張玥 宋明根 姬洪 張玉梅 陳志鋼

（1.高性能纖維及制品教育部重點實驗室，上海，201620；2.東華大學(xué)，上海，201620；3.浙江尤夫高新纖維股份有限公司，浙江湖州，313017）

聚酯工業(yè)絲現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于汽車簾子線、傳送帶、橡膠管線、土工布、安全帶、繩索等各工業(yè)領(lǐng)域。其中高強阻燃聚酯工業(yè)絲無疑是工業(yè)用阻燃紡織品的重點關(guān)注對象［1-2］。由于阻燃劑的加入會使聚酯工業(yè)絲的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，因此，阻燃聚酯工業(yè)絲產(chǎn)品除了要滿足相應(yīng)的阻燃要求外，還要滿足應(yīng)用市場的特殊需求，如結(jié)晶、取向、強度、伸長和收縮性能等應(yīng)用特性。目前，阻燃聚酯工業(yè)絲研發(fā)的核心問題在于良好阻燃性與優(yōu)異力學(xué)性能的兼顧［3-4］。

通過拉伸和熱處理等紡絲后處理工藝可以提高 聚 酯 工 業(yè) 絲 的 力 學(xué) 性 能［5-6］。GB/T 16604—2017《滌綸工業(yè)長絲》定義高強型滌綸工業(yè)絲的干熱收縮率測試條件為預(yù)加張力0.05 cN/dtex，熱處理溫度177℃，熱處理時間10 min，要求熱處理后干熱收縮率不大于2.5%、斷裂強度不小于6.6 cN/dtex。歐桂清等人在100℃～220℃范圍內(nèi)對滌綸工業(yè)絲施加0.05 cN/dtex的張力，緊張熱處理10 min后，發(fā)現(xiàn)工業(yè)絲的干熱收縮率增大、斷裂強度減小、斷裂伸長率增大［7］。高強阻燃聚酯工業(yè)絲在使用中都是長期應(yīng)用或是在特定高溫下經(jīng)受長期應(yīng)力作用，不可避免對其性能產(chǎn)生不利影響［8］。然而目前高強阻燃聚酯工業(yè)絲的抗張力服役特性和耐熱穩(wěn)定性等應(yīng)用特性指標尚不明確，而這正是拓展產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域、取得市場認可的關(guān)鍵。

聚酯工業(yè)絲在實際使用過程中通常達不到斷裂失效的程度，因此使用服役條件下的初始模量、定伸長下的應(yīng)力或定載荷下的伸長率等指標的保持率能更好地反應(yīng)聚酯工業(yè)絲的應(yīng)用特性［9］。本課題根據(jù)高強阻燃聚酯工業(yè)絲在現(xiàn)有下游制品的用途和要求，擴大預(yù)加張力范圍，研究高強阻燃聚酯工業(yè)絲在高溫預(yù)加張力條件下的力學(xué)性能和結(jié)晶取向結(jié)構(gòu)變化，以期為高強阻燃聚酯工業(yè)絲的長期服役技術(shù)指標提供參考。

1 試驗

1.1 試驗原料

高強普通聚酯工業(yè)絲（以下簡稱HT，規(guī)格1 134 dtex/192 F）和高強阻燃聚酯工業(yè)絲（以下簡稱FRHT，規(guī)格1 125 dtex/192 F），浙江尤夫高新纖維股份有限公司生產(chǎn)。

1.2 熱處理試驗

由于在硫化浸膠工藝中浸膠溫度會達到180℃～190℃，因此設(shè)定熱處理溫度為195℃，并根據(jù)聚酯工業(yè)絲在加工和應(yīng)用中的典型受力范圍和處理時間，將纖維置于控溫烘箱中，在不同張力條件下緊張熱處理5 min。記錄熱處理前后試樣長度變化，計算干熱收縮率。

1.3 差示掃描量熱測試

采用Q20型差示掃描量熱儀（美國TA公司），測試樣品量為5 mg～10 mg，氮氣流速50 mL/min。樣品以10℃/min的升溫速率從室溫升至280℃。利用熔融焓計算樣品結(jié)晶度［10］。

1.4 雙折射率測試

采用配有BPX51型萊卡偏光顯微鏡和Berek補償器（UCTB，Olympus）的SSY-C型纖維雙折射儀（上海凱歷迪新材料科技股份有限公司）。根據(jù)Berek補償法，由補償器獲得補償角θ，計算得到纖維雙折射值［11］。

1.5 力學(xué)性能測試

在恒溫恒濕環(huán)境下（溫度20℃，相對濕度65%），采用3356型強力儀（美國Instron公司）對熱處理后的纖維進行測試，夾持距離250 mm，拉伸速率300 mm/min，每組樣品測試5次，取平均值，得到斷裂強度、斷裂伸長率、初始模量（斷裂伸長率1%時的模量）、5%伸長時的強度（Lase-5）、4.0 cN/dtex強度下的伸長率（Easl-4）。

2 結(jié)果與討論

2.1 張力對工業(yè)絲結(jié)晶取向的影響

圖1為不同張力熱處理后聚酯工業(yè)絲差示掃描量熱曲線，張力為0.05 cN/dtex、0.50 cN/dtex時，其曲線、數(shù)據(jù)分別與預(yù)加張力0.10 cN/dtex、0.40 cN/dtex的很接近，變化趨勢一致，為了使差示掃描量熱圖更清晰，圖1中未列出這兩組曲線。樣品的熔點、結(jié)晶度與雙折射值見表1。

圖1 不同張力熱處理后聚酯工業(yè)絲差示掃描量熱曲線

表1 不同張力熱處理后聚酯工業(yè)絲的熔點、結(jié)晶度與雙折射率

從圖1可見，HT與FRHT樣品均未出現(xiàn)熔融雙峰現(xiàn)象，表明加入阻燃劑對聚酯結(jié)晶完善程度沒有影響，但表1中FRHT的熔點、結(jié)晶度和雙折射率都低于HT，說明結(jié)晶時受到阻燃劑分子的影響，鏈段向結(jié)晶表面擴散運動的能力降低，從而降低了大分子的結(jié)晶能力，并且阻燃劑在聚酯結(jié)晶過程中被排出結(jié)晶區(qū)，導(dǎo)致非晶區(qū)取向降低。與未熱處理的樣品相比，當(dāng)預(yù)加張力為0.10 cN/dtex，HT和FRHT樣品在195℃熱處理后的結(jié)晶度和雙折射率都略有降低，這是由于此時熱處理溫度較高導(dǎo)致聚酯晶區(qū)結(jié)構(gòu)被破壞，并且非晶區(qū)的鏈段發(fā)生了解取向，導(dǎo)致分子取向度降低。當(dāng)預(yù)加張力增加到0.20 cN/dtex，在較大的張力作用下，解取向的鏈段發(fā)生重排，有助于提高非晶區(qū)鏈段的有序程度。當(dāng)預(yù)加張力增加到0.40 cN/dtex，鏈段重排的趨勢逐步增大，可以完全彌補鏈段的解取向，所以此時的結(jié)晶度與雙折射率明顯增大。與HT相比，F(xiàn)RHT的非晶區(qū)含量較高，且在阻燃劑的增塑作用下非晶區(qū)鏈段更易發(fā)生滑移重排，所以在較大張力作用下，F(xiàn)RHT的結(jié)晶度和取向程度提高更加明顯。

2.2 預(yù)加張力對工業(yè)絲力學(xué)性能的影響

不同預(yù)加張力條件下熱處理后HT和FRHT強度-伸長率曲線見圖2。

從圖2可見，未進行熱處理時，F(xiàn)RHT與HT兩者拉伸曲線中均未出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，而當(dāng)預(yù)加張力在0.05 cN/dtex～0.20 cN/dtex進行緊張熱處理后，兩者的拉伸曲線在伸長率約為3 %時都出現(xiàn)了明顯的屈服，但是在預(yù)加張力達到0.40 cN/dtex后，屈服現(xiàn)象消失。表明在較小的張力作用下，高溫?zé)崽幚砜梢蕴岣叻肿渔湺蔚倪\動能力，使得屈服應(yīng)力減小，其中FRHT更易出現(xiàn)強迫高彈形變區(qū)，而在較大的預(yù)加張力作用下，解取向鏈段的重排作用導(dǎo)致屈服應(yīng)力明顯增大。

圖2 不同張力熱處理后聚酯工業(yè)絲的強度-伸長率曲線

不同張力熱處理后樣品的各項力學(xué)性能指標變化率見圖3。

圖3 不同張力熱處理后聚酯工業(yè)絲力學(xué)性能變化

在低張力作用下，纖維大分子受熱后非晶區(qū)鏈段運動導(dǎo)致的大分子解取向使樣品的斷裂強度、Lase-5、初始模量明顯下降，斷裂伸長率和Easl-4相應(yīng)增加。當(dāng)預(yù)加張力大于0.40 cN/dtex時，強度和模量高于未熱處理纖維，其中FRHT的強度指標變化更為明顯，說明FRHT樣品低結(jié)晶度、非晶取向的特殊結(jié)構(gòu)對外加張力更為敏感，此外阻燃劑的增塑作用也使得鏈段更易在外加張力下滑移和重排。

2.3 預(yù)加張力對工業(yè)絲干熱收縮率的影響

干熱收縮率是聚酯工業(yè)絲產(chǎn)品的重要品質(zhì)指標，可以表征纖維后處理的尺寸穩(wěn)定性［12］。圖4為195℃熱處理時不同張力下樣品干熱收縮率隨時間的變化曲線。從圖4可以看出，當(dāng)預(yù)加張力為0.40 cN/dtex時，熱場作用下無定形區(qū)結(jié)構(gòu)解取向，瞬間產(chǎn)生的熱應(yīng)力與外加張力兩者相互抵消，纖維尺寸基本無變化，而當(dāng)外加張力繼續(xù)增大后，過大的張力導(dǎo)致分子鏈段進一步被拉伸取向，干熱收縮率出現(xiàn)負值。與HT相比，F(xiàn)RHT的負收縮更明顯，說明在阻燃劑的增塑作用下，F(xiàn)RHT受外力更容易發(fā)生形變。但總體看來，在195℃高溫?zé)崽幚砗?，F(xiàn)RHT各項應(yīng)用特性指標的變化趨勢與HT相似，同樣具有較高的抗張力特性和耐熱穩(wěn)定性。

圖4 不同張力熱處理時聚酯工業(yè)絲的干熱收縮率

3 結(jié)論

（1）FRHT在195℃緊張熱處理后，結(jié)晶取向、力學(xué)性能與尺寸穩(wěn)定性的變化規(guī)律與HT相似，具有較高的抗張力特性和耐熱穩(wěn)定性。

（2）提高受熱張力可以有效抑制高強聚酯工業(yè)絲非晶區(qū)鏈段的解取向，其結(jié)晶度、取向度、斷裂強度、初始模量和Lase-5逐漸增大，當(dāng)預(yù)加張力大于0.40 cN/dtex，F(xiàn)RHT的強度和模量高于未熱處理樣品。因此，在后加工時可以通過增加預(yù)加張力來防止高強阻燃聚酯工業(yè)絲的強力損失，改善其應(yīng)用服役性能。