喷丝头拉伸对聚甲醛纤维结构与性能的影响

金 旺，李建华

(1.开滦煤化工研发中心，河北 唐山 063611; 2.河北省煤基材料与化学品工程技术研究中心，河北 唐山 063018)

喷丝头拉伸对聚甲醛纤维结构与性能的影响

金 旺1,2，李建华1,2

(1.开滦煤化工研发中心，河北 唐山 063611; 2.河北省煤基材料与化学品工程技术研究中心，河北 唐山 063018)

采用自主开发的聚甲醛(POM)熔融纺丝设备，在其他纺丝工艺不变的条件下,改变喷丝头拉伸倍数,制备POM纤维；研究了喷丝头拉伸倍数对POM初生纤维的取向度、后拉伸性能以及POM纤维力学性能的影响。结果表明：随着喷丝头拉伸倍数的增大，POM初生纤维的取向度呈现先上升后下降的趋势，而初生纤维的直径呈逐渐减小的趋势；喷丝头拉伸倍数为90时，整体工艺状况最佳，POM初生纤维的最大拉伸倍数达7.1，制备的POM纤维断裂强度为6.35 cN/dtex，断裂伸长率为13.5%。

聚甲醛纤维 喷丝头拉伸 结构 性能

近年来，国内外众多科研院所及企业对聚甲醛(POM)的纺丝工艺进行了大量的研究工作，取得了一定的成果。东华大学、武汉纺织大学和四川大学等课题组各自制备出了一定强度的POM纤维。但是，公开发表的文献资料几乎都集中在分析POM切片的热性能和POM初生纤维后拉伸性能这些通常的领域，对于直接影响POM初生纤维成纤性能的喷丝头规格、熔体固化成形、喷丝头拉伸等未见相关报道[1-7]。作者从纺丝工艺源头出发，利用自主开发的POM熔融纺丝设备，制备出了一系列不同喷丝头拉伸倍数的POM初生纤维，研究了喷丝头拉伸倍数与POM初生纤维及POM纤维结构及性能之间的关系，为POM纤维的纺丝工艺优化提供基础数据。

1 实验

1.1 原料

POM切片：内部牌号K1s，纺丝级，自制；抗氧剂245、抗氧剂168：纯度大于90%，瑞士汽巴公司产；结晶调整剂：自制。

1.2 仪器及设备

熔融纺丝机：自制；ZK-1S真空干燥箱：天津中环实验电炉公司制；SHR-10A高速混合机：张家港华明公司制；SCY-IV声速取向仪：上海东华凯利公司制；YG086纤维测长仪：南通宏达机电厂制；YG023B纤维强力仪：常州华纺公司制；D2型X射线衍射仪：德国布鲁克公司制；Axiolab A1金相显微镜：卡尔·蔡司公司制；CPA324s分析天平：赛多利斯公司制。

1.3 POM纤维的制备

将干燥后的POM、抗氧剂245、抗氧剂168和结晶调整剂按照一定配比通过高速混合机混合均匀，通过真空加料的方式加入到纺丝挤出机的主加料斗中。熔融纺丝机预热3 h后，加入目标物料彻底清洗并用氮气保护，备用。固定POM熔体温度为215 ℃、喷丝板孔数72、侧吹风相对湿度72%、侧吹风温度23 ℃；分别按照喷丝头拉伸倍数为30，60，90，120，150，180来设定导丝辊(DR1)的转动速率，得到不同喷丝头拉伸倍数的POM初生纤维，然后将初生纤维经过拉伸辊GR2，GR3，GR4和GR5进行后拉伸和热定型，即可得到目标试样POM纤维。

1.4 分析与测试

声速取向因子(fs)：采用SCY-IV型声速取向仪测定。取1 m长纤维，将其一端固定在载荷50 g的砝码上，另外一端固定在标尺上，通过声速测量头分别测量20 cm及40 cm间距的声速值，取5次测量的平均值作为最终测试结果。利用公式(1)计算fs：

(1)

式中：Cu表示纤维在无规取向时的声速值，C表示纤维试样实际测出的声速值。

X射线衍线(XRD)分析：取一定量的POM纤维，均匀的平铺缠绕在试样架上，然后置于X射线衍射仪的试样室进行测试。测试条件为：采用Cu/Kα射线(波长为0.154 nm)，电压为40 kV、电流为40 mA，在2θ为5°～90°进行扫描，读取数据，扫描速度为5(°)/min。

表观形貌：采用Axiolab A1金相显微镜对纤维粗细进行观测。取一定量的纤维，将其分散在载玻片上，然后置于金相显微镜的载物台，选取适当的放大倍数观测纤维的表观形貌并拍照。

力学性能：采用YG023B纤维强力仪测试POM纤维的断裂强度和断裂伸长率。纤维夹持距离25 cm，拉伸速率50 mm/min。测试试样为5个，取其平均值。

2 结果与讨论

2.1 POM初生纤维的fs及表观形貌

从图1可以看出：随着喷丝头拉伸倍数的提高，POM初生纤维的fs呈现先升高后下降的趋势；喷丝头拉伸倍数在30～120时，初生纤维的fs均较高，喷丝头拉伸倍数为60时初生纤维fs达到最大值；喷丝头拉伸倍数为120～150时，初生纤维fs急剧下降，喷丝头拉伸倍数为150～180时，fs的降低趋于缓和，达到最小值。

这与理论上随着喷丝头拉伸倍数的增大，初生纤维fs随之增大的现象有所不同[8]。这是因为POM属高结晶聚合物，且结晶速度快，当熔融状态的POM熔体以一定的速率从喷丝板的细孔中喷出，遇到外界冷却气流后，熔体温度迅速降低至熔点以下，POM熔体的黏度快速增大并固化成形，在此过程中，若对其施加轴向上的作用力，则熔体细流就会沿着喷丝头拉伸方向发生晶体诱导排列，从而产生取向。但是，若喷丝头拉伸倍数过大，熔体细流自喷丝板喷出后，直径急剧变细，再加上与外界的较大温差作用，纺丝凝固点上移，熔体细流迅速固化成型，使得分子链运动被快速冻结，来不及沿着作用力方向发生较大的取向，从而造成喷丝头拉伸倍数提高，初生纤维的fs却下降的现象。

从图2可看出，随着喷丝头拉伸倍数的提高，POM初生纤维的直径呈现逐渐减小的趋势，这是因为喷丝头拉伸倍数提高，自喷丝板喷出后熔体在未接触到冷却侧吹风之前，仍然具有较好的流变性，熔体细流受到拉伸的作用发生形变而细化，从而造成最终纤维的直径变小。

图2 不同喷丝头拉伸倍数下POM初生纤维的表观形貌Fig.2 Surface morphology of as-spun POM fiber at different spinneret draft ratio

2.2 POM初生纤维的XRD分析

从图3可以看出：对POM初生纤维在2θ为23°附近的衍射峰进行单独处理，随着喷丝头拉伸倍数的增加，所对应的衍射特征峰强度先上升后降低；喷丝头拉伸倍数为30～60时，POM初生纤维的特征峰强度较高，喷丝头拉伸倍数为60时达到最大值；喷丝头拉伸倍数为90～150时，特征峰强度趋于降低，喷丝头拉伸倍数为180时达到最小值，整体的变化趋势与图1中不同喷丝头拉伸倍数下初生纤维fs的变化基本一致。这是因为高温熔融态的熔体细流从喷丝板喷出后，与外界环境进行热量交换，迅速地冷却固化并产生结晶作用，从而使2θ为23°附近的衍射峰强度增加，特别是喷丝头拉伸倍数在60时，在取向诱导结晶的作用下，衍射峰强度达到最高[9]。但是，当喷丝头拉伸倍数超过60后，初生纤维的直径下降较为显著，纺丝凝固点明显上移，熔体细流的冷却固化时间缩短，喷丝头拉伸倍数的取向作用不再产生显著的影响，从而使2θ为23°附近的衍射峰强度呈现出下降的趋势。

图3 不同喷丝头拉伸倍数下POM初生纤维的XRD图谱Fig.3 XRD images of as-spun POM fiber at different spinneret draft ratio1—喷丝头拉伸倍数30；2—喷丝头拉伸倍数60；3—喷丝头拉伸倍数90；4—喷丝头拉伸倍数120；5—喷丝头拉伸倍数150；6—喷丝头拉伸倍数180

2.3 POM初生纤维的后拉伸性能

熔体细流通过喷丝头拉伸后，形成的初生纤维具有较高的断裂伸长率，且初生纤维的拉伸强度较低，必须经过充分的后续拉伸才能达到使用要求。从表1可以看出，当喷丝头拉伸倍数为90时，POM初生纤维的最大拉伸倍数为7.1，得到的POM纤维断裂强度为6.35 cN/dtex，拉伸张力适中且无明显毛丝，整体工艺状况最佳。这是因为：当喷丝头拉伸倍数小于90时，POM初生纤维的fs较大且纤维直径较粗，不利于进行后拉伸，导致POM纤维断裂强度不高；当喷丝头拉伸倍数大于90后，虽然初生纤维的fs和结晶度都较低，但初生纤维的直径较小，不能承受后拉伸过程中的拉伸张力，容易发生拉伸断裂，从而导致POM纤维的最终强度较小。因此，当喷丝头拉伸倍数为90时，POM初生纤维的后拉伸性能最佳，经后拉伸得到的POM纤维力学性能最佳，纺丝张力适中且无明显毛丝。

表1 POM初生纤维最大拉伸倍数及POM纤维的力学性能Tab.1 Maximum draft ratio of as-spun POM fiber and mechanical properties of POM fiber

3 结论

a. 喷丝头拉伸对POM初生纤维的fs有着显著的影响，随着喷丝头拉伸倍数的增大，POM初生纤维的fs呈现先升高后下降的趋势，纤维的表观直径逐渐减小。

b. 喷丝头拉伸倍数为90时，POM初生纤维的后拉伸性能最佳，得到的POM纤维力学性能最佳，纤维断裂强度达6.35 cN/dtex，断裂伸长率为13.5%。

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Effect of spinneret draft on structure and properties of polyoxymethylene fiber

Jin Wang1,2, Li Jianhua1,2

(1.Coal Chemical Research and Development Center of Kailuan Group, Tangshan 063611; 2. Hebei Provincial Engineering Technology Research Center of Coal-based Chemicals and Materials, Tangshan 063018)

A polyoxymethylene (POM) fiber was prepared on a self-developed POM melt spinning plant at different spinneret draft ratio under other fixed spinning conditions. The effect of the spinneret draft ratio on the degree of orientation and after-drawing performance of as-spun POM fiber and mechanical properties of POM fiber was studied. The results showed that the degree of orientation of the as-spun POM fiber exhibited an upward and then downward tendency and the diameter was gradually decreased while increasing the spinneret draft ratio; the spinning situation was optimized, the draft ratio of the as-spun POM fiber was maximized as 7.1, and the produced POM fiber had the breaking strength of 6.35 cN/dtex and the elongation at break of 13.5% as the spinneret draft ratio was 90.

polyoxymethylene fiber; spinneret draft; structure; properties

2017- 04-13； 修改稿收到日期：2017- 05-25。

金旺(1987—)，男，工程师，主要从事高分子材料的研发与应用研究工作。E-mail：ecjw@kailuan.com.cn；ecjw_kl@163.com。

唐山市科技计划项目(16110213A)。

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1001- 0041(2017)04- 0015- 04