微孔发泡PET纤维的制备及性能初探
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摘要：
本文对PET纤维及微孔发泡材料进行了简要的介绍，在超临界CO2的条件下制备出了微孔发泡pet纤维，并对发泡前后PET纤维的性能进行了初步研究。研究表明，微孔发泡PET纤维与未发泡的PET纤维相比，直径和回潮率有明显的增加，断裂强度下降，但是断裂伸长率增加。
关键词：PET纤维；微孔发泡；超临界CO2
1PET纤维及微孔发泡技术概述
1.1PET纤维概述
PET是聚对苯二甲酸乙二酯的简称，分子结构如图1。从链节的组成和结构可以看出，它包括刚性的苯环和柔性的脂肪烃基，而直接与苯环相连的酯基与苯环又构成具有刚性的共轭体系，从而制约了与其相连的柔性链段的自由旋转。由于刚性苯环结构，所以聚酯表现出较大的刚性[1]。
PET纤维是聚酯纤维的一种，产量占了聚酯纤维产量90%以上，具有优良的物理、化学和机械性能[2]。由于它可纺性好，纤维织物有良好的服用性，耐皱、挺括性好，而且价格便宜，受到人们的欢迎。工业化生产以来，PET纤维逐渐成为用量最大、发展最快的主导品种。但PET纤维以常规产品为主，差别化率低，科技含量不高，产品档次低，一些高科技、高附加值产品主要依赖进口。因此，研究开发高感性纤维、功能性纤维和高性能纤维是今后的发展方向。
1.2微孔发泡材料的特性及应用前景
1981年美国麻省理工学院（简称MIT）的Martini等首次成功研制微孔泡沫塑料（Microcellular Plastics），这种微孔泡沫塑料的泡孔直径为0.1μm～10μm，泡孔密度达109个/cm3～1015个/cm3，材料密度比发泡前减少5%～98%。由于微孔发泡塑料的泡径极小且分布均匀，能够使高聚物中的微隙圆孔化，泡孔实际起到了一种类似橡胶增韧塑料的作用，即泡体起到应力集中体作用，诱发多重银纹的产生，银纹引发剪切带，剪切带终止于银纹，阻止其扩散成裂纹。这两种损伤机制的相互作用能大幅度增韧增强塑料。
微孔发泡塑料的许多力学性能确实明显优于普通发泡材料和不发泡的材料，如微孔发泡塑料的冲击强度比发泡前提高6～7倍，强度与重量比可提高5～7倍[3]。Seeler[4]报道了材料相对密度为发泡前的97%的聚碳酸酯(PC)微孔塑料的疲劳寿命比不发泡的PC提高4倍以上。Collias等报道了一种泡孔直径为40μm的PC微孔塑料，其缺口冲击强度甚至可比不发泡PC材料提高17倍以上。此外，微孔发泡塑料与普通发泡塑料相比还具有更高的热稳定性，更低的介电常数和热传导率，良好的绝缘性能。
因此，微孔发泡塑料适合做包装材料、航空和汽车工业零部件、隔音材料、绝缘和绝热材料、运动器材中质轻而具有高吸收能量地方的材料；开孔结构的微孔塑料则适合用作分离、吸附材料、催化剂载体、药物缓释材料等。在以上用途中，由于微孔结构的存在，使微孔塑料制品既防水又透气[5]。
2 微孔发泡PET纤维的制备
2.1试验材料及仪器
试验材料：自制PET纤维（线密度为10.5 tex），杭州电化集团气体有限公司生产的高纯CO2（纯度为99.9%），浙江杭州双林化工试剂厂生产的无水乙醇（分析纯），无锡市展望化工试剂有限公司生产的丙酮（分析纯）。
试验仪器：HA420-40-96-EX超临界CO2仪（南通市华安超临界萃取有限公司生产），JSM－5610LV扫描电镜（日本电子―JEOL公司生产），CL-100双层铁皮电炉，电热鼓风干燥箱，DZF-6020真空干燥箱，温度计（量程为0~300℃）。
2.2试验方法
(1) 将PET纤维装入超临界CO2仪中。超临界CO2仪为高温高压仪器，操作前要进行气密性检查。
(2) 将经过超临界CO2处理的PET纤维放入热甘油中。具体步骤如下：①将甘油加热到160℃；②从超临界CO2仪中取出PET纤维；③将PET纤维放入热甘油中，发泡一定时间后取出可得发泡PET纤维。
(3) 除去PET纤维表面的杂质。具体步骤如下：①将发泡PET纤维放入无水乙醇中清洗1h，并用玻璃棒搅拌；②将发泡PET纤维放入丙酮中清洗1h，并用玻璃棒搅拌；③将发泡PET纤维装在玻璃皿中放入烘箱1h，烘箱温度为180 ℃；④将发泡PET纤维放入真空干燥箱1h。
2.3工艺条件对PET纤维泡孔结构的影响
发泡材料的成型过程一般都要经过三个主要阶段，即气泡核的形成、气泡的膨胀以及气泡的固化成型等。
气泡核的形成是指在高聚物中，气体最初以气相聚集，形成大量原始微泡的过程。在本试验中，主要是利用高聚物分子中的自由体积作为成核点，在超临界的条件下CO2进入PET纤维的自由体积中，再通过降压和升温处理，使压入自由体积中的CO2膨胀，从而形成大量气泡并固定成型。因此，饱和压力、饱和时间、发泡温度和发泡时间对气泡的形成和发展都具有重要的影响。
如果形成气体―聚合物均相体系，就必须使气体在压力作用下全部溶解于聚合物中，气体在聚合物中的溶解度一般都是随着饱和压力的升高而增加；气体在聚合物中的扩散系数极小，形成气体―聚合物均相体系扩散入聚合物中达到饱和需要很长时间，随着饱和时间的增加，气体分子越来越多地进入高分子的自由体积中，使得微孔数增加；由于温度越高，气体扩散速度越快，泡体膨胀的速度也越快，由此可见，随着发泡温度的逐渐增加，其PET纤维的微孔数也随之增加。
综上所述，本试验选择以下工艺条件：饱和温度为35℃，饱和压力为8MPa，饱和时间10h，发泡温度为100℃，发泡时间为1min。
3微孔发泡PET纤维的性能及特征
3.1直径
在饱和温度为35℃、饱和压力为8MPa、饱和时间10h、发泡温度为100 ℃、发泡时间为1min的条件下，用扫描电镜测量微孔发泡PET纤维与未发泡PET纤维的直径，得到数据如表1。
d=(22.6－16.5)/16.5×100%=37.0%
实验表明：微孔发泡PET纤维的直径比未发泡的PET纤维的直径增加了37.0%，有明显的增加。说明微孔发泡PET纤维中确实有微孔的存在，从而使原纤维的直径变大了。
3.2回潮率
将得到的微孔发泡PET纤维与原纤维用烘箱在105 ℃下干燥至恒重，然后放入恒温恒湿实验室中平衡48h，称取湿重G，然后在105℃下干燥至恒重，称得干重G0，并计算回潮率M(%)。
回潮率计算公式：M=100×（G－G0）/G0
测试发泡前的PET纤维回潮率为0.39%，接近涤纶的公定回潮率；而发泡后的PET纤维的回潮率为0.61%，比发泡前的回潮率有适当的提高。
这是由于经过超临界CO2处理之后PET纤维表面形成了较多的微孔结构（如图2），而微孔结构有利于吸收水分。
3.3断裂强度与断裂伸长率
测试前将试样预调湿4h，并置于温度为（20±2） ℃、相对湿度为（65 ±3）%的恒温恒湿室吸湿平衡48h；设置拉伸速度为250mm/min；发泡前后的PET纤维分别测试5次。
计算公式：平均断裂强度=各观测值总和（cN）/观测次数
平均断裂伸长率=各观测值总和（%）/观测次数
发泡前后测得的断裂强度如表2，断裂伸长率如表3。
由表2及表3可知，微孔发泡PET纤维的断裂强度下降，但断裂伸长率上升了。这是由于微孔的产生引起了应力集中，从而导致了强度下降；而微孔的存在，导致纤维抵抗形变的能力增加，从而断裂伸长率有所增加。
4结论
在超临界CO2的条件下，一定的饱和压力、饱和时间、发泡温度和发泡时间下，可以制得微孔发泡PET纤维；微孔发泡PET纤维与未发泡的PET纤维相比，直径和回潮率有明显的增加，断裂强度下降，但是断裂伸长率增加。
参考文献
[1]张师民.聚酯的生产及应用[M] .北京：中国石化出版社, 1997：3-5.
[2]王扶伟.聚酯纤维发展现状与思考[J] .聚酯工业, 1991(1)：81.
[3]张鹰, 郑安呐, 韩哲文.微孔发泡塑料的研究进展[J]. 功能高分子学报, 1999, 12(2)：207-210.
[4]Seeler K A, Drake B D, Billington S A , et al. Net-shaped SinteredMicrocellular Foam Parts[J]. Annual Technical Conference Society of Plastics Engineers, 1997(1): 32-35.
[5]詹姆士, 史蒂文森.聚合物成型加工新技术[M]. 刘廷华, 张弓, 译.北京: 化学工业出版社, 2004：91.