热处理对PBST纤维聚集态结构和力学性能的影响

高佳佳，李发学，俞建勇

（东华大学 纺织学院，上海 201620）

由于脂肪族（共）聚酯良好的生物降解性和生物相容性，在过去几十年中有许多针对此内容的相关研究[1－3].自 CAROTHERS[4]最早提出将二元醇和乙二酸缩合反应以来，种类繁多的脂肪族聚酯开始被大量合成应用，例如，聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、聚乙二酸丁二醇酯（PES）、聚己二酸丁二醇（PBA）等[5－8].尽管脂肪族聚酯的应用范围很广，但它们有个共同的缺点，即较差的热学性能和物理加工性能及较高的生产成本，因而制约了由其制成的纤维在纺织加工中的应用.相反，芳香族聚酯虽不具备生物降解性能，但却具有优良的热力学性能和加工性能，能被制成塑料、纤维等不同形式的产品可广泛应用于各个行业，例如目前已经大量投入生产应用的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）材料[9].在前人的研究工作中，相关研究人员通过缩聚反应合成了生物可降解的聚丁二酸丁二醇－共－对苯二甲酸丁二醇酯（PBST）[10－11]，它既具有脂肪族聚酯的生物降解性能，又具备芳香族的物理加工性能，具有广泛的应用前景.本文旨在通过对PBST纤维在不同的温度、牵伸倍数和热定型时间条件下进行热处理，研究其经热处理后力学性能和聚集态结构的变化.

1 试验部分

1.1 样品制备

首先将PBST纤维理顺成束状放在自制的瓦楞纸沟槽中，放入烘箱加热至200℃，保温3min以消除热历史，然后将其迅速冷却至室温.将退火后的纤维固定在自制的长方形铁架上，设定初始张力为0cN，在不同的牵伸倍数、温度和热定型时间条件下进行牵伸.

1.2 测试部分

1.2.1 力学性能测试

使用万能材料试验机（XQ-2型）得到PBST纤维的应力应变曲线，并测试其弹性回复率.夹持距离为50mm，定伸长为纤维原长度的20%，预加张力为0.2cN，循环3次，停留时间为0s，拉伸速度为250mm／s，每个样品测3组数据取平均值.

1.2.2 取向度测试

采用日本奥林巴斯Polarizing Optical Microscope BX51型热台偏光显微镜（POM），测得PBST纤维的直径D和光程差R，然后由Δn＝R／D计算出双折射率，以描述经过热处理后PBST纤维的取向度.1.2.3 结晶度测试

采用美国Perkin-Elmer公司的Pyris-1型差示扫描量热仪（DSC）对PBST的热学性能进行测试，以铟和正庚烷进行校正，整个测试过程中以氮气流保护，气流流速为50mL／min.称取5mg左右样品，置于铝坩埚中密封，用密封的空坩埚作参考物，先以10℃／min的升温速率加热至200℃，保温3min，然后以10℃／min的降温速率降至室温.在试验所得DSC曲线的基础上，先计算出试样完全熔融所需吸收的热量，再求出对应的热焓，最后计算出试样的结晶度XC，计算式为XC＝，其中，ΔHC为试样的热焓，J／g，ΔHC为一个完全结晶试样的熔融热焓，其值为144.5J／g[12].

2 结果与讨论

2.1 牵伸倍数对PBST纤维结构性能的影响

图1为PBST纤维在烘箱温度为140℃、不同牵伸倍数条件下热定型3min后其力学性能的变化曲线.由图1可以看出，随着牵伸倍数的增加，PBST纤维的断裂强度增加，弹性回复率整体呈下降趋势.为了揭示这一变化的内在原因，图2给出了不同牵伸倍数条件下PBST纤维的结晶度和取向度变化曲线.由图2可以看出，热牵伸对纤维的取向度和结晶度变化有积极的影响，随着牵伸倍数的增大，纤维的取向度和结晶度增大.这主要是由于热牵伸过程中，大分子链在纵向重新排列所致.纤维取向度和结晶度的增大，使得其断裂强度呈现出比较明显的上升趋势.同时，这也可以解释热处理会对PBST纤维的弹性回复率产生消极影响的原因，即随着牵伸倍数的增大，纤维的取向度和结晶度增大，纤维受到外力牵伸时，晶片在纤维纵向上的滑移变得越来越困难，因而PBST纤维的弹性回复率降低[13].

2.2 热处理温度对PBST纤维结构性能的影响

图3所示为PBST纤维在不同热处理温度条件下牵伸倍数为1.25、热定型5min后的力学性能变化曲线.由图3可以看出，与牵伸倍数相比，热处理温度对PBST纤维的力学性能有类似的影响，即随着热处理温度的升高，纤维的断裂强度增加而弹性回复率整体呈下降趋势.图4给出了不同热处理温度条件下PBST纤维的结晶度和取向度变化曲线.由图4可以看出，PBST纤维的取向度随着热处理温度的升高而逐渐增加，但纤维的结晶度整体呈下降趋势.这同样可以归因于热处理过程中分子链在纤维纵向结构上的重组和晶区结构的破坏.随着热处理温度的升高，大分子链运动加剧，有利于其重新排列，因此，纤维的取向度增加；但温度过高，晶区结构遭到破坏，纤维的结晶度降低.同时，结合牵伸倍数及热处理温度对PBST纤维结构性能影响的试验结果可以得知，与结晶度相比，PBST纤维的取向度变化是其力学性能变化的主导因素.

2.3 热处理时间对PBST纤维结构性能的影响

图5所示为PBST纤维在烘箱温度为140℃、牵伸倍数为1.25和不同热处理时间条件下力学性能的变化曲线.由图5可以看出，纤维的断裂强度和弹性回复率随热处理时间的改变未呈现出明显的变化规律，这与图6纤维结晶度和取向度结构随热处理时间的无规变化是一致的.造成这种结果的原因可能是在加热的初始阶段，大分子链的重新排列占主导地位，这有利于纤维断裂强度的增加，而弹性回复率降低；随着热处理时间的延长，晶区结构逐渐遭到破坏，这对纤维的力学性能产生消极影响.由于在热处理过程中，大分子链的重排和晶区破坏这两个过程同时发生，因此，PBST纤维的力学性能呈现出不规律的变化.

3 结 语

本文通过试验研究了生物可降解PBST纤维在不同热处理条件下力学性能和聚集态结构的变化规律.研究结果表明，牵伸倍数和热处理温度对纤维的弹性回复率有消极影响，但对其断裂强度有积极影响，即随着牵伸倍数的增加和温度的升高，纤维的弹性回复率整体呈下降趋势，而断裂强度增加，这归因于PBST纤维在热处理过程中取向度和结晶度的变化，且取向度变化是PBST纤维力学性能变化的主导因素.试验同时也表明，热处理时间对纤维的力学性能和聚集态结构影响无显著规律，这还有待于进一步的研究.

参 考 文 献

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