活化油剂及上油工艺对聚酯高强纤维性能影响

第31卷㊀第3期2023年5月
现代纺织技术
Advanced Textile Technology
Vol.31,No.3May.2023
DOI :10.19398∕j.att.
202209009
活化油剂及上油工艺对聚酯高强纤维性能影响
施㊀强1,石教学2,郑㊀雄1,张须臻1
(1.浙江理工大学材料科学与工程学院,杭州㊀310018;2.浙江古纤道绿色纤维有限公司,浙江绍兴㊀312000)㊀㊀摘㊀要:以普通高强型GHT㊁高模低缩型HMLS 和高强超低缩型SLS 涤纶工业丝为研究对象,研究了活化油剂上油及干燥条件对纤维力学㊁热性能的影响㊂结果表明:干燥处理(75ħ)后涤纶工业丝的线密度和结晶度增大,而断裂强度㊁杨氏模量㊁热收缩性能㊁声速取向因子及声速模量出现不同程度的下降,断裂伸长率未有明显变化㊂上油处理后,涤纶工业丝的线密度增大,断裂强度㊁杨氏模量㊁热收缩率与热收缩力降低,而断裂伸长率和结晶度未有明显变化㊂GHT 和HMLS 涤纶工业丝上油处理后的声速取向因子和声速模量较原丝均有上升㊂对比其他两类工业丝,SLS 涤纶工业丝经上油和干燥(75ħ)后,力学强度和模量损失有限,热收缩率降低明显,尺寸稳定性好,结晶度增加,更适合用于涤纶工业丝的活化改性及应用㊂
关键词:涤纶工业丝;活化油剂;力学性能;热收缩性能;结晶度;取向
中图分类号:TS102.5㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:1009-265X(2023)03-0155-08
收稿日期:20220910㊀网络出版日期:20221222基金项目:绍兴市 揭榜挂帅 制科技项目(2021B41002)
作者简介:施强(1997 ),男,安徽池州人,硕士研究生,主要从事涤纶工业丝的改性与应用方面的研究㊂通信作者:张须臻,E-mail:donghuaihe@
㊀㊀自20世纪60年代美国将聚酯纤维成功应用于帘子线以来,聚酯高强纤维(涤纶工业丝)的应用逐步拓展至轮胎帘子线㊁输送带㊁帆布帘线㊁车用安全带等领域[1-4]㊂活化型涤纶工业丝的表面附着有反应性活化油剂,能与橡胶㊁聚氯乙烯等高分子基体形成良好的粘合力;可简化后续复合成型工艺,便于制备轻质㊁可变形㊁强度高㊁模量高和尺寸稳定性好的涤纶织物增强复合材料;是一种新型的工业丝[5],
可广泛应用于汽车工业㊁建筑工程等领域[6-7]㊂活化油剂是赋予涤纶工业丝表面活性的重要助
剂,一般在纤维成型后通过喷嘴或油轮的方式进行动态上油㊂当活化油剂中含有湿敏性反应基团时,为防止多余水分子妨碍活化油剂解封段后的活化反应,一般需要对上油后的纤维进行干燥处理㊂当前针对活化油剂上油及干燥处理对涤纶工业丝原有性能影响的研究较少㊂陈天陆等[8]曾研究了活化油剂占纺丝油剂比例对上油后涤纶工业丝力学性能的影响,发现随着纺丝油剂中活化油剂质量分数的提升,涤纶工业丝的断裂伸长率下降,断裂强度提高㊂现有文献对活化型涤纶工业丝的应用参考作用有
限,为此,本文选取常见的高模低收缩型(HMLS)㊁普通高强型(GHT)和高强超低缩型(SLS)涤纶工业丝为基材,利用活化油剂分别对其进行上油处理,并在不同条件下进行干燥处理㊂研究活化油剂上油及干燥条件对涤纶工业丝物理机械性能包括线密度㊁力学性能㊁热收缩㊁取向及结晶性能等方面的影响,为后续涤纶工业丝增强型复合材料的应用提供参考㊂
1㊀实㊀验
1.1㊀主要原料
普通高强型涤纶工业丝(1110dtex∕192f,经纺丝油剂17%水乳上油)㊁高模低缩型涤纶工业丝(1110dtex∕192f,经纺丝油剂原油上油)㊁高强超低缩型涤纶工业丝(1110dtex∕192f,经纺丝油剂原油上油),均由浙江古纤道绿色纤维有限公司提供;活化油剂(DELIONLIAOWU-1)购自日本竹本油脂株式会社㊂
1.2㊀主要设备和仪器
真空干燥箱(DZF-6050,上海精宏实验设备有
限公司)㊁电子天平(AL104,梅特勒托利多集团)㊁缕纱测长仪(YG086C,常州纺织仪器厂有限公司)㊁单纱强力机(YG023B-Ⅲ,常州纺织仪器厂有限公司)㊁差示扫描量热仪(DSC2,梅特勒托利多集团)㊁热空气收缩检测仪(TST2,奥地利兰精控股有限公司)㊁声速取向测试仪(SCY-Ⅲ,上海思尔达科学仪器有限公司)㊂
1.3㊀试样制备
活化型涤纶工业丝的制备:分别对GHT㊁HMLS 和SLS3类涤纶工业丝进行浸渍上油处理,活化油剂乳液配置浓度为10%,纤维运动速率为10cm∕s㊂活化型涤纶工业丝的干燥处理:a)常温干燥:将上油后的涤纶工业丝置于真空干燥箱中,温度为常温,抽真空处理24h;b)高温干燥:将上油后的涤纶工业丝置于真空干燥箱中,温度为75ħ,抽真空处理24h㊂作为参比样品,将未上油的各组原丝以同等条件进行干燥处理㊂
1.4㊀测试方法
1.4.1㊀线密度
按照国标GB∕T14343 2008‘化学纤维长丝线密度试验方法“,利用缕纱测长仪分别对3种涤纶工业丝的4组试样:原丝㊁活化丝(75ħ干燥)㊁活化丝(常温干燥)以及原丝(75ħ干燥)进行长度测试,在分析天平上称出样品重量,每个样测定3次取平均值,最后计算纤维的线密度㊂
1.4.2㊀力学性能
用单纱强力机对3种涤纶工业丝的各4组试样做单丝拉伸性能测试,预加张力:0.05cN∕dtex;夹持距离:100mm;拉伸速度:50mm∕min,每个试样测定10次取平均值㊂
1.4.3㊀热收缩
通过热空气收缩仪对3种涤纶工业丝的各自4组试样作热收缩率和热收缩力的测试㊂测试温度: 177ħ;测试时间:5min;预加张力:0.088cN∕dtex㊂1.4.4㊀取向性能
使用声速取向测试仪分别测定各类涤纶工业丝样品在20cm和40cm处的声速取向性能,每个样品测试5次㊂声速取向因子和声速模量的计算公式[9]为:
f=1-C u2∕C2(1)
E=ρC2(2)式中:f为声速取向因子,C u为声音在未向取的PET 中传播的速度,取1.35km∕s,C为声音在测试样品中的传播速度㊂E为声速模量,ρ是测试样品的密度㊂
1.4.5㊀结晶度
分别将3种涤纶工业丝的原丝㊁原丝(75ħ干燥)以及活化丝(75ħ干燥)切成碎末状样品,称取5~10mg置于铝坩埚内㊂通过差示扫描量热仪对纤维进行热流扫描测试,以N2作为保护气,气体流量为20mL∕min,初始温度为25ħ,以20ħ∕min的速率升温至295ħ,记录样品的第一次升温曲线㊂涤纶工业丝的结晶度通过所测熔融热与100%结晶PET的熔融热(125.4J∕g)的比值作比所得[10],其计算公式为:
X c=ΔH f∕(ΔH100%㊃W f)ˑ100%(3)式中:X c为结晶度,%;ΔH f为样品丝的熔融热,J∕g;ΔH100%为完全结晶试样的熔融热,J∕g;W f为测试试样中PET所占的比重,%㊂
2㊀结果与分析
2.1㊀原丝性能对比
GHT㊁SLS和HMLS3种涤纶工业丝未经上油原丝的干热收缩率及力学性能的对比如图1所示㊂从图1中可以看出,在3种工业丝中,GHT工业丝的断裂强度㊁杨氏模量和干热收缩率最大,表明其具有高牵伸倍率及高内应力,无定形区中链段的紧张程度最高;SLS工业丝的断裂伸长率最大,干热收缩率最小,内应力较小,表明该纤维分子结构的无定形区域中PET链段的紧张程度最低㊂而HMLS工业丝的各项数据介于GHT和SLS两种工业丝之间㊂2.2㊀上油及干燥处理对线密度的影响
经上油㊁干燥处理后涤纶工业丝的线密度,如表1所示㊂从表1中可知:与原丝相比,75ħ干燥后的3种涤纶工业丝线密度都有小幅度提高,表明在干燥过程中,3种涤纶工业丝均发生不同程度的收缩㊂对3种工业丝上油后再进行干燥后发现,三类涤纶工业丝的线密度均有较大幅度的提高㊂与单纯75ħ干燥收缩效应相比,上油对涤纶工业丝线密度的增加影响更为显著㊂表明上油后3种纤维表面形成的油剂层膜不同程度增加了纤维的线密度㊂本实验采取的常温与75ħ两种干燥方式对涤纶工业丝线密度的影响接近,未能显示出显著的变化规律㊂
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图1㊀3种涤纶工业丝原丝性能对比
Fig.1㊀Comparison of properties of three untreated polyester industrial yarns
表1㊀经上油、干燥处理后涤纶工业丝的线密度
Tab.1㊀Linear density of polyester industrial yarns after drying treatment
处理方式HMLS 线密度∕dtex
GHT 线密度∕dtex
SLS 线密度∕dtex
原丝111011101110原丝(75ħ干燥)116511301118活化丝(常温干燥)121812261193活化丝(75ħ干燥)
1189
1163
1176
2.3㊀力学性能分析
不同方式处理后各涤纶工业丝的力学性能如图2所示㊂由图2可知:与原丝相比,GHT㊁SLS 和HMLS 3种工业丝经75ħ干燥㊁上油处理后断裂强度㊁杨氏模量均有不同程度的下降㊂一方面,由于本实验采用的75ħ干燥方式为松弛热处理,期间纤维内部的PET 分子会通过热运动发生局部解取向,产生有限收缩行为(线密度分析中已得以验证),进而弱化纤维的断裂强度和杨氏模量[11]㊂常温真空干燥所得样品的断裂强度和杨氏模量均高于75ħ干
燥处理后的样品,表明常温真空干燥更能有效维持涤纶工业丝原有的力学性能㊂上油后纤维强度和模量下降,这可能是由于线密度增大及油膜自身强度低于涤纶工业丝强度㊂
3种纤维中,上油处理对GHT 工业丝断裂强度
和杨氏模量的降低效果较明显;高温干燥处理对SLS 工业丝断裂强度和杨氏模量的降低效果较明显㊂而对于HMLS 工业丝,高温干燥和上油处理的影响效果相当㊂与强度和模量不同,经上油和干燥处理后的纤维断裂伸长率仅出现有限降低或正常波
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施㊀强等:活化油剂及上油工艺对聚酯高强纤维性能影响
动,如75ħ干燥和上油处理的GHT 和HMLS 工业丝的断裂伸长率均有小幅度降低,而SLS 工业丝则适度提升㊂以上现象表明:上油和干燥处理对涤纶工业丝帘子线的应用影响非常有限
㊂
图2㊀上油及干燥处理前后涤纶工业丝的力学性能Fig.2㊀Mechanical properties of polyester industrial yarns
before and after being treated by oiling and drying
2.4㊀热空气收缩
涤纶工业丝的热收缩率和热收缩力随干燥时间的变化如图3所示㊂从图3中可以看出,经过上油处理(常温干燥)或高温干燥处理后,3类纤维的收缩率㊁收缩力与原丝相比均有不同程度的下降,表明油膜的加入与松弛热处理均能够缓解涤纶工业丝的内部紧张收缩效应㊂活化型涤纶工业丝表面包覆的活化油剂膜层质地硬度高,会制约纤维的收缩,促使其收缩力和收缩率降低;而经过高温松弛处理的纤维则内部部分应力消除,再次加热时收缩率和收缩力均低于原丝[12]㊂对于不同纤维,上油和干燥处理的影响不同:75ħ干燥处理对HMLS 工业丝的干热
收缩率和干热收缩力影响效果较大;而上油处理对GHT 和SLS 工业丝的干热收缩率和干热收缩力影响效果较大㊂与干热收缩率相比,干热收缩力的变化幅度较大,如GHT 型活化涤纶工业丝经高温干燥处理后,并在干热收缩测试200s 时,干热收缩率从10.3%降低至10.1%;而干热收缩力则从338.0cN 降低至318.8cN,降幅达6.0%㊂三类涤纶工业丝中,SLS 型涤纶工业丝经干燥处理后,干热收缩率和干热收缩力明显低于另外两种纤维,表明该型活化纤维具有良好的尺寸稳定性㊂
2.5㊀声速取向
不同涤纶工业丝的声速取向因子如图4所示㊂从图4可以看出,3种工业丝75ħ干燥处理后的声速取向因子较原丝均降低㊂这是由于75ħ干燥处理后,涤纶工业丝发生局部解取向,分子排列的不规则程度增加,声速取向因子下降㊂值得注意的是,75ħ干燥导致的取向因子降低幅度有限,如GHT 型涤纶工业丝的声速取向因子从90%降至87.5%;
而SLS 型则仅仅从86%降至84.5%㊂经上油并常温干燥后,GHT 和HMLS 的声速取向因子较原丝都明显上升,但SLS 变化不明显㊂SLS㊁GHT 和HMLS 上油(常温干燥)处理后的声速取向因子呈现不同的变化与其纤维内部的聚集态结构特点有关㊂如图1(a)中所示,3种工业丝的热收缩率为SLS <HMLS <GHT,表明在纤维内部沿轴排布的非晶区分子链段中,SLS 链段的松弛状态强于HMLS 和GHT㊂当上油处理后,油剂乳液中的水分子渗透后能够促
进纤维分子运动,有助于结晶的进一步发展[13]㊂HMLS 和GHT 中呈紧张取向状态的非晶区分子链段由于排列规整度高易于发生取向诱导结晶[14],而
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SLS分子链段则取向结晶效应偏弱,导致其声速取向因子的差异㊂而在SLS工业丝几种处理方式中,上油(75ħ干燥)后的工业丝声速取向因子最低,是其内部解取向占主导因素所导致[15]㊂
3种涤纶工业丝经不同条件处理后的声速模量如图5所示㊂声速模量的变化趋势与声速取向因子的变化趋势相近,这与其他同类工作的实验结果相一致[16]㊂75ħ干燥导致各涤纶工业丝的声速模量降低;而上油处理则会使GHT和HMLS工业丝的声速模量升高
㊂
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图3㊀各涤纶工业丝的热收缩率和热收缩力随干燥时间的变化曲线
Fig.3㊀Curves of the thermal shrinkage rate and thermal shrinkage force of each polyester industrial
yarn as a function of drying time
㊃951㊃第3期施㊀强等:活化油剂及上油工艺对聚酯高强纤维性能影响
图4㊀各涤纶工业丝的声速取向因子
Fig.4㊀Sonic orientation factor of various polyester industrial
yarns
图5㊀各涤纶工业丝的声速模量
Fig.5㊀Sonic modulus of polyester industrial yarns
2.6㊀结晶度
经不同处理方式后3种涤纶工业丝的DSC 首次升温熔融曲线如图6所示㊂从图6中可知,各涤纶工业丝样品均在升温过程中在230~270ħ出现熔融峰㊂GHT㊁HMLS 和SLS 3种工业丝75ħ干燥后的熔融温度与原丝接近,而活化油剂上油后干燥的样品熔
融温度均有所降低㊂说明纤维内部晶体的结构在未上油高温干燥过程中得到了有效的维持,而经上油后再进行干燥的过程中则受到小分子的渗透,部分晶型的完整性受到破坏[17]㊂例如,HMLS 型和SLS 型涤纶工业丝的熔融峰显示出不同程度的双峰结构,表明在熔融过程中出现部分晶体率先熔融的现象
㊂
图6㊀各涤纶工业丝的DSC 首次升温熔融曲线Fig.6㊀First DSC heating curves of polyester industrial yarns
㊀㊀不同处理方式后涤纶工业丝结晶度的变化如表2所示㊂由表2中数据可知:与原丝相比,GHT
和HMLS 两类涤纶工业丝经75ħ干燥后,其结晶度仅在误差范围内出现小幅波动,表明两类涤纶工业丝的结晶行为在此过程中未有发生㊂这与两种工业丝中无定形区分子链段内应力高,分子链段运动受限有关㊂而SLS 涤纶工业丝经上油㊁干燥处理后,结晶度相较于原丝出现逐步上升的趋势,表明上油及干燥处理过程促进了该类型纤维的结晶㊂
表2㊀不同处理方式后涤纶工业丝的结晶度Tab.2㊀Crystallinity of polyester industrial yarns after
various treatments 处理方式GHT
结晶度∕%HMLS
结晶度∕%SLS
结晶度∕%原丝42.1244.5140.69原丝(75ħ干燥)42.2545.6942.91活化丝(75ħ干燥)
40.8044.04
44.03
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3㊀结㊀论
本文以规格为1110dtex∕192f3种涤纶工业丝(GHT㊁HMLS㊁SLS)为研究对象,通过对其进行活化油剂上油和干燥处理,分别研究了活化油剂上油及不同干燥条件对其纤维线密度㊁力学性能㊁热收缩性能㊁声速取向以及结晶度的影响㊂结论如下: a)经过75ħ干燥后:3种涤纶工业丝的线密度和结晶度都增大;而3种工业丝断裂强度㊁杨氏模量㊁热收缩性能㊁声速取向因子及声速模量均有不同程度的下降,断裂伸长率未有明显变化;其中SLS涤纶工业丝的断裂强度下降幅度较小,表明该纤维在75ħ干燥过程中断裂强度可以得到有效维持㊂b)经过活化油剂上油处理后:3种涤纶工业丝的线密度均提高,断裂强度㊁杨氏模量㊁热收缩性能出现下降,断裂伸长率和结晶度则未有显著变化㊂GHT和HMLS涤纶工业丝上油处理后的声速取向因子和声速模量较原丝均有上升㊂在经过活化油剂上油处理后的几种工业丝中,SLS涤纶工业丝的断裂强度和杨氏模量下降幅度较小,表明该纤维的力学性能能够在上油过程中得到有效维持㊂
c)横向比较3种涤纶工业丝,上油和75ħ干燥后,SLS涤纶工业丝的力学强度和模量损失较小,热收缩率明显降低,尺寸稳定性好,结晶度增加,更适合用于涤纶工业丝的活化改性及应用㊂
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Effects of activating oiling agents and oiling technology on the properties
of polyester high strength fibers
SHI Qiang1,SHI Jiaoxue2,ZHENG Xiong1,ZHANG Xuzhen1
(1.College of Materials Science&Engineering,Zhejiang Sci-Tech University,Hangzhou310018,China;
2.Zhejiang Guxiandao Polyester Dope Dyed Yarn Co.,Ltd.,Shaoxing312000,China)
Abstract:The activated polyester industrial yarn is a new type of industrial yarn.It can form good adhesion with rubber PVC and other polymer matrices due to the reactive activating oiling agent attached to its surface.The original composite molding process of"spinning oiling-predipping-RFL dipping-rubber compounding"can be simplified into"activated oiling-RFL dipping-rubber compounding"because of the activated filaments.This technology can prepare polyester fabric reinforced composites with light weight deformability high strength high modulus and good dimensional stability which can be widely used in automotive industry construction engineering and other fields.
Activating oil agents play an important role in the preparation of activated polyester industrial yarns.As an important auxiliary agent to endow surface activity of polyester industrial yarns the activating oiling agent is usually dynamically oiled through nozzles or tankers after fiber preparation.When the activating oil agent contains a humidity sensitive group it is generally necessary to dry the oiled fibers in order to prevent excess water molecules from interfering the activation reaction after the unsealing section of the activating oiling agent.At present there is little research on the influence of the activating oiling agent and drying treatment on the original properties of polyester industrial yarns.For this reason three kinds of common polyester industrial yarns general high strength GHT high modulus low shrinkage HMLS and high strength ultra-low shrinkage SLS were chosen as the raw materials.The yarns were treated with activating oil agents and dried at room temperature or75ħ.The effects of activating oil agents and drying conditions on the linear density mechanical properties thermal shrinkage properties sonic orientation and crystallinity of polyester industrial yarns were thus investigated.The experimental results show that the linear density and crystallinity of the three polyester industrial yarns increase slightly after drying treatment while the mechanical properties thermal shrinkage properties sonic orientation factor and sonic modulus all decrease especially for the Young's modulus of HMLS.After oiling treatment the linear density of the three yarns increases but the breaking strength Young's modulus and thermal shrinkage decrease and the elongation at break and crystallinity have little change.The sonic orientation factor and sonic modulus of GHT and HMLS are higher after oil pared with the other two yarns SLS after being oiled and dried at75ħhas less mechanical strength and modulus loss greater reduction in thermal shrinkage ratio better dimensional stability and higher crystallinity which indicates that SLS is more suitable for activation modification among polyester industrial yarns.
In this paper the effects of activating oil agents and different drying conditions on the performance of GHT HMLS and SLS polyester industrial yarns provide a new idea for the selection of polyester industrial yarns and the activation of polyester industrial yarn treatment process and also provide a reference for the subsequent application of enhanced composite materials for polyester industrial yarns.
Keywords:polyester industrial yarn activating oil mechanical properties thermal shrinkage properties crystallinity orientation
㊃261㊃现代纺织技术第31卷。