亲水聚酯流变性能的研究

李志勇 钟淑芳 陈伟 金剑

中国纺织科学研究院 北京 100025

亲水聚酯流变性能的研究

李志勇 钟淑芳 陈伟 金剑

中国纺织科学研究院 北京 100025

本文将亲水聚酯品种与普通PE T品种的流变性能进行了对比，得出在相同测试温度下，亲水聚酯的流动性能优于普通PE T；其在低剪切速率（<1×102s-1）下，表现为牛顿流体的特征，而在高剪切速率（1×102s-1-1×104s-1）下，表现为假塑性流体的特征；随测试温度的升高，亲水聚酯的非牛顿指数趋近于1，表观粘度对剪切速率的依赖减小，接近于牛顿流体；相比于普通PE T，亲水聚酯的表观粘度受到温度的影响较小。

亲水聚酯 流变性能

1 引言

聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）是一种热塑性聚合物，具有熔点高、强度大、硬度高、电性能优良、化学稳定性和透明性良好等特点，其纤维制成的衣料笔挺不皱，且耐热性、尺寸稳定性好，因此其在纤维生产中得到了广泛应用[1-3]。但常规聚酯纤维属于疏水性纤维，其标准回潮率仅为0.4%，吸湿性差，日常穿着使人感到闷热或湿冷。天然纤维具有良好的亲水性能，如棉，标准回潮率可达7%以上，人体短暂少量的出汗，可以被织物很快的吸收，因此日常穿着舒适；但当人体大量出汗时，棉纤维吸水膨胀，透气排汗功能丧失，湿弯曲模量低，又使织物紧贴在皮肤上，产生粘贴束缚、湿冷等不舒适感，并影响穿着美感，同时由于棉纤维干燥速率低，造成不舒适时间长。

因此，为适应这种高出汗状态下的穿着，中国纺织科学研究院通过化学改性的方法开发了一种亲水聚酯品种，其纺制的纤维表面性质由疏水性变为亲水性，具有对水或水汽的浸润或吸湿能力，其面料可在极冷、闷热或高强度运动等特殊场合穿着，其面料的舒适性优于天然及再生纤维面料；其在专业的运动服饰领域、大众运动及休闲服饰领域具有广泛的应用前景[4]。本文仅针对亲水聚酯的流变性能进行了探讨，并得到较有参考价值的结论。

2 实验

2.1 主要原料

自制亲水聚酯切片，特性粘数0.70-0.80。普通PET切片（洛化），特性粘数0.65。其中特性粘数以四氯乙烷∶苯酚= l∶1 为溶剂，在25℃条件下测定。

2.2 测试仪器

（1）熔融指数仪。

（2）日本岛津（Toyoseiki）的Capilla Graph型毛细管流变仪。

3 结果与讨论

3.1 亲水聚酯的熔融指数

表1列出了亲水聚酯与普通PET的熔融指数对比情况，其中测试选用的亲水聚酯的特性粘数大于普通PET的特性粘数。由表1可以得出，在相同测试温度下，亲水聚酯的熔融指数均大于普通PET，因此说明亲水聚酯的流动性能优于普通PET。

3.2 亲水聚酯的流变曲线

如图1所示，分别为亲水聚酯在270-285℃的剪切应力-剪切速率曲线及表观粘度-剪切速率曲线。

通过毛细管流变仪对亲水聚酯流变性能的表征结果可以看出，在低剪切速率（＜1×102s-1）下，其剪切应力σ随剪切速率的增加呈正比增加，斜率接近于1，此时表观粘度η几乎不变。这说明在低剪切速率下，亲水聚酯熔体可看作是牛顿流体，此时的表观粘度称为“零切粘度”。

在高剪切速率（1×102s-1～1×104s-1）下，其粘度随剪切速率的增加而减小，即切力变稀，呈现出典型的假塑性流体的特征。

图1 亲水聚酯的流变曲线（左：剪切应力-剪切速率；右：表观粘度-剪切速率）

表1 亲水聚酯的熔融指数

3.3 亲水聚酯的非牛顿指数

对于牛顿流体，剪切应力与剪切速率成正比，即：

而对于假塑性流体，剪切应力与剪切速率的关系是非线性的，二者的关系可用幂律公式来表示，即：

也即：

其中：K为常数，n是表征偏离牛顿流动程度的指数，称为非牛顿指数。对于牛顿流体，可看成是n=1的特殊情况；而对于假塑性流体，其值越接近1，其流体性质就越接近于牛顿流体的特征。为了求得亲水聚酯的非牛顿指数，以lg σ对lg作图，得到拟合直线的斜率即为非牛顿指数n，如图2所示。

从图2中可以看到，随着温度的升高，亲水聚酯lgσ -lg拟合直线的斜率增大，非牛顿指数趋近于1，表观粘度对剪切速率的依赖减小，更接近于牛顿流体。其非牛顿指数的具体变化情况如表2所示。

表2 亲水聚酯的非牛顿指数

3.4 亲水聚酯的粘流活化能

粘流活化能（△Eη）是分子向孔穴跃迁时，克服周围分子的作用所需要的能量。它表征了熔体表观粘度对温度的敏感程度，符合Arrhenius方程：

也即：

其中，A为常数，R为气体常数，其值为8.3145J/(mol·K)。以lnη对1/T作图3, 从得到的直线方程中求斜率,可得到粘流活化能（如表3所示）。

由表3可以看出，同普通PET一样，亲水聚酯的粘流活化能也随着剪切速率的增大而减小，且在相同的剪切速率下，亲水聚酯的粘流活化能要比普通PET的活化能小，因此相比于普通PET，其表观粘度受到温度的影响也较小。

图3 亲水聚酯的lgη-（1/T）曲线

表3 亲水聚酯的粘流活化能

4 结论

（1）据熔融指数测试结果可得，在相同测试温度下，亲水聚酯具有优于普通PET的流动性能。

（3）随测试温度的升高，亲水聚酯的非牛顿指数趋近于1，表观粘度对剪切速率的依赖减小，接近于牛顿流体。

（4）亲水聚酯同普通PET一样，其粘流活化能随剪切速率的增大而减小，在相同的剪切速率下，亲水聚酯的粘流活化能要比普通PET的活化能小，因此相比于普通PET，其表观粘度受到温度的影响也较小。

[1]凌良仲,刘松,倪智婷.改性涤纶开发技术及应用[J].棉纺织技术,2014,42 (4):74-77.

[2]邹曙光,迟瑞芹,陶国平.差别化纤维的发展现状及前景[J].中国纤检,2005(5):31-33．

[3]张振雄,邱殿銮,孙君,戴礼兴.聚对苯二甲酸乙二醇酯共聚改性技术进展[J].合成技术及应用,2013,28(4):26-30.

[4]陈伟,杨喆,钟淑芳,李志勇.一种吸湿聚酯短纤维及其制备方法:中国，CN102220657 [P].2013-4-17.

TQ342.2

A