高模量低收缩聚酯工业丝的工艺研究

高模量低收缩聚酯工业丝的工艺研究1.前言聚酯工业丝具有强力高、伸长低、模量高、低吸湿、耐热、耐疲劳和尺寸稳定性好等特点，是橡胶制品理想的骨架增强材料之一。20世纪80年代中期，世界上生产聚酯工业丝的大公司先后研制开发出性能优良的新一代轮胎增强材料)高模量低收缩型聚酷工业丝，并在轿车和轻型卡车子午胎的生产中得到了广泛的应用,生产出高性能的轿车子午胎。随着先进技术设备的应用，高模量低收缩聚酷工业丝的质量得到稳步提高目前,高模量低收缩聚醋工业丝的生产工艺有一步法和二步法两种方法由于一步法生产效率高,产品质量好,成本较低,所以大部分厂家都采用一步法生产工艺,目前已很少有厂家采用二步法生产工艺。一步法生产工艺流程：有光聚醋切片筛选→结晶干燥→固相缩聚→熔融纺丝→牵伸卷绕→高模量低收缩聚醋工业丝一步法生产工艺是在同一台机器上进行纺丝和牵伸卷绕,纺丝速度、牵伸倍数和热定型工艺根据产品质量的要求而定。一步法工艺生产设备占地面积小，生产效率高，产品质量好，产品成本较低,被大部分生产厂采用。二步法生产工艺流程：有光聚醋切片筛选→结晶干燥→固相缩聚→熔融纺丝→牵伸卷绕→卷绕丝平衡→拉伸整经→高模量低收缩聚醋工业丝二步法生产工艺是在多台设备上完成纺丝和牵伸卷绕纺丝速度在3000-4000m/min,纺丝卷绕丝经平衡后再以500m/min左右的速度进行拉伸整经卷绕。二步法工艺生产设备占地面积大,生产效率低,生产成本较高,产品质量比一步法差,所以很少厂家采用二步法生产工艺。太极公司纺丝生产设备是从国外引进的一步法聚酷工业丝生产装置，原设计为生产标准型和低收缩型聚酯工业丝，卷绕速度和国外一步法高模量低收缩聚醋工业丝生产卷绕速度相比较低。要在较低的纺丝卷绕速度下生产出高质量的高模量低收缩聚醋工业丝，困难是相当大的。经过多次反复试验摸索，研究出一套适合现有设备可生产高模量低收缩聚酷工业丝的工艺软件，即用较低的纺丝卷绕速度生产高模量低缩聚酷工业丝的生产工艺技术。2实验2.1原料上海石化总厂产大有光聚酷切片2.2工艺流程有光聚酯切片筛选→结晶干燥→固相缩聚→熔融纺丝→牵伸卷绕→高模量2.3生产设备固相缩聚:从美国BEPEX公司引进;纺丝设备:从德国巴马格公司引进2.4测试仪器TesteriteMKV干热收缩仪;histron4464强伸仪(用于测试丝);取向度:采用透射式显微镜XPT一币型,加上光程补偿器和测微目镜进行测试。高粘聚酷流变性能:委托北京服装学院用Bbarned挤出流变仪测定。3结果与讨论3.1HMLS聚醋纤维的结构HMLS聚酷纤维微观结构通常HMLS聚醋工业丝的生产工艺路线有一步法和二步法两种,AlhdeSignal、HoechstCelneaes、Akzo等公司均采用一步法,德国Zimmer公司采用二步法。HMLS聚醋之所以在性能上优于标准型聚醋,首先是生产工艺上作了改进,调整了纺丝工艺参数,特别是牵伸速度,使产品在微观结构上产生了差异,其结构参数见表1、表2对这类纤维的结构和性能影响关系的报道很多。聚酯的微观结构其实与人造丝相同，都是二相结构，为交替的结晶区和无定型区,如图1所示。对聚酯来说,最重要的结构参数如图2所示,表3说明了这些结构参数与纤维性能之间的关系。其中一些参数对人造丝同样重要,但总体来说在生产和加工过程中人造丝与聚酷相比,这些参数对性能的影响,前者要小一些。通常分子量高其强度也较高,而低分子量的聚酷结晶更容易。表1HMLS聚醋纤维形态结构参数参数IW70IW90IX30Tm（℃）256.1257.5259.1Xc（%）353738ρ（g/cm3）1.38981.38571.3864Δn0.2320.2030.197Fa0.880.710.68表2形态结构参数对比参数标准型聚酯HMLS聚酯长周期（Lp）145130无定型的长度（La）6040连接分子指数50100-300图3.聚酯纤维结构模型（垂直于纤维轴）图2.聚酯纤维重要的物理结构参数表3HMLS聚酯纤维结构参数与性能影响关系性能高粘度高晶体取向高晶体尺寸低无定型取向高连接分子高强力XXX高韧度XX高定伸负荷XX低收缩X低滞后损失XX高耐疲劳性XX结晶度对收缩活动模量影响很大,如果一个材料的结晶区体积份额较高,材料的收缩就较低，模量也较高。收缩主要发生在无定形区，取向好的分子比取向差的分子更容易收缩，而且有较高晶体取向分子也使模量提高。如果在无定形区中分子的取向度相同，在取向分布上也会有区别，取向分布宽可抑制相位受热时无定形区分子的同步卷曲，因此收缩率将降低。有文献对结构和收缩的关系进行了详细研究，结晶度相同时，晶粒尺寸和无定形区尺寸也可能是不同的，粒度是影响丝的断裂强力的参数，结晶度高，晶粒就越小，丝的断裂强力就越高。3.2HMLS聚醋工业丝性能对任何一种增强材料,断裂强度都是最重要的性能之一，表3列出几代HMLS聚酷工业丝的性能，图3为荷兰阿克苏贝尔公司聚酷工业丝和三超人造成丝强度一伸长曲线。从表4和图3中可以看到，从标准型聚酷丝到最新一代高模量低收缩聚酷丝，其强度逐渐下降。对相同分子量的聚酷，其强度下降可以用无定型区取向分布因子来解释。从标准型到HMLS最终到改进的HMLS聚酯,在无定形区其分子的取向分布越来越宽，如图4所示。取向分布宽意味着在受力状态下,最高取向的分子在低取向的分子达到断裂负荷之前就断裂了，而且HMLS和HMVLS聚酯的终点模量低，这也是因为其较宽的取向分布，受力时分子相继断裂，在强度一伸长曲线的末端表现出流动行为，而标准型聚酷取向分布窄，大多数分子同时断裂。纤维的动态力学性能如图5图6所示，结果表明，在玻璃化温度Tg以下时，高模量低收缩的储能模量是最低的，在Tg以上它具有较高的模量保持率。这是由于在Tg以上时,是晶体结构控制纤维性能，而在Tg以下时,无定形区取向是性能的主控制参数。因此HMLS聚酷由于Fa低,无定形区流动性能较大,表观为图6中的tan6损峰耗低。表4HMLS聚酯工业丝性能表3标准型、HMLS、HMVLS和三超人早丝的拉伸曲线表4无定型区分子的取向分布图5动态模量与温度的曲线图6tanδ与温度的关系4结论1）利用无锡太极公司现有的标准型工业丝生产设备，进行适当技术改造,采用低速纺丝(600-700M/Min),高倍热拉伸(5-6倍),高温!高张力热定型(高温紧张热定型)和中速卷取(3000-5000MJMin)的工艺,可成功生产高模低收缩聚酯工业丝。2）由该工艺生产的高模低收缩聚酷工业丝产品04cN/dtex时的定负荷伸长达5%左右,干热收缩率(177℃，1min)为4%一5%,达到了国外90年代末先进水平。