PES/PA6的共混纺丝及其性能研究

刘政杰，张天骄*，包建文

(1.北京服装学院服装材料研究开发与评价北京市重点实验室，北京100029;2.北京航空材料研究院先进复合材料国防科技重点实验室，北京100095)

聚醚砜(PES)是一种耐热性极佳的热塑性无定形聚合物［1］，其结构中硫原子处于最高氧化态，砜基团处于较高的对位共振态，分子中醚键允许相邻链段旋转运动，决定了PES纤维具有许多优良性能。随着航空航天用复合材料的快速发展，对PES纤维的需求量越来越大，要求也越来越高，所以进一步研究性能优异的PES纤维具有重要的意义［2］。目前，PES纤维的制备主要有以下3种方式:静电纺丝、湿法纺丝和熔融纺丝。静电纺丝法［3］产量不高，满足不了大批量的需求;湿纺丝法［4－5］工艺比较复杂，加工成本高，对溶剂的选择和后处理比较繁琐，溶剂回收困难;熔融纺丝法［6－8］纺丝温度高，组件清理麻烦，对设备等各方面要求高，且纤维线密度一般大于6 dtex，限制了其应用开发。因此，需寻找一种适合的方法来制备PES纤维。作者将PES和聚酰胺6(PA6)按不同的质量比进行共混纺丝，以改善PES纤维的可纺性，从而制备出满足市场需求的PES纤维。

1 实验

1.1 原料

PES树脂:德国BASF公司产;PA6切片:岳阳巴陵石化化纤有限公司产。

1.2 设备与仪器

纺丝机组和小型卷绕机:纺丝温度0～400℃，卷绕速度0～1 000 m/min，自制;DZF-6050型真空干燥箱:上海一恒科学仪器有限公司制。

DSC6200热分析仪、TG/DTA6300热重分析仪:Selko Instruments Ino公司制;XNR-450熔体流动速率仪:长春市月明小型试验机有限责任公司制。

1.3 熔融纺丝及卷绕

将不同质量比PES/PA6共混物混匀后，在自制纺丝组件中经过喷丝孔(36孔、孔径0.7 mm)挤出成丝，并在不同卷绕速度下进行卷绕。

1.4 测试

热性能:采用差示扫描量热(DSC)仪及热失重(TG)分析仪测试。DSC:升温速率20℃/min，氮气气氛，流量20 mL/min;TG:升温速率10℃/min，氮气气氛，流量200 mL/min。

熔体流动指数(MFI):将不同质量比的PES/PA6共混物掺混均匀，在2.16 kg的载荷下，分别在300，310，320℃下通过直径2 mm的口模进行熔融共混挤出，测定MFI。

力学性能:采用HD021N型电子单纱强力仪进行测试。强力为0～200 cN;拉伸速度为500 mm/min。

2 结果与讨论

2.1 原料热性能分析

从图1可以看出，PES是一种无定型材料，不结晶，无熔点，玻璃化转变温度(Tg)为228.1℃，起始热分解温度为537.5℃。PA6的 Tg为47.9℃，熔融温度为221.4℃，起始分解温度为424.7℃，相比于PES，其热稳定性略差。

图1 PES和PA的DSC曲线和TG曲线Fig.1 DSC and TG curves of PES and PA

2.2 PES/PA6共混物的MFI

由表1可以看出:与纯 PES相比，PES/PA6共混物熔体黏度减小，熔体流动性明显改善，MFI显著提高;相同温度下，PA6含量增加，PES/PA6共混物的MFI增大，熔体黏度减小，流动性显著改善;mPES/mPA6相同时，PES/PA6共混物的MFI随着温度的增加而显著增大，熔体流动性增大。

表1 PES/PA6共混物在不同mPES/mPA6和温度下的MFITab.1 MFI of PES/PA6 blends at different mPES/mPA6and temperatures

2.3 PES/PA6共混纤维的热稳定性

由表2可看出，不同组成比PES/PA6共混纤维的起始热分解温度差别不大，都在400℃以上，但与纯PES树脂相比，起始热分解温度降低了很多。故在后续的加工和使用中应对此有所考虑。

表2 不同mPES/mPA6PES/PA6共混纤维的TG测试结果Tab.2 TG results of PES/PA6 blend fibers at different mPES/mPA6

2.4 PES/PA6共混物的纺丝工艺

2.4.1 纺丝温度

PES树脂为假塑性流体，其熔体黏度对温度和剪切速率较敏感，单独熔融纺丝时，可通过温度和螺杆的剪切作用来调节熔体黏度［9－10］。

由表3可见，与纯PES熔融纺丝相比，PES/PA6共混物共混纺丝的纺丝温度要低很多，说明PA6的加入显著地提高了PES的熔体流动性，降低了熔体黏度，改善了PES纤维的可纺性。在不同的组成比条件下，PES/PA6共混物在合适纺丝温度范围内都可以顺利纺丝，有比较好的可纺性，并且可以在合适的纺丝速度下进行卷绕。

表3 PES/PA6共混物在不同mPES/mPA6下的纺丝温度Tab.3 Spinning temperature of PES/PA6 blends at different mPES/mPA6

2.4.2 卷绕速度

纺丝速度的提高使初生纤维中分子链的取向性提高，降低了纤维的可拉伸性，同时线密度减小。但是，如果纺丝速度过高，熔体的不稳定流动加剧，导致挤出的细丝表面呈粗糙、扭曲和畸变，极易断裂，使纺丝无法正常进行。

由表4可见，随着PA6含量提高，卷绕速度范围呈增大趋势，说明其可纺性随PA6含量的提高而变好，但在PES含量高的情况下，卷绕速度还是相对比较低。由于共混纺丝的目的是改善PES的可纺性，因此还需要进一步研究以PES为主成分的PES/PA6共混物的合适纺丝速度。

表4 PES/PA6共混物在不同mPES/mPA6下的卷绕速度Tab.4 Winding speed of PES/PA6 blends at different mPES/mPA6

2.5 PES/PA6共混纤维的力学性能

由表5可以看出，对于不同质量比的PES/PA6共混纤维，PES含量越高，拉伸丝力学性能越差。总体上，PES/PA6共混纤维的断裂强度不高，最大值为2.25 cN/dtex，这可能是由于PES本身是没有结晶能力的聚合物，拉伸后发生取向的同时，并不像聚酯等常见纤维一样发生相态的变化，而且受到拉伸设备的限制，目前所能达到的拉伸效果还不理想。

表5 不同mPES/mPA6PES/PA6共混纤维的力学性能Tab.5 Mechanical properties of PES/PA6 blend fibers at different mPES/mPA6

3 结论

a.与纯PES相比，PES/PA6共混物的熔体流动性显著提高，熔体黏度大大降低。

b.PES/PA6共混物具有较好的可纺性，相比纯PES，纺丝温度大大降低;PES/PA6质量比为70/30～30/70，共混物的纺丝温度为320～340℃，卷绕速度为100～400 m/min。

c.PES/PA6共混纤维的起始热分解温度与纯PES相比有所下降。随着共混纤维中PES含量的增加，力学性能越差。

［1］ 吴忠文.特种工程塑料聚醚砜、聚醚醚酮树脂国内外研究、开发和生产现状［J］.化工新型材料，2002，3(6):15 －18.

［2］ 罗益锋.高科技纤维的重要应用领域［J］.高科技纤维与应用，2002(5):l－3.

［3］ 朱丹丹，李从举，李小宁，等.聚醚砜电纺纳米纤维结构与形态的研究［J］.云南大学学报:自然科学版，2005，27(3A):231－233.

［4］ 朱思君，段友容，梅勇，等.聚醚砜中空纤维膜的制备［J］.合成纤维工业，2005，28(3):22 －24.

［5］ 于湉，王海涛，杜启云，等.聚醚砜中空纤维膜工艺研究的进展［J］.天津工业大学学报，2008，27(3):100－104.

［6］ 张淑梅，张天骄.聚醚砜纤维及织物性能研究［J］.合成纤维工业，2007，30(1):34 －36.

［7］ 张天骄，邹黎光，张丽娜，等.熔融法纺制聚醚砜纤维的探索研究［J］.合成技术及应用，2005，20(4):5 －9.

［8］ 张丽娜，张天骄.熔融法纺制聚醚砜纤维的研究［D］.北京:北京服装学院，2006.

［9］ Retolaza A，Eguiazabal J I，Nazabal J.Compatibility in immiscible polysulfone/poly(ethyleneterephthalate)blends［J］.J Appl Polym Sci，2004，93(5):2193 －2200.

［10］Ismail A F，Lau W J.Theoretical studies on structural and electrical properties of PES/SPEEK blend nanofiltration membrane［J］.AIChE J，2009，55(8):2081 － 2093.