氧化石墨烯改性聚酯纺丝加工技术探究

王小华　汪春波　王炳奎　冯卫芳

摘要：氧化石墨烯改性聚酯纤维具有多种对人体健康有益的功能。从结晶干燥、纺丝熔体制备、上油、拉伸变形、产品拉伸力学性能与结构5个方面，对氧化石墨烯改性聚酯纺丝加工技术深入探究。结果表明：结晶干燥按常规聚酯切片工艺执行;纺丝熔体制备不受气体氛围的影响，温度区间宽，但在螺杆中的停留时间对黏度降有很大影响;纺丝上油量明显高于常规品种;拉伸变形时，出现底部退绕不尽、过尾断头的问题;POY、DTY拉伸力学性能偏低，其中，POY的强度及断裂伸长明显低于常规产品，不利于后道加工的稳定。研究结果可为氧化石墨烯改性聚酯的产业化增速提供参考。

关键词：氧化石墨烯;改性聚酯;纺丝工艺;结晶干燥;纺丝熔体;上油;拉伸变形

中图分类号：TS154文献标志码：A文章编号：1009265X（2022）03006005

Exploration on spinning technology of graphene oxide modified polyester

WANG Xiaohua， WANG Chunbo， WANG Bingkui， Feng Weifang

Abstract： Graphene oxide modified polyester fiber has a variety of functions beneficial to human health. This paper conducts indepth study of the spinning technology of graphene oxide modified polyester from five aspects of crystallization and drying， spinning melt preparation， oiling， drawtexturing and tensile mechanical properties of products. The results show that： the crystallization and drying are implemented in accordance with the conventional polyester chip process. The preparation of the spinning melt is free from the influence of gas atmosphere. The temperature range is wide， but the residence time in the screw has a great influence on the viscosity drop. The amount of spinning oil is significantly higher than that of the conventional varieties. During the tensile deformation， there exist some problems， such as endless bottom unwinding and end breakage. The tensile mechanical properties of POY and DTY are relatively low， while the strength and breaking elongation of POY are obviously lower than those of conventional products， which are not conducive to stable postprocessing. The research results are expected to provide a reference for the industrial growth of graphene oxide modified polyester.

Key words： graphene oxide; modified polyester; spinning process; crystallization and drying; spinning melt; oiling; drawtexturing

單层氧化石墨烯可以通过共聚或共混的改性方法对聚酯进行改性[14]，然后应用于长丝、短纤、无纺布等领域，赋予纺织品远红外发射、抗菌、抗紫外、负离子发生等性能[512]，可一材多效，使纺织品实现多功能健康升级，造福于民，在聚酯领域的应用具有广阔前景。

氧化石墨烯原位聚合改性聚酯具有氧化石墨烯分散均匀，添加比例低，功能明显的特点。然而，氧化石墨烯改性聚酯的加工性能较常规聚酯发生了变化，本文对氧化石墨烯改性聚酯的纺丝加工技术进行探究，为氧化石墨烯改性聚酯产业化进度增速提供参考。

1原料

聚酯材料分子链中的酯键在高温、含水的条件下会发生水解，导致聚酯纺丝加工稳定性变差，氧化石墨烯改性聚酯材料面临同样问题。因此，氧化石墨烯改性聚酯纺丝加工前也需要进行结晶干燥;结晶干燥是原料用于加工之前的重要准备工作。改性聚酯切片在沸腾式结晶床上进行结晶，结晶温度在175～179 ℃，然后进入干燥塔进行干燥，干燥温度160～170 ℃，干燥时间8～14 h，含水率可以控制在40 mg/kg以内。氧化石墨烯改性聚酯切片的干燥条件与常规聚酯干燥条件相同。

在165 ℃下干燥14 h，在不同的时间段取样，研究切片水份及黏度的变化情况，如图1、图2所示，可见切片黏度在干燥过程中黏度变化幅度很小，在合理范围内;切片含水率在干燥前期下降迅速，在后期下降的幅度很小。因此，切片的干燥时间应该控制在10 h左右，既能达到干燥效果，也能节约能源。

2实验

2.1纺丝实验设计

主要考察熔融温度、气体氛围、螺杆停留时间对纺丝熔体黏度稳定性的影响，改性材料对组件背压的影响以及上油率对可纺性的影响，以提高改性材料可纺性。

2.2拉伸变形实验设计

主要考察纺丝卷绕工艺空管超喂率、加弹结尾方式对加弹过尾稳定性的影响，加弹加工速度对加弹稳定性的影响，以提高拉伸变形工艺稳定性。

2.3质量指标及测试设备

自动乌式黏度测试仪测定黏度，全自动单纱强力机测定断裂伸长率、断裂强度，纤维油脂快速抽出器测定上油率，小角X射线衍射仪测定结晶度、取向度。

3结果与分析

3.1纺丝

3.1.1熔体制备

均一、稳定的纺丝熔体是可纺性及纤维质量的根本。采用原位聚合的方式制备氧化石墨烯改性聚酯切片，使氧化石墨烯在纺丝原液中分散均一。从生产技术的角度，熔体黏度降及组件压力的变化是纺丝熔体质量的关键点。

纺丝温度保证纺丝熔体在箱体中的流动性，提高纺丝熔体的均匀性，使纺丝原液获得合适的流變性。但是，纺丝温度应该设置在合理的区间，以免造成熔体过大的黏度降，使熔体不稳定。如图3所示，在无剪切状态下，在283～292 ℃的温度范围内，聚酯黏度降在合理的区间，说明氧化石墨烯改性聚酯材料加工温度区间宽。

螺杆用于熔融、混合、输送、计量纺丝熔体，对熔体的剪切作用较强，这种剪切作用在分子链相对运动受阻的情况下，会造成分子链断裂，聚酯特性黏度降增大。如图4所示，在氮气保护氛围中，在螺杆中的停留时间越长，氧化石墨烯改性聚酯材料的黏度降越大。对比图3发现，螺杆剪切对改性聚酯黏度降的影响非常大，已经超出正常的黏度降幅度。

对比图4和图5发现，在空气和氮气氛围下，氧化石墨烯改性聚酯材料的黏度降变化规律基本相同，并没有因为氧气的存在而导致更加严重的黏度降趋势。

单层氧化石墨烯的片径在1 μm左右，相对于二氧化钛、炭黑等无机粒子，片径偏高，但是单层氧化石墨烯具有柔性的特点，在组件滤网处没有引起严重的聚集现象，如图6所示，组件压力随时间的变化趋势较为平稳。

3.1.2上油

油剂可以提高纤维的平滑性，保持纤维与纤维间、纤维与其他接触部件的适宜摩擦系数;提高集束性，减少纤维生产、加工中产生的静电并使之迅速消失。含有碳材料的涤纶需要提高上油率，因为碳材料具有更强的油剂吸附能力，如黑丝的上油率达到0.55%以上，才能保证纺丝、卷绕过程平稳，卷装外观达到质检要求。

氧化石墨烯改性聚酯纤维同样如此，由于氧化石墨烯对油剂具有很强的吸附能力，按照常规的上油工艺无法满足需要，出现大量的网丝、毛丝，产品降等甚至报废，带来极大的经济损失，如图7所示，上油率达到0.75%以上，3次落筒中毛丝、网丝丝卷数量才能基本达到要求。但是，上油率过高为后道工序会带来不稳定因素。

3.2拉伸变形

拉伸变形工艺过程赋予聚酯纤维更加稳定的结构，也有一定的弹性、蓬松性，使聚酯纤维能够满足更多应用领域的要求。氧化石墨烯改性聚酯纺制POY后，必须进行高质量的拉伸变形加工，才能使产品满足高端纺织品的使用要求，代表性的拉伸变形工艺如表1所示。

3.2.1底部退绕不尽

氧化石墨烯改性聚酯纺制的POY在拉伸变形工艺过程中，在卷装厚度0.5～1.0 cm处，出现较大比例的断头质量问题，这使生产稳定性大打折扣，机台效率降低，工人工作量加大，产品档次降等，严重影响经济效益。

在分析过程中发现，空管超喂对于底部退绕不尽的问题有重要影响。在纸管加速和减速的过程中，纸管转速和摩擦辊转速之间由于系统反馈的原因存在一定的速度差，摩擦辊对纤维造成损伤。在快速退绕时，纤维损伤处跟不上对外力的响应而断裂。如图8所示，空管超喂越多，在36颗试样丝中，出现底部退绕不尽问题的锭数越多。

3.2.2过尾断头

氧化石墨烯改性聚酯纺制的POY在拉伸变形工艺过程中，在过尾时出现比较严重的断头问题。如图9所示，采用手动和压枪两种不同的接头方式，48个锭位出现的过尾断头数都很高。

为了提高过尾稳定性，必须降低过尾时丝程上的张力，使接头处的摩擦力能够承受外力的作用。如图10所示，48个锭位出现的过尾断头数随加工速度的增加而增加。

3.3拉伸力学性能与结构分析

氧化石墨烯改性聚酯材料纺制的POY存在强度低、伸长短的问题，不同产品的拉伸力学性能如表2所示。POY的伸长低于120%，强度低于1.5 cN/dtex，从而造成DTY加工不稳定，也容易受到损伤，使最终产品质量不好。DTY伸长在20%左右，强度低于2.9 cN/dtex，强度偏低，在针织的高速织造工况下，对稳定性有影响。

不同产品的结晶度与取向度如表3所示，可见氧化石墨烯改性聚酯材料纺制的POY、DTY与普通黑丝、白丝相比，结晶度和取向度并没有存在较大的偏差。但是在拉伸过程中，氧化石墨烯对于分子链的滑移起到阻碍作用，从而不利于产品的拉伸力学性能。

4结语

氧化石墨烯改性聚酯纺制的纤维具有多种对人体健康有益的功能。然而，该种材料的纺丝加工技术有待深入探究，以顺利实现其产业化。结晶干燥按常规聚酯切片工艺执行;纺丝熔体制备不受气体氛围的影响，温度区间宽，但在螺杆中的停留时间对黏度降有很大影响;纺丝上油量明显高于常规品种;拉伸变形时，出现底部退绕不尽、过尾断头、烟气量大的问题;POY、DTY拉伸力学性能偏低，其中，POY的强度及断裂伸长明显低于常规产品，不利于后道加工的稳定。

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收稿日期：20210301网络出版日期：20210826

作者简介：王小华（1983-），男，湖北广水人，硕士研究生，主要从事新材料及纺丝加工技术方面的研究。

通信作者：冯卫芳，Email：wxh@zhink.cc