PET／PTT和PET／PBT复合纤维的性能

郭 静，于 春 芳，牟 思 阳，张 丽，管 福 成，刘 元 法，张 森

（大连工业大学 纺织与材料工程学院，辽宁 大连 116034）

0 引 言

PTT（聚对苯二甲酸丙二醇酯）作为一种新型芳香族线型聚酯纤维原料［1］，因多方面性能优异而被广泛关注和研究［2－4］，其与芳香族线型聚酯PBT（聚对苯二甲酸丁二醇酯）、PET（聚对苯二甲酸乙二 醇酯）［5－6］相互之间的对比研究［7－9］也有很多。研究发现，三者之间的性能有显著差异［10］，可以通过三者之间的复合纺丝获得新型功能纤维［11］。陈四海［12］、罗锦［13］等分别研究了PET／PTT 复合纤维的拉伸和断裂行为及卷曲特性，发现热处理后的卷曲形态结构改变很大，卷取环的尺寸更加紧凑。但鲜见对于PET／PTT 和PET／PBT 复合纤维的对比研究报道［14］。作者通过对PET／PTT 和PET／PBT 2种相同线密度复合纤维的热收缩率、卷曲收缩率、卷曲模量、卷曲稳定度、断裂强度、上染百分率等指标进行测试分析，比较了2种复合纤维间的性能差异，旨在为芳香线型聚酯复合纤维的进一步开发和应用提供借鉴。

1 试 验

1.1 试 样

PET／PTT 复合纤维：86.8dtex／36f，自制。PET／PBT 复合纤维：86dtex／36f，自制。

1.2 热收缩率的测定

参照GB／T 6505—2001《合成纤维长丝热收缩率试验方法》进行测试。热收缩率按式（1）计算。

式中：S为热收缩率，%；L0为试样的热处理前长度，mm；L1为试样的热处理后长度，mm。

1.3 卷曲性能的测定

1.3.1 卷缩性能测试

测试采用的丝束为绞丝，绞丝缠绕标准为总线密度2 500dtex左右，采用100 ℃的沸水热处理30 min，自然干燥24h 后测试。参照GB／T 6506—2001《合成纤维变形丝卷缩性能试验方法》进行测试。将绞丝在0.20cN／dtex的张力下，持续10s 后测量长度Lg；改变负荷，使张力为0.001cN／dtex，持续10min后测量绞丝长度Lz；改变负荷，使张力变为0.01cN／dtex，持续10s后测量绞丝长度Lf；改变负荷，使绞丝承受1.0cN／dtex的张力，持续10s后，将绞丝所承受的负荷减至0.001cN／dtex，再持续20min，测量绞丝长度Lb。卷曲收缩率（CC）、卷曲模量（CM）、卷曲稳定度（CS）为测试指标。卷曲收缩率、卷曲模量、卷曲稳定度分别按式（2），（3），（4）计算。

CC＝（Lg－Lz）／Lg×100% （2）CM＝（Lg－Lf）／Lg×100% （3）CS＝（Lg－Lb）／（Lg－Lz）×100% （4）

1.3.2 卷缩伸长率和卷缩弹性回复率测试

从每个已经剥去表层丝的卷装丝上分别剪取长度约50cm 的试样2根，放入100℃热水中处理30min，取出后进行自然干燥。截取每根约30cm长的试样，一端固定，另一端加载0.001 8cN／dtex的负荷，持续30s，在20cm 处作标记，即为试样的初始长度L1。改变负荷为0.09cN／dtex的负荷，持续30s，测量标记点的位置，即为试样加重负荷时的长度L2。去掉重负荷，试样无负荷回缩2min后再加0.001 8cN／dtex的负荷，持续30s，测量标记点再标尺上的位置，即为恢复长度L3。紧缩伸长率（CE）和弹性恢复率（SR）为测试指标。紧缩伸长率和弹性恢复率分别按式（5），（6）计算。

1.4 卷曲形态的测试

采用北京创格科技集团生产的SZ66型连续变倍体视光学显微镜对纤维卷曲形态进行观察。

1.5 力学性能的测试

采用中国莱州市电子仪器有限公司制造的YG061型电子单纱强力试验仪，隔距250mm，拉伸速度50mm／min。每组复合纤维随机取样，重复测试20次，实验数据取平均值。

1.6 染色性能的测试

用分散黄染料（纤维质量的0.05%）对复合纤维（4g）进行染色，染液为300mL，加有扩散剂NNO 1g／L、磷酸二氢铵2g／L，其中200mL 用于染色，另100 mL 用于测试。染色过程中染液加热至沸腾持续60min，并随时补加适量的水以保证浴比不变。染色完后采用721型分光光度计于最大吸收波长处测染液前后的光密度A1，A2，上染率（F）按式（7）计算。

2 结果与讨论

2.1 热收缩性能

由表1 可知，PET／PTT 和PET／PBT 复 合纤维经干热处理，收缩率都随温度的升高而升高。这是由于随着温度的升高，复合纤维中分子链运动加剧，更多的分子链由有序向无序状态发展，解取向增加，纤维的形变增加，收缩率也随之提高。但是在同一温度时，PET／PTT 复合纤维的收缩率明显高于PET／PBT 复合纤维，这主要是在复合纤维制备过程中，由于每个链段上亚甲基数量少的优势，PTT 分子链的柔性小于PBT，PTT 分子链向结晶表面扩散和排列的速度慢于PBT，导致PET／PTT 复合纤维的整体结晶度低于PET／PBT，而结晶度越低，在同一温度时，发生解取向的分子链越多，体系的收缩率也就越高。

表1 不同热处理条件下PET／PTT 和PET／PBT 复合纤维的收缩率Tab.1 The shrinkage of PET／PTT and PET／PBT bicomponent filaments after different heat treatment

此外，从表1 中还可以看出经过沸水处理PET／PTT 复合纤维的收缩率要大大高于PET／PBT 复合纤维，这说明PET／PTT 复合纤维的收缩率对水的敏感性要强于PET／PBT 复合纤维。这是因为PET／PTT 复合纤维结晶度低于PET／PBT 复合纤维，水分子能更好地渗透到PET／PTT 复合纤维内部，对其润胀，使更多的大分子链发生解取。

2.2 卷曲性能

由表2可知，2种复合纤维在热处理前，卷曲收缩率、卷曲模量、紧缩伸长率都很小，说明纤维卷曲小，这是因为复合纤维在热处理前两组分的热收缩差异没有充分体现，收缩力矩不足以带动收缩率小的组分发生卷曲。由表2 还可见，2 种复合纤维经热处理后，卷曲收缩率、卷曲模量、紧缩伸长率、卷曲稳定度、弹性恢复率均有提高，表明经过热处理后，复合纤维的卷曲势能大量释放，卷曲进一步显现，卷曲性能大幅度提升。

表2 PET／PTT 和PET／PBT 复合纤维的卷曲性能Tab.2 The crimp property of PET／PTT and PET／PBT bicomponent filaments before and after heat treatment %

此外，对比两复合纤维经热处理后的卷曲性能发现，PET／PTT 复合纤维的卷曲收缩率、卷曲模量、卷曲稳定度、紧缩伸长率和弹性恢复率都比PET／PBT 复合纤维要高，这说明PET／PTT 复合纤维的卷曲性能比PET／PBT 复合纤维要好。在PTT 大分子中，每个链节有3 个亚甲基，大分子链之间会产生“奇碳效应”，使苯环不能与3个亚甲基处于同一平面，临近2个羰基不能呈180°平面排列，只能以空间120°错开，由此使分子链形成特殊的“Z”形弹簧结构［15］。当PPT 与PET复合之后，PTT 组分在一定程度上保留了这种弹簧结构，这使得PET／PTT 复合纤维具有更好的卷曲性能，所以PET／PTT 复合纤维的卷曲性能比PET／PBT 复合纤维要好。

2.3 卷曲形态

由图1可见，在沸水处理前，两种复合纤维的卷曲大而稀疏，但是PET／PTT 复合纤维的卷曲形态稍微比PET／PBT 复合纤维细和稠密一点，而经沸水处理后，2种复合纤维的卷曲形态发生了很大的变化，卷曲充分显现，变得很细很稠密，可见PET／PTT 复合纤维的卷曲形态要比PET／PBT 复合纤维更细、更稠密，这在一定程度上说明并再一次验证了PET／PTT 复合纤维的卷曲性能要优于PET／PBT 复合纤维。

图1 PET／PTT 和PET／PBT 复合纤维沸水处理前后的卷曲形态Fig.1 The crimp morphology of PET／PTT and PET／PBT bicomponent filaments before and after boiling water treatment

2.4 力学性能

由表3数据可以发现2种复合纤维的断裂伸长率相差不大。对于PET／PTT 复合纤维来说，当其被拉伸时，僵硬的PET 分子直链结构以及横向连接键受到较大的变形而使PET 组分首先断裂，断裂后全部应力瞬间转移到PTT 组分上，由于巨大冲击力的作用，PTT 组分瞬间发生断裂，从而导致整个PET／PTT 复合纤维的断裂，此时PTT 大分子链没伸展完全，因此可以看出PTT组分对于复合纤维整体断裂伸长率影响不大，起决定作用的属于PET 组分。同样，PET／PBT 复合纤维中的PBT 组分也是如此，对断裂伸长率没多大影响，起决定作用的还是PET 组分。综上所述，PET／PTT 复合纤维的断裂伸长 率 与PET／PBT复合纤维相比不会有很大的差别。

表3 PET／PTT 和PET／PBT 复合纤维的力学性能Tab.3 The mechanical property of PET／PTT and PET／PBT bicomponent filaments

从表3中还可以看出，PET／PTT 复合纤维的断裂强度高于PET／PBT 复合纤维，这是由于复合纤维两组分间的大分子链存在横向连接键，它能使PET 组分承受的应力值增大，而PET 组分决定着复合纤维的断裂，因此横向连接键强度越大，复合纤维的断裂强度越高，而PET／PTT 复合纤维两组分间大分子链的横向连接键强度要高于PET／PBT 复合纤维，所以PET／PTT 复合纤维的断裂强度高于PET／PBT 复合纤维。其中PET／PTT 复合纤维两组分间大分子链的横向连接键强度要高于PET／PBT 复合纤维，是因为在复合纤维制备过程当中，两组分的特性黏度相差越小横向连接键就越容易形成，强度就越高，而PET，PTT，PBT 的特性黏度分别为0.5，1.02，1.2dL／g。很明显，PET／PTT 复合纤维两组分的特性黏度差值要小于PET／PBT 复合纤维。

2.5 染色性能

分散染料与聚酯纤维分子之间主要靠范德华力吸引而相结合，实现上染的先决条件是聚酯纤维分子间的微隙，当空穴的体积与染料分子的大小相当或超过染料体积时，染料才能向纤维内部扩散［16］，因此当空穴的体积越大、数量越多，纤维分子与染料结合概率越大，上染率也就越高。

通过染色性能测试得出，PET／PTT 复合纤维的上染率为88.12%，PET／PBT 复合纤维的上染率为88.51%，即PET／PBT 复合纤维的上染率高于PET／PTT 复合纤维。这是因为当温度升高时，纤维中分子链段运动变得激烈，自由体积增大，空穴变大，数量增多；而PBT 分子链因柔性优势其运动要比PTT 分子链更剧烈，这就使得PET／PBT 复合纤维比PET／PTT 复合纤维中空穴的体积要大，数量要多，因此PET／PBT 复合纤维的上染率要高于PET／PTT 复合纤维。

3 结 论

研究结果表明，无论是干热处理还是沸水处理，PET／PTT 复合纤维的收缩率都高于PET／PBT 复合纤维，而PET／PTT 复合纤维的收缩率对水的敏感性强于PET／PBT 复合纤维；PET／PTT 复合纤维的整体卷曲性能及断裂强度优于PET／PBT 复合纤维，但是2 种复合纤维的断裂伸长率相差不大；同时，PET／PBT 复合纤维的染色性能更优于PET／PTT 复合纤维。

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