拉伸度对纺粘纤维结构的影响
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本文作者：刘庆生 张红霞 邢剑 常过 鲍稳 张越 邓炳耀 单位：江南大学生态纺织教育部重点实验室 无锡出入境检验检疫局
纺粘法是非织造材料制备的主要方法之一，主要包括长丝挤出、牵伸、铺网和黏合四个过程，是一个连续的一体化的加工过程。前两个过程主要是制得聚合物长丝，类似于熔融纺丝过程，其与熔融纺丝的主要差别是牵伸方式不同，纺粘法主要采用高速气流牵伸，而熔融纺丝主要使用机械牵伸。国内外研究者在机械牵伸对纤维结构的影响方面进行了大量的研究，而有关高速气流对长丝结构影响的报道不多，且几乎集中在气流对聚丙烯(PP)纺粘纤维结构的影响方面［1-2］。关于纺粘法加工过程中牵伸气流对另外一种常用的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)纺粘纤维结构影响的报道很少，仅见到了东华大学［3］研究牵伸器狭缝隔距对PET纺粘纤维长丝结构影响的相关报道，而有关牵伸气流速度对PET纺粘纤维结构的影响的研究未见报道。本文以PET为原料，通过改变纺粘牵伸气流的速度制得不同结构的PET纤维，探究牵伸气流速度对PET外观形貌、直径、纤维结晶度和取向度的影响，以期为PET的纺粘非织造加工的理论研究和实际生产提供参考。
1试验部分
1．1材料和仪器设备PET，黏均相对分子质量约为2．0×104，工业级;HDF-6C型实验用纺粘非织造布机，螺杆直径25mm，螺杆长径比30∶1，烟台华大科技有限公司;DZG-6050D型真空干燥箱，上海森信实验仪器有限公司;SU1510型扫描电子显微镜(SEM)，日本日立公司;DSC-Q200型差示扫描量热仪(DSC)，沃特世科技(上海)有限公司;D/Max-2550型X射线衍射仪(XRD)，日本Rigaku公司。
1．2PET纺粘纤维的制备将经过干燥和预结晶的PET母粒在实验用纺粘非织造布机上进行加工，加工温度270℃，计量泵频率20Hz，调整牵伸风的速度，制得不同结构的PET纺粘长丝。该小型非织造设备中牵伸风的速度通过风机的频率来调控，频率越高，牵伸风的速度越大。风机的频率分别为0(即未加牵伸风)、10、20、30、40、50和60Hz，对应的PET纺粘纤维分别记为PET-0、PET-1、PET-2、PET-3、PET-4、PET-5和PET-6，PET母粒记为PET-c。
1．3外观形貌测试首先对样品进行喷金处理，然后用SEM观察PET纺粘纤维的外观形貌，电压为5kV。1．4结晶度测试用DSC对PET母粒和PET纺粘纤维的结晶度进行表征。DSC仪器已经过In和Pb校准，称取4．0～6．0mg样品于DSC铝坩埚中，放入坩埚座内进行实验。保护气体为氮气，流速50mL/min，测试温度范围0～320℃，升温速率20℃/min。1．5取向度测试用XRD对PET初生丝和牵伸丝的取向度进行表征。电压40kV，电流300mA，光源为CuKα，波长1．54056×10－8cm。
2结果与分析
2．1外观形貌图1为PET纺粘初生丝和牵伸丝的SEM照片。图1表明，PET初生丝和牵伸丝的粗细均匀、表面光滑，牵伸气流的速率对PET纤维的表面形态没影响。另外，由图1可计算出PET纤维的直径，PET-0、PET-1、PET-2、PET-3、PET-4、PET-5和PET-6的平均直径分别为100．4、87．2、48．3、37．8、33．5、26．9和25．6μm。这说明随着牵伸气流速度的增加，PET纤维逐渐变细，纤维直径的减小程度先大后小;当牵伸风机的频率达到50Hz后，进一步增加牵伸风机的频率，纤维的直径仅发生微小的变化。
2．2热学性能图2为PET母粒、纺粘初生丝和牵伸丝的DSC加热曲线。在图2的PET母粒的DSC曲线中未观察到PET的玻璃化转变温度(Tg)和冷结晶峰，而在PET初生丝和牵伸丝的DSC曲线中能观察到明显的Tg和冷结晶峰;无论是PET母粒还是其初生丝和牵伸丝的DSC曲线中，均出现了明显的熔融峰。由图2所示的DSC曲线可得出各样品根据公式(1)计算所得PET母粒、初生丝和牵伸丝的结晶度列于表1。PET母粒的结晶度最高，而PET初生丝和牵伸丝的结晶度均较低(＜15%)，且各样品的结晶度差别不大。因为PET母粒已在高于Tg至低于Tm的温度下进行了预结晶处理，已充分结晶，故结晶度较高，且在DSC加热过程中其冷结晶行为不明显，观察不到明显的冷结晶峰;而PET熔体经喷丝孔挤出后立即受到常温空气的冷却，温度很快到达Tg以下，来不及结晶，故PET初生丝和牵伸丝的结晶度较低，且在DSC加热过程中，当温度在高于Tg与低于Tm范围内时会继续结晶，能够观察到明显的冷结晶峰。PET母粒的高结晶度限制了PET片晶间无定形区分子链段的运动，以致无法观察到明显的Tg转变点;而PET纺粘初生丝和牵伸丝中无定形区的含量高，故能观察到明显的Tg转变过程。
2．3取向度以PET-0、PET-2、PET-4和PET-6为代表，研究了牵伸风速度对PET纺粘纤维取向的影响。图3(a)和图3(b)分别为PET初生丝和牵伸丝的纤维轴平行于子午线和垂直于子午线的XRD谱图。图3表明，PET初生丝和牵伸丝的纤维轴平行于子午线和垂直于子午线的XRD谱图不同，这说明PET初生丝和牵伸丝中存在取向。一般用最强的衍射峰来测定取向度，目的是选定某一衍射面，测试其衍射弧的宽度。衍射弧越窄，取向度越高;反之，衍射弧越宽，取向度越低［6］。本试验选取2θ=20°的衍射面来测定PET纺粘纤维的取向度。图4为探测器固定在2θ=20°的衍射峰的位置上试样旋转360°所得PET初生丝和牵伸丝的XRD谱图。计算得出PET-0、PET-2、PET-4和PET-6纤维的晶区取向度分别为54．3%、65．7%、80．0%和77．6%，这说明随着牵伸风速度的提高，PET纤维的取向度逐渐增加，但当牵伸风机频率达40Hz后，牵伸风速度的进一步增加对纺粘PET纤维的晶区取向度几乎没影响。
3结论
(1)牵伸风的速度对纤维的表观形貌没有影响;随着牵伸风速度的增加，PET纺粘纤维的直径逐渐减小，而当牵伸风速度达到一定值后，其对纤维的直径影响较小。(2)PET纺粘纤维的结晶度均较低，低于15．0%，牵伸风速度对其影响不大。(3)随着牵伸风速度的增加，PET纤维的晶区取向度逐渐增加，而当牵伸风速度达到一定值后，其对晶区取向度的影响较小。