PVDF黏度对疏水阻燃改性PET纤维性能的影响

2014-03-19丁致家高晓东

合成纤维工业 2014年3期

丁致家，齐鲁，高晓东，颜冬

(1.天津工业大学生物与纺织材料研究所，天津300160;2.波司登股份有限公司博士后工作站，江苏常熟215532)

随着社会的进步，人们对纺织品的功能性要求越来越高。聚酯(PET)纤维由于其自身结构上的特点，其端羟基的存在使得其易吸湿，且PET存在易燃和易熔滴缺点，对PET纤维改性赋予其疏水及阻燃性能为目前研究的热点［1－6］。作者在前期工作中确定了芯层和皮层芳基聚磷三酯(G-77)阻燃剂的含量，保证了 PET纤维的阻燃性［7－8］;本实验对皮层添加了不同黏度的聚偏氟乙烯(PVDF)，发现PVDF对PET造粒黏度有增大作用，其在赋予PET纤维疏水性能的同时改善了纤维的燃烧性能，熔滴减少，极限氧指数(LOI)也有一定提高。

1 实验

1.1 原料与仪器

PET:中国石化仪征化纤股份有限公司产;G-77阻燃剂:济南三江阻燃剂有限公司产;PVDF: PVDF-A的旋转黏度为500 mPa·s，PVDF-B的旋转黏度为200 mPa·s，上海东氟化工科技有限公司;钛酸酯类偶联剂:仪征天扬化工有限公司产;丙烯酸酯接枝聚烯烃弹性体:相容剂，自制。

SHR-25A型高速混合机:张家港海滨机械有限公司制;双螺杆挤出造粒试验机:南京达力特挤出机械有限公司制;PT450C型注塑机:力劲集团制;纺丝试验机:大连华纶化纤工程有限公司制; KV900I型牵伸机:山西同丰纤维机械有限公司制;FA/JA型电子天平:上海越平科学仪器有限公司制;JF-4型氧指数测定仪:南京市江宁区分析仪器厂制;CZF-6水平垂直燃烧测定仪:南京市江宁区分析仪器厂制;LLY-06BD型电子单纤维强力仪:莱州市电子仪器有限公司制;JC2000C2型接触角测量仪:上海中晨数字技术设备有限公司制;乌氏黏度计:上海正慧工贸有限公司制。

1.2 皮芯复合纤维的制备

在前期实验的基础上［8］，确定了芯层G-77阻燃剂质量分数为7.35%;皮层自制阻燃母粒/共聚阻燃母粒质量比为7/3，偶联剂/PVDF质量比为0.06，相容剂/PVDF质量比为0.03，其中自制阻燃母粒中G-77阻燃剂质量分数为7%。

将PET、G-77按配方量置于高速混合机中混匀，通过双螺杆挤出机造粒制得芯层纺丝切片。皮层的造粒先用PET和G-77按一定比例制得自制阻燃母粒，造粒条件与芯层料相同;再将自制阻燃母粒、共聚阻燃母粒、PVDF、G-77、自制相容剂以及助剂等混合造粒。

制得的皮、芯层聚酯切片分别通过真空干燥箱后，复合纺丝得到初生纤维，再经拉伸得到最终的皮芯复合PET纤维［8］。

1.3 性能测试

LOI:采用 GB/T2406.2—2009《塑料—用氧指数法测定燃烧性能》以及顶面点燃法的点火方式，通过氧指数测定仪对皮层料和芯层料样条进行测定。

燃烧性能:采用GB/T2408—2008《塑料—燃烧性能的测定》，垂直燃烧实验采用点火时间为10 s的方法，水平燃烧实验采用点火时间为30 s的方法，测试其燃烧性能。

黏度:采用GB/T 14190—2008《纤维级聚酯切片(PET)试验方法》，以苯酚/四氯乙烷(质量比50∶50)为溶剂，在25℃下，通过乌氏黏度计测试改性后PET原料的黏度。

力学性能:采用GB/T 14337—2008《化学纤维短纤维拉伸性能试验方法》，间隔长度20 mm，拉伸速度20 mm/min，通过单纤维强力仪测定皮芯复合多功能纤维的断裂强度和断裂伸长率。

疏水性能:采用JC2000C2型接触角测量仪测定改性PET纤维与水的接触角以表征其疏水性能，接触角越大，疏水性能越强。

2 结果与讨论

2.1 PVDF黏度对造粒的影响

造粒过程中，原料中 PET是主体成分。PVDF-B由于其黏度较PVDF-A小，流动性更好，与PET共混更均匀，在造粒中发现，其皮层料切片表面更光滑，造粒温度可以适当降低［9］。对比两种PVDF皮层造粒温度，PVDF-B造粒温度较PVDF-A的造粒温度低4℃。

2.2 PVDF黏度对阻燃性能的影响

从图1可以看出，随着PVDF添加量的增加，LOI有一定提高，但变化不大，PVDF/(PET+G-77)质量比从0.06提高到0.12，LOI仅提高1%。这说明PVDF对阻燃性能的提高有一定的促进作用，但效果有限。另外，图1中2条曲线几乎重合，说明PVDF黏度对PET的LOI影响很小。

图1 PVDF含量对皮层样条LOI的影响Fig.1 Effect of PVDF content on LOIof sheath sample

加入PVDF后，改性PET切片的流动性变差，在燃烧时熔滴会相应减少，滴落速度变慢，改善了PET的燃烧性能。测试了其水平垂直燃烧情况，结果见表1和表2。

表1 皮层样条水平燃烧实验数据Tab.1 Horizontal burning experimental data for sheath sam p le

表2 皮层样条垂直燃烧实验现象Tab.2 Vertical burning experimental data for sheath sam p le

从表1和表2可以看出，皮层料在PET中加入了阻燃剂和PVDF，水平燃烧余焰时间为0;相比于纯PET，垂直燃烧滴落物也较少，阻燃效果好;由于PVDF-A黏度大，流动性较PVDF-B小，其皮层熔滴更少，对熔滴改善更明显。

2.3 PVDF黏度对疏水性能的影响

从图2可以看出，在皮层改性PET中，PVDF/ (PET+G-77)的质量比由0.06增加到0.12的过程中，PET与水的接触角逐步增大，并且增大趋势趋于平缓。从图2还可以看出，PVDF-B改性PET的接触角较同质量比的PVDF-A的接触角要稍大。原因是PVDF-B其旋转黏度低，熔体流动指数较高，与PET相容性较好，混料均匀，皮层的流动性大大增强，纺丝时其在纤维中分布更均匀，疏水性能提高。

图2 PVDF含量对改性PET与水的接触角的影响Fig.2 Effect of PVDF content on water contact angle ofmodified PET

2.4 PVDF含量对纺丝的影响

由于PVDF及其他添加剂的加入，纺丝温度较纯PET纺丝温度降低。纺丝温度设定在265℃时，加入不同质量比的PVDF对改性PET纺丝压力的影响见图3。

图3 PVDF含量对纺丝压力的影响Fig.3 Effect of PVDF content on spinning pressure

从图3可以看出，随着PVDF/(PET+G-77)的质量比的增大，纺丝压力也增大。由于在PET中加入PVDF，在恒定纺丝温度下，共混聚合物熔体的黏度增大，且随着PVDF含量的增加，其黏度越大，在纺丝过程中的熔体压力会越大。由于皮层添加PVDF的原因，其压力会有所变化，而芯层由于配方不变，压力变化较小，故纺丝稳定性会随皮层PVDF含量变化有波动。当PVDF-A/(PET +G-77)质量比值大于0.08时，纺丝开始出现飘丝，后拉伸有毛丝，而当其质量比达到0.12时，易出现严重的滴料等现象，主要是PVDF-A黏度较大，流动性较小，可纺性较差，故PVDF/(PET+G-77)的质量比值应控制在0.08以内。在选用黏度较低的PVDF-B后，PVDF/(PET+G-77)的质量比可以提高到0.12，可纺性好。

2.5 PVDF含量对力学性能的影响

从表3可以看出，随着PVDF含量的增加，改性PET纤维的断裂强度逐渐降低，断裂伸长率也逐渐下降，表明纤维变脆。这是由于初生纤维中含有PVDF，在拉伸和热定型过程中，有可能形成分子间的物理交联点，并破坏了纤维分子结构，所以PVDF添加量越多，改性纤维力学性能越差。在PVDF-A/质量比达到0.09时，其断裂伸长率降低到13.0%，而黏度更低的PVDF-B在此配方下其伸长率为17.7%。PVDF-B质量比值增大到0.115时断裂伸长率也达到13.7%，力学性能较PVDF-A改性纤维好。同时，PVDF-B的改性纤维其测试值波动较小，较PVDF-A更加稳定。因此，采用PVDF-A二次造粒对皮层进行改性时，最终确定的较稳定皮层配方为自制阻燃母粒/共聚阻燃母粒质量比为7/3，PVDF-A的最大质量比为0.08。但是，由于PVDF(A黏度太大，造粒过程中熔体流动性较差，与PET的混合相容性不好，当其质量比增加到0.09后，纺丝质量不好，后期出现滴料，且在拉伸过程中出现毛丝。改用黏度更低的PVDF-B后，纺丝稳定性和纤维力学性能提高，质量比可增加到0.12。