热处理对低熔点复合纤维干热收缩率和黏结性能的影响

刘传生,史利梅,陈海燕

(中国石化仪征化纤有限责任公司研究院,江苏 仪征 211900)

低熔点复合纤维的低熔点组分因第三单体间苯二甲酸的引入使其链段的规整性遭到破坏,结晶区不完善,热处理时非晶区大分子链段在高温下发生热运动,伸直的大分子链段因部分取向解除使纤维产生收缩。低熔点复合纤维在后道加工过程中,满足黏结性能的同时还需保持稳定的收缩率。严岩等[4]研究了纺丝工艺对纤维干热收缩率的影响,降低纺丝速度、升高拉伸温度、降低拉伸倍数均有利于降低纤维干热收缩率。目前,对不同热处理工艺下低熔点复合纤维干热收缩率的变化规律研究较少。

在热黏合领域中,低熔点复合纤维作为黏合剂,黏结性能是评价其应用效果的关键指标[5-6]。热处理温度是影响低熔点复合纤维软化、熔融、黏合的重要参数。热处理温度过低,低熔点复合纤维熔融不充分,冷却后黏结性能低;热处理温度过高,则会导致低熔点复合纤维的皮芯结构受损,机械性能下降,从而降低制品的综合性能。另外,低熔点复合纤维与常规纤维的混合比例对黏结性能的影响也至关重要。低熔点复合纤维含量过少,制品易出现黏结牢度低、分层、起毛等问题;低熔点复合纤维含量过多,热处理过程中易黏辊,制品强度低,手感差[7-9]。因此,研究热处理对低熔点复合纤维黏结性能的影响,对其在后道加工中的应用具有重要的指导意义。

作者通过对低熔点复合纤维在一定温度和时间下进行热处理,研究复合纤维的单纤维和多纤维干热收缩率的变化规律,并通过测试热处理后混合纤维压缩高度的变化研究不同热处理温度和低熔点复合纤维含量对黏结性能的影响,为低熔点复合纤维在热黏合领域的应用提供工艺参考。

1 实验

1.1 主要原料

低熔点复合纤维与常规涤纶均由中国石化仪征化纤有限责任公司生产。低熔点复合纤维的皮层组分为低熔点聚对苯二甲酸乙二醇酯(LPET),起始熔融温度约105 ℃,芯层组分为常规聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。低熔点复合纤维和常规涤纶的基本性能见表1。

表1 2种纤维的性能指标Tab.1 Performance index of two kinds of fibers

1.2 主要设备与仪器

QL062型复合短纤维开松机:青岛莱恩机械有限公司制;DHG-9035A型鼓风干燥箱:上海一恒科学仪器有限公司制;XPL-2型光学显微镜:南京江南永新光学有限公司制;XH-1型纤维干热收缩测试仪:上海新纤仪器有限公司制。

1.3 低熔点复合纤维的热处理

单纤维热处理:在纤维束中取单根低熔点复合纤维,将其在自然弯曲状态下分别于100,120,140,160,180 ℃下热处理40 min。

多纤维热处理:将低熔点复合纤维开松处理后,取2.5 g纤维多次少量地铺入烧杯中形成规则的圆柱形,再对多纤维圆柱体进行热处理,热处理温度分别为100,120,140,160,180 ℃,热处理时间均为40 min。

混合纤维热处理:按一定比例称取常规涤纶和低熔点复合纤维并初步手动均匀混合(混合纤维中低熔点复合纤维质量分数分别为10%、15%、20%、25%、50%、100%),再在开松机中进行开松,每个试样开松2次;取2.5 g开松后的混合纤维,将混合纤维多次少量地铺入烧杯中形成规则的圆柱形,对混合纤维圆柱体进行热处理,热处理温度分别为100,120,140,160,180 ℃,热处理时间均为40 min。

1.4 分析与测试

单纤维干热收缩率(S单):取10根低熔点复合纤维,测量纤维在拉直状态下的平均长度(L0),再测量热处理后纤维在拉直状态下的平均长度(L),按式(1)计算S单。

对钢铁行业的用钢标准和建筑工程设计规范应进行修订和完善，将400 MPa级、500 MPa级和600 MPa级钢筋纳入相关的结构设计和施工验收规范中，使相关条文具有强制性。同时，要加强与交通、铁路、水利等行业的协调，使各行业的设计规范有效衔接，纳入高强钢筋生产和应用的新工艺、新技术，进行配套修订，从而推进高强钢筋在工程建设中的应用。

(1)

多纤维干热收缩率(S多):测量多纤维圆柱体的高度和直径,得出初始体积(V0),再测量热处理后多纤维圆柱体的高度和直径,得出热处理后的体积(V),按式(2)计算S多。

(2)

黏结性能:测量热处理后混合纤维圆柱体的高度(H0),再在混合纤维圆柱体上加500 g的砝码,测量压缩后的柱体高度(H),H0与H的差(∆H)可表征热处理后纤维的黏结性能,∆H越大,表明黏结性能越低。

2 结果与讨论

2.1 热处理温度对低熔点复合纤维干热收缩率的影响

从图1可以看出:低熔点复合纤维的S单随热处理温度的升高先快速增加,而后逐渐放缓;热处理温度100 ℃时,S单最小,为2.8%,这是因为在偏低的热处理温度下低熔点复合纤维未充分受热,大分子链段的解取向作用不明显,收缩效果较差,S单较小;热处理温度从100 ℃逐渐升至160 ℃,S单由2.8%快速增加到14.5%,这是因为升高温度使非晶区的大分子链段热运动加剧,解取向作用增强,大分子链段呈现卷曲状态,S单提高;进一步将热处理温度从160 ℃升至180 ℃,S单增长幅度变缓,这是因为芯层常规PET组分中的大分子链段热运动逐渐加剧,结晶度逐渐增加,从而减弱了纤维形变的程度,使复合纤维的S单增加变缓。

图1 低熔点复合纤维干热收缩率随热处理温度的变化Fig.1 Change of dry heat shrinkage of low-melting point composite fiber with heat treatment temperature

从图1还可以看出:低熔点复合纤维的S多随热处理温度的变化趋势与单纤维基本相同;多纤维发生干热收缩除了上述单纤维的原因外,还与纤维间的相互黏结作用有关,热处理温度100 ℃时,皮层未熔融,纤维相互黏结的能力较弱,宏观上表现为多纤维的形态变化不明显,S多只有1.4%;热处理温度160 ℃时,S多迅速上升到34.1%,这是因为高温加速了皮层的熔融,纤维间形成的黏结点增加,并形成网络状结构,单纤维通过黏结点带动整个网络收缩,温度越高,收缩作用越明显,S多越大;热处理温度160～180 ℃时,低熔点组分充分熔融,纤维间的黏结点数量逐步趋于稳定,多纤维形成的网络结构收缩能力提升有限,导致S多增大放缓。因此,低熔点复合纤维较适宜的热处理温度在160 ℃左右。

2.2 热处理对低熔点复合纤维黏结性能的影响

2.2.1 热处理温度对黏结性能的影响

从图2可以看出:整体上,随着热处理温度的升高,混合纤维的∆H变小,表明混合纤维的黏结性能提高;热处理温度100 ℃时,不同比例混合纤维的∆H均较大,即黏结性能均较低;热处理温度升高到120 ℃时,低熔点复合纤维质量分数为10%、15%、20%、25%、50%、100%的混合纤维的∆H分别降低了0,0,1,1,1,5 mm,∆H均变化不大,这是因为较低温度下低熔点复合纤维熔融程度较低,纤维间只有微量的的黏结点,黏结性能提升有限;热处理温度由120 ℃升至160 ℃时,低熔点复合纤维质量分数为10%、15%、20%、25%、50%、100%的混合纤维的∆H分别降低5,5,8,8,17,32 mm,∆H下降幅度都明显增大,说明热处理温度的提高促进了纤维间黏结点的产生,混合纤维的网络状结构逐渐稳固,抗形变能力增强,在外力下形变程度降低,黏结性能明显提高;热处理温度由160 ℃升至180 ℃时,不同低熔点复合纤维含量的混合纤维的∆H变化均趋于平缓,这是因为低熔点复合纤维在高温下充分熔融,黏结点数量增加较少,黏结性能的提高也随之趋缓。

图2 不同低熔点复合纤维含量的混合纤维的∆H随热处理温度的变化Fig.2 Change of ∆H of mixed fiber containing different amounts of low-melting point composite fiber with heat treatment temperature■—质量分数10%;▲—质量分数15%;●—质量分数20%;▼—质量分数25%;◀—质量分数50%;▶—质量分数100%

另外,过高的温度会使纤维皮芯结构遭到破坏、芯层常规组分及常规纤维的机械性能下降,最终导致混合纤维的综合性能降低。因此,为使混合纤维具有良好的黏结性能,并保持低熔点复合纤维结构的完整性,较佳热处理温度为160 ℃。

2.2.2 低熔点复合纤维含量对黏结性能的影响

从图2还可以看出:在相同热处理温度下,混合纤维中低熔点复合纤维含量越多,混合纤维的∆H越小,黏结性能越高;热处理温度160 ℃时,低熔点复合纤维质量分数为10%、15%、20%、25%、50%、100%的混合纤维的∆H分别为43,42,38,36,28,2 mm,这是因为低熔点复合纤维含量越高,经热处理后纤维间形成的黏结点也就越多,混合纤维形成的网络状结构也更稳固,黏结性能相应提高;在热处理温度100～180 ℃的条件下,低熔点复合纤维质量分数为10%时的混合纤维的∆H只降低了5 mm,这是因为低熔点复合纤维含量过少,纤维间黏结点增加有限,对黏结性能的提高作用不大;热处理温度100～180 ℃,低熔点复合纤维质量分数为15%的混合纤维的∆H降低了11 mm,黏结性能提升明显,当低熔点复合纤维质量分数提高至20%、25%时,混合纤维的∆H降低幅度均为14 mm左右,说明黏结性能的提高达到相对平衡,混合纤维的网络状结构达到稳定状态,进一步提高低熔点复合纤维质量分数至50%、100%时,混合纤维的∆H分别降低了24,38 mm,黏结性能大幅提高,但低熔点复合纤维含量的升高会使混合纤维的强度下降,且过多的黏结点导致纤维间并丝、板结现象严重,使混合纤维的手感发硬,应用受到限制。因此,在满足混合纤维黏结性能及使用性能的条件下,混合纤维中低熔点复合纤维质量分数为20%较为合适。

从图3可以看出:室温下混合纤维中低熔点复合纤维呈松散状态,随着热处理温度的提高,纤维间因受热收缩产生位移并逐渐致密;热处理温度100 ℃时纤维间相互收紧但无黏结点出现,120 ℃时出现较小的黏结点,140 ℃时黏结点形状清晰,面积扩大,但在纤维交叉处分布不均匀,160 ℃时黏结点在纤维交叉处结构规整,且纤维自身形貌基本没变,180 ℃时低熔点复合纤维出现较大面积的破损,低熔点组分过度熔融,皮层结构遭到破坏。这进一步说明低熔点复合纤维质量分数20%、热处理温度160 ℃时,混合纤维具有完整的结构和较好的黏结性能。

图3 不同热处理温度下混合纤维中低熔点复合纤维的形态Fig.3 Morphology of low-melting point composite fiber in mixed fiber at different heat treatment temperatures 混合纤维中低熔点复合纤维质量分数为20%。

3 结论

a.低熔点复合纤维的单纤维及多纤维的干热收缩率均随热处理温度的升高而增大,在160 ℃时可获得较稳定的干热收缩率,S单为14.5%,S多为34.1%。

b.提高热处理温度可以增加混合纤维间的黏结点,从而提高其黏结性能。热处理温度160 ℃时,纤维结构保持完整,黏结性能较好。

c.混合纤维中低熔点纤维含量越高,黏结性能越好。低熔点复合纤维质量分数为20%时,可以同时满足混合纤维的黏结性能及使用性能,整体性能最好。