感，此外阻燃剂的增塑作用也使得链段更易在外加张力下滑移和重排。

2.3 预加张力对工业丝干热收缩率的影响

干热收缩率是聚酯工业丝产品的重要品质指标，可以表征纤维后处理的尺寸稳定性［12］。图4为195℃热处理时不同张力下样品干热收缩率随时间的变化曲线。从图4可以看出，当预加张力为0.40 cN/dtex时，热场作用下无定形区结构解取向，瞬间产生的热应力与外加张力两者相互抵消，纤维尺寸基本无变化，而当外加张力继续增大后，过大的张力导致分子链段进一步被拉伸取向，干热收缩率出现负值。与HT相比，FRHT的负收缩更明显，说明在阻燃剂的增塑作用下，FRHT受外力更容易发生形变。但总体看来，在195℃高温热处理后，FRHT各项应用特性指标的变化趋势与HT相似，同样具有较高的抗张力特性和耐热稳定性。

图4 不同张力热处理时聚酯工业丝的干热收缩率

3 结论

（1）FRHT在195℃紧张热处理后，结晶取向、力学性能与尺寸稳定性的变化规律与HT相似，具有较高的抗张力特性和耐热稳定性。

（2）提高受热张力可以有效抑制高强聚酯工业丝非晶区链段的解取向，其结晶度、取向度、断裂强度、初始模量和Lase-5逐渐增大，当预加张力大于0.40 cN/dtex，FRHT的强度和模量高于未热处理样品。因此，在后加工时可以通过增加预加张力来防止高强阻燃聚酯工业丝的强力损失，改善其应用服役性能。