高强低伸型涤纶工业丝的制备及力学性能研究

杨志超，陈文兴，温国奇，石教学*，张先明，张德慧，曾卫卫，高亚辉，乔莎莎

(1.浙江古纤道新材料股份有限公司,浙江 绍兴 312071; 2.浙江理工大学, 浙江 杭州 310018; 3.浙江古纤道绿色纤维有限公司,浙江 绍兴 312071)

高强低伸型涤纶工业丝的制备及力学性能研究

杨志超1，陈文兴2，温国奇1，石教学1*，张先明2，张德慧3，曾卫卫1，高亚辉3，乔莎莎1

(1.浙江古纤道新材料股份有限公司,浙江 绍兴 312071; 2.浙江理工大学, 浙江 杭州 310018; 3.浙江古纤道绿色纤维有限公司,浙江 绍兴 312071)

通过高倍拉伸、低温紧张热定型的工艺路线制备了高强低伸型涤纶工业丝，研究了其力学性能。结果表明：选择纺丝温度295 ℃，喷丝头拉伸比54.5，总拉伸倍数6.14，热定型温度180 ℃，卷绕速度2 700 m/min，制备的高强低伸型涤纶工业丝断裂强度为8.55 cN/dtex，断裂伸长率为12.7%，达到了GB/T 16604—2008的超高强涤纶工业丝优等品质量要求；高强低伸型涤纶工业丝蠕变断裂时间与载荷呈现负相关关系，随着载荷的增加，蠕变断裂时间缩短；当载荷为断裂强度的30%～89%时，断裂时间和加载频率呈指数关系，当加载频率低至0.01 Hz时，断裂时间达到385.69 h。

聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维 高强低伸型工业丝 蠕变性能 疲劳特性 力学性能

涤纶工业丝是一种性能优异、性价比高的产业用纤维，被广泛应用于绳、缆、带、索、骨架材料、浸胶线绳等领域。高强低伸型涤纶工业丝是为特定用途而开发的品种，与现行标准GB/T 16604—2008涤纶工业丝中的超高强型涤纶工业丝(断裂强度大于等于8.2 cN/dtex,断裂伸长率13%～15%)相比，具有更高的断裂强度和更低的断裂伸长率，其断裂强度大于等于8.4 cN/dtex，断裂伸长率为10%～13%，因此赋予了此种纤维更高的初始模量和更好的抗蠕变性能，常常应用于土工格栅、系泊绳索等。

作者制备了高强低伸型涤纶工业丝，研究了高强低伸型涤纶工业丝的静态力学性能、蠕变性能以及疲劳特性，模拟系缆过程中所受的往复拉伸，为船缆设计提供参考。

1 实验

1.1 原料

精对苯二甲酸(PTA)：工业级，宁波逸盛石化有限公司产；乙二醇(EG)：工业级，扬子巴斯夫石化公司产；乙二醇锑：工业级，广西华凯精细化工有限公司产；纺丝油剂：自制。

1.2 仪器

YG086型缕纱测长仪：常州纺织仪器厂有限公司制；Instron3344型强伸仪：美国Instron公司制；LYRL-500N型纤维材料疲劳测试仪：自制。

1.3 高强低伸型涤纶工业丝的制备

将PTA、EG、乙二醇锑经五釜聚合装置聚合成低黏度(特性黏数为0.68 dL/g)聚酯熔体后，输送至液相增黏反应器进行缩聚，得到高黏度(特性黏数为1.05 dL/g)熔体，经计量挤出、纺丝、冷却、上油、拉伸热定型后卷绕成形，得到高强低伸型涤纶工业丝。纺丝拉伸工艺参数：纺丝头数为6，纺丝温度295 ℃，泵供量370 mL/min，喷丝头拉伸比为54.5，总拉伸倍数为6.14，热定型温度为180 ℃，总松弛率为3.4%，卷绕速度为2 700 m/min。

1.4 性能测试

强伸性能：按GB/T 14343—2008《化学纤维长丝线密度试验方法》测试纤维的线密度；按GB/T 16604—2008《涤纶工业长丝》测试纤维的断裂强度、断裂伸长率。

蠕变断裂性能：使用Instron3344型强伸仪，测试不同载荷下的蠕变断裂时间(tf)。

动态力学性能：使用LYRL-500N型纤维材料疲劳测试仪测试不同加载范围、加载频率下的断裂循环次数。试样夹持长度为(300±2)mm,预紧张力(0.044±0.009)cN/dtex，拉伸速度100 mm/min。测试温度20 ℃，相对湿度60%。

2 结果与讨论

2.1 高强低伸型涤纶工业丝的力学性能

GB/T 16604—2008涤纶工业长丝标准中规定超高强涤纶工业丝优等品断裂强度大于等于8.20 cN/dtex，断裂伸长率11%～17%。由表1可以看出，高强低伸型涤纶工业丝的断裂强度为8.55 cN/dtex，断裂伸长率为12.7%，说明采用高倍拉伸、低温紧张热定型、总松弛过程仅在热辊和卷绕头之间的工艺切实可行，制备的高强低伸型涤纶工业丝达到了GB/T 16604—2008优等品的质量要求。

表1 高强低伸型涤纶工业丝的力学性能Tab.1 Mechanical properties of high-strength low-elongation polyester industrial yarn

2.2 强伸性能

涤纶工业丝经高倍拉伸、热定型后，分子结构中形成了晶区和非晶区[1]。高强低伸型涤纶工业丝在拉伸过程中的行为表现与其结构在拉伸过程中所发生的变化相关[2]。聚酯纤维拉伸过程中的形变可分为3种[3-4]：(1)急弹性形变，来自纤维大分子中键角、键长的变化，瞬时发生，瞬时恢复；(2)缓弹性形变，来自外力作用下纤维大分子构象的变化以及基于这一变化的大分子重排；(3)塑性形变，来自外力作用下纤维大分子链之间不可逆的相对滑移。

由图1可以看出：自O′至O为纤维的伸直张紧过程；自O至M，曲线基本为直线段，表示纤维发生的是导致强力与伸长间呈直线相关的胡克形变，纤维中主要发生了分子内或分子间键角键长的变形，主要为急弹性形变；自M至Q为强力与伸长关系进入非直线相关阶段，表明纤维中非晶区内大分子链开始发生构象的变化，链与链之间的关系改变，主要为缓弹性形变；自Q至S，Q点称为屈服点，自Q点开始，原存在于分子内或分子间的氢键等次价力联系开始破坏，首先非晶区中大分子发生错位滑移，所以，这一阶段伸长增长快于强力；自S至A，随拉伸的进行，错位滑移的分子基本伸直平行，并可能在伸直的分子链间创造形成新次价力的机会，同时，纤维的结晶区也开始被破坏，拉断结晶区与非晶区中分子间的联系，需要较大外力，所以这一阶段强力上升很快，到A点，纤维断裂。PET纤维在拉伸过程的每个阶段，3种形变同时发生，但其相对比例依具体条件不同而变化[5]。

图1 高强低伸型涤纶工业丝的强伸曲线Fig.1 Strength-elongation curve of high-strength low-elongation polyester industrial yarn

2.3 蠕变断裂性能

蠕变是指在一定的温度和较小的外力作用下，材料的形变随时间的增加而逐渐增大的现象。纤维的形变主要来自于两方面：一是来自分子或分子链本身的伸长；二是分子链的伸直及其取向的改善以及大分子在结晶区中的被抽拔。这些变化都会伴生分子链间的相对滑移，但这种滑移现象并非瞬时就能完成，因为有黏流的性质，滑移实际上在外力作用的整个时间内都在进行，外力作用的时间越长，相对滑移的程度就越大，纤维的蠕变越充分[6-7]。由表2可以看出，随着载荷增加，高强低伸型涤纶工业丝的tf变短。

表2 不同载荷下高强低伸型涤纶工业丝的tfTab.2 tf of high-strength low-elongation polyester industrial yarn under different load

图2拟合曲线的斜率反应了纤维tf随加载载荷的变化关系，其拟合的曲线方程为：

y=-18.47x+ 17.12

(1)

曲线越陡峭，则表明纤维的抗冲击性能越差。这可能与纤维中结晶度较低导致的塑性形变区间小有关。

图2 纤维试样的tf与载荷的关系曲线Fig.2 Plot of tf versus load for fiber sample

2.4 周期载荷断裂性能

疲劳的受力形式就是不断“加负荷”和不断“去负荷”，即不断接受高变应力(应变)的作用。表征纤维疲劳特性的指标是耐久度或坚牢度，即指纤维能承受“加负荷、去负荷”反复循环的次数。由表3可知，在相同载荷范围下，加载频率提高为原来的10倍，断裂时间约增加50%；相同加载频率下，载荷上限不变时，随载荷范围增大，断裂时间明显增加。

表3 不同载荷和不同频率下纤维试样的断裂时间Tab.3 Fracture time of fiber samples under different load and frequency

这一现象的产生和纤维可以利用回缩的停顿使被破坏的分子间结合得到修补有关。由于反复施力是在低于断裂应力的水平下进行，同时每一次受力循环中都有回收和停顿等待缓弹性形变释放的过程。急弹性形变可以瞬间恢复，而缓弹性形变的回复需要时间，塑性形变不可恢复。所以，如果连续反复拉伸，急弹性形变、缓弹性形变部分逐渐减少，塑性形变逐渐累积。当纤维中不可恢复的形变逐渐累积到结构全部被破坏时，纤维即断裂。当加载频率越快或加载区间越窄时，留给缓弹性形变恢复的时间越短，纤维缓弹性形变来不及恢复时又进入下一个拉伸循环，逐渐转变为塑性形变，最终导致纤维断裂[8-10]。

从图3中的关系曲线可知，经过拟合，断裂时间和加载频率之间呈指数关系，见式(2)：

y=0.084x-1.9

(2)

纤维的坚牢度与纤维的弹性回复率、屈服应力和断裂强度有一定关系[11-12]。弹性回复率、屈服应力及断裂强度大且剩余形变小的纤维，坚牢度也大。当载荷小于一定值时，理论上甚至可以不出现疲劳损坏。图3表明，当加载频率低至0.01 Hz时，纤维断裂时间达到385.69 h。

图3 纤维试样的断裂时间和加载频率的关系曲线Fig.3 Plot of fracture time and load frequency for fiber samples载荷为断裂强度的30%～89%。

3 结论

a. 通过高倍率拉伸、低温紧张热定型的工艺路线制备了高强低伸型涤纶工业丝，断裂强度为8.55 cN/dtex，断裂伸长率12.7%。

b. 高强低伸型涤纶工业丝tf随着载荷的增加变短，则表明纤维的抗冲击性能较差。

c. 在载荷为断裂强度的30%～89%时，断裂时间和加载频率之间呈指数关系。当加载频率低至0.01 Hz时，断裂时间达到385.69 h。

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Preparation and mechanical properties of high-strength low-elongation polyester industrial yarn

Yang Zhichao1, Chen Wenxing2, Wen Guoqi1, Shi Jiaoxue1*,Zhang Xianming2, Zhang Dehui3, Zeng Weiwei1, Gao Yahui3, Qiao Shasha1

(1.Zhejiang Guxiandao Industrial Fibre Co.,Ltd, Shaoxing 312071; 2. Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018; 3. Zhejiang Guxiandao Polyester Dope Dyed Yarn Co.,Ltd, Shaoxing 312071))

A high-strength low-elongation polyester industrial yarn was prepared by high-ratio drawing and low-temperature heat setting under tension. The mechanical properties of the yarn were studied. The results showed that the high-strength low-elongation polyester industrial yarn could be produced with the breaking strength of 8.55 cN/dtex and elongation at break 12.7%, satisfying the top-quality standard requirement of ultrahigh-strength polyester industrial yarn according to GB/T 16604-2008, under the conditions as followed: spinning temperature 295 ℃, spinneret draft ratio 54.5, total draw ratio 6.14, heat setting temperature 180 ℃, winding speed 2 700 m/min; the creep fracture time showed a negative relation with the load of the high-strength low-elongation polyester industrial yarn; the creep fracture time was shortened with the increase of load; the fracture time showed an exponential relation with the load frequency as the load was 30%-89% of the breaking strength; and the fracture time reached 385.69 h when the load frequency was as low as 0.01 Hz.

polyethylene terephthalate fiber; high-strength low-elongation industrial yarn; creep property; fatigue property; mechanical properties

2017- 04-22； 修改稿收到日期：2017- 06-19。

杨志超(1971—)，男，工程师，主要从事聚酯及涤纶工业丝生产管控、新产品开发等方面的工作。E-mail：yangzhichao@guxiandao.com。

国家重点研发计划项目(2016YFB0303000)。

TQ342+.21

A

1001- 0041(2017)04- 0001- 04

*通讯联系人。E-mail：shijiaoxue08@163.com。