加捻对热致液晶聚芳酯初生纤维拉伸性能的影响

施伟利，蔡 勉，王小俊，王罗新，王 桦,2



加捻对热致液晶聚芳酯初生纤维拉伸性能的影响

施伟利1，蔡 勉1，王小俊1，王罗新1*，王 桦1,2

（1 武汉纺织大学 材料科学与工程学院，湖北 武汉430073；2 四川省纺织科学研究院，四川 成都 610072）

热致液晶聚芳酯（TLCP）的特殊化学结构使其具有高强度、高模量、低粘度、易加工等诸多优良特性，且TLCP纤维力学性能对其应用于纺织业具有举足轻重的作用。本论文主要研究加捻对TLCP纤维力学性能的影响，探究其影响机理。研究结果表明：加捻对其力学性能影响很大,TLCP纤维束的强力随着捻度的增加呈先增大后减小趋势。当TLCP纤维束的线密度为52.50 tex，捻度为130Tm时，最大强度为9.14 cN/dtex。未加捻TLCP单纤维的线密度为1.394 tex时，最大强度为11.3cN/dtex。

TLCP纤维；加捻；拉伸性能；强度；断裂强力

作为一种具有微纤自增强作用的高分子材料，热致性液晶聚芳酯（TLCP）兼具优异的耐热性、耐腐蚀和抗冲击性等优良的理化和加工性能，逐渐在尖端科技领域得到应用，作为结构材料、电子材料和纤维材料等在航空航天、电子和通讯等高技术领域发挥着重要作用[1-2]。热致性液晶聚芳酯在高剪切应力下挤压通过喷丝孔时，其分子链高度取向，由于松弛时间长，冷却固化后能几乎完全保持取向结构[3]。芳族聚酰亚胺、聚酰亚胺-酯、聚酰亚胺-醚由于具有良好的热稳定性、化学稳定性和低可燃性而被广泛用于商业化的工程塑料，但它们绝大部分不能熔融不具有热致液晶性能[4]。

加捻是纺纱的工序之一，加捻的多少则是衡量纱线性能的重要指标，一般用捻度表示（捻度影响纱线的强力、刚柔性、弹性、缩率等指标）。由于TLCP纤维不同于普通的纤维，热致性液晶聚芳酯（TLCP）纤维是一类具有较高强度与模量的高性能纤维，高性能纤维具有普通纤维所不及的物理机械性能、热性能和化学性能，它是近年来纤维高分子材料领域发展迅速的一类特种纤维[5-7]。而关于捻度对TLCP纤维拉伸性能的影响，国内尚未见报道。研究加捻作用对TLCP纤维力学性能的影响，对TLCP纤维的后续加工和应用具有重要意义。本文采用纱线捻度仪对TLCP纤维进行加捻，采用万能测力仪测试其拉伸性能，研究加捻对TLCP纤维力学性能的影响，并探究其影响机理。

1 实验

1.1 材料与仪器

TLCP纤维：四川省纺织科学研究院提供，试样a、b、c、d、e、f是纺丝速度分别为500r/min、600r/min、700r/min、800r/min、900r/min、1100r/min的单纤维，试样A、B、C、D、E是纺丝速度分别为500r/min、600r/min、700r/min、800r/min、900r/min，50根一束的纤维束。

Y311N纱线捻度仪：宁波纺织仪器厂；Instron5566万能强力仪：Instron 公司。

1.2 实验方法

称重法测试TLCP纤维的线密度。

对试样A、B、C、D、E进行加捻，加捻的方式为转速800r/min，顺时针旋转，采用直接计数法，试样长度1m。试样A、B、C、D、E加捻后试样编号分别为A′、B′、C′、D′、E′。以同样的实验参数对试样A′、C′、D′、E′进行退捻，再从试样A′、C′、D′、E′退捻后的纤维束中抽取单根纤维，试样编号分别为a′、c′、d′、e′。

用万能强力仪测试样A′、B′、C′、D′、E′的拉伸性能，测试拉伸速率为250mm/min，夹距为500mm，每个试样测试10次取平均值。用万能强力仪测试试样a、b、c、d、e、f和试样a′、c′、d′、e′的拉伸性能，测试拉伸速率为250mm/min，夹距为200mm，每个试样测试10次取平均值。

2 结果与讨论

2.1 纤维束的力学性能

图1为原料相同、线密度不同的TLCP束纤维加捻后，断裂强力（即纤维受外力直接拉伸到断裂时所需要的力）随捻度的变化曲线。A′、B′、C′、D′、E′束纤维的线密度分别为84.74tex、69.72tex、58.08tex、49.30tex、52.50tex。从图中可以看出，随着线密度的增大，断裂强力也越大。五种不同细度的TLCP束纤维随捻度的增加断裂强力均呈先增大后减小的趋势，且在小捻度时断裂强力较大。这是由于增加一定的捻度，TLCP纤维束之间的摩擦力（即抱合力）和分子之间的范德华力增大，因此断裂强力增大[8-9]。当超过一定的捻度后，加捻破坏了TLCP纤维的大分子链取向，使纤维的分子链取向越来越偏离纤维轴，从而减弱了分子链在纤维轴上承担的外力，因而断裂强力减小[10]。

图1 五种TLCP纤维束的断裂强力随捻度的变化图

（A′、B′、C′、D′、E′的线密度分别为84.74tex、69.72tex、58.08tex、49.30tex、52.50tex）

图2 TLCP纤维束在最佳捻度的断裂强力随线密度变化图

图2为TLCP束纤维在各自最佳捻度的断裂强力随线密度的变化曲线，这里的最佳捻度指纤维束在此捻度的断裂强力或强度最大。不同线密度的TLCP纤维在各自最佳捻度的力学性能见表1。由图2可知，随线密度的增加断裂强力逐渐增大，这与图1的结论一致。由表1可知不同的线密度其最佳捻度也不同；并且强度呈先增大后减小趋势；对于TLCP纤维束而言，线密度为52.50tex，捻度为130Tm时，我们制备的TLCP初生纤维的强度最大为9.14cN/dtex。

表1 TLCP纤维束在最佳捻度的力学性能

2.2单纤维的力学性能

未加捻TLCP单纤维的力学性能见表2，图3给出了未加捻TLCP单纤维断裂强力随线密度的变化曲线。由图3可以看出，与TLCP纤维束随线密度变化类似，单纤维断裂强力也随线密度的增大呈线性增长。对于未加捻的TLCP单纤维而言，当其线密度为1.394tex时，强度最大为11.3cN/dtex。

图3 未加捻TLCP单纤维断裂强力随线密度变化图

表2 未加捻TLCP单纤维的力学性能

从前面的分析可知，TLCP纤维束随捻度的增加断裂强力均呈先增大后减小的趋势，我们进一步研究了加捻对TLCP单纤维断裂力学性能的影响。表3列举了四种纤维分别在不加捻及加捻-退捻后的断裂强力和强度，四种纤维对应的是线密度分别为1.694tex、1.162tex、0.986tex、1.050tex。由表3可知，TLCP纤维在小捻度再退捻时的断裂强力最大。这可能是因为未加捻时TLCP纤维大分子链之间的空隙较大，大分子链未完全沿纤维轴取向；而加捻使TLCP纤维分子链之间更加紧密、空隙减小，从而增加了大分子链沿纤维轴取向，使断裂强力较未加捻的要大。但当捻度增大时，部分大分子链受到损伤，同时部分大分子链的取向又偏离纤维轴，从而使得断裂强力减小。此外，由表3可知，不同细度的TLCP纤维，其捻度临界值不同。

表3 TLCP单纤维在不同捻度加捻退捻后的力学性能

3 结论

通过研究加捻作用对TLCP初生纤维力学性能影响，可以得出如下结论：

（1）对于TLCP纤维束而言，加捻对其力学性能影响很大，断裂强力随捻度的增大呈先增大后减小趋势；在最佳捻度时，其强度随线密度的增加呈先增大后减小趋势；当线密度为52.50tex，捻度为130Tm时，TLCP纤维的强度最大为9.14cN/dtex。

（2）对于TLCP单纤维而言，加一定的捻度能够增强其断裂强力，当超过捻度临界值时，由于加捻对纤维大分子链造成破坏，断裂强力反而减小。未加捻的纤维，断裂强力也随线密度增大而增大，当线密度为1.394tex时，强度最大为11.3cN/dtex。

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[10]李栋高．纤维材料学[M]．北京：中国纺织出版社，2006．

Effects of Twisting on the Tensile Properties of Thermotropic Liquid-Crystal Polyarylate As-spun Fiber

SHI Wei-li1, CAI Mian1,WANG Xiao-jun1, WANG Luo-xin1, WANG Hua1,2

(1 School of Materials Science &Engineering, Wuhan Textile University,Wuhan Hubei 430073,China; 2 The Research Institute of Textile Science in Sichuan Province, Chengdu Sichuan 610072, China)

Thermotropic liquid-crystalline polyarylate (TLCP) has many excellent characteristics such as high strength, high modulus, low viscosity, easy processetc. because of its special chemical structure. The good mechanical properties of TLCP fiber make it a suitable material for textile applications. In this work, we explored the influence of twisting on the mechanical properties of TLCP as-spin fiber. Results showed that the tensile properties of the fiber were obviously influenced by the twisting. The strength of TLCP fiber bunch was found to first increase, and then decrease, with increasing the twist. When the linear density of the TLCP fiber bunch is 52.50 tex and the twist is 130Tm, the maximum strength of the fiber bunch is 9.14 cN/dtex. When the linear density of non-twisting single fiber is 1.39 tex, the maximum strength of the single fiber is 11.3cN/dtex.

TLCP Fiber ; Twisting ; Tensile Properties ; Intensity ; Breaking Strength

TQ342

A

1009－5160(2012)03－0017－04

中国纺织工业协会科技指导性项目（2011017）.

*通讯作者：王罗新（1971-），男，博士，副教授，研究方向：高性能纤维.