大直径PP/LLDPE 共混单丝的力学性能研究

2019-03-16马海军邵小群

纺织报告 2019年12期

马海军，邵小群，徐燕，王城

（南通新帝克单丝科技股份有限公司，江苏南通 226003）

聚丙烯塑料共混改性的方法较多，而聚丙烯纤维只有少数为改善染色性能进行共混改性的实例[1-4]。大直径聚丙烯单丝是指直径大于0.10 mm 的单根纤维，主要应用于绳、网等。随着生产技术的发展及应用领域的拓宽，工业滤布及高质量的机织土工布也大量采用大直径聚丙烯单丝。由于单丝成形采用液体冷却，成形的特殊性使得单丝强度低于复丝[5-7]，与复丝相比，单丝刚性大，因此，单丝织物的强度及韧性不如复丝织物。为提高单丝拉伸强度，尤其是勾结强度，本研究采用共混方法，研究PP/LLDPE 共混比例、马来酸酐接枝EVA 添加量、后拉伸工艺对共混聚丙烯单丝力学性能的影响。

1 实验部分

1.1 原料

PP 树脂： F-401 MI=20 g/10min（中石化兰州分公司）；LLDPE 树脂：MI=18 g/10 min（现代石油化学）；马来酸酐接枝EVA：Tm=78℃，接枝率为0.9%，MI=13 g/10 min（中国台湾塑胶工业股份有限公司）。

1.2 共混及初生丝

将真空干燥后的PP、LLDPE 按配比混合均匀，用SHL-35 双螺杆挤出机熔融共混，挤出温度265℃，螺杆转速100 r/min,经切粒后得共混物。

Φ65 mm 螺杆挤压机，温度分布： 265 ℃、280℃、285℃、290℃、290℃；上模292℃，下模295℃；液体冷却温度12℃；初生丝喷丝头拉伸比：9.2；纺丝速度21.5 m/min。

1.3 共混物结构及单丝力学性能表征

差示扫描量热仪：200 F3（德国耐驰仪器制造有限公司），温度范围是室温～400℃；升温速率为10℃/min；参比物为石英砂；测试气氛为氮气保护，氮气流量20 mL/min。

扫描电子显微镜：S—550 型（日本日立公司），用离子溅射仪处理纤维样品，在纤维表面镀上了一层金属膜后，通过扫描电镜观察其截面和表面的形态。

电子强力仪：GY061 （莱州市仪器有限公司），量程为130 N，拉伸速度为100 cm/min，试样定长为250 mm。

2 结果与讨论

2.1 PP/LLDPE 共混相容性及对单丝力学性能的影响

当PP、LLDPE 的共混比例发生变化时，两者的热力学峰也呈现出相应的变化，不同比例PP/LLDPE共混单丝的DSC 图见图1。

图1 不同比例PP/LLDPE 共混单丝的DSC 图

由图1 可知，随着LLDPE 含量的增加， PP/LLDPE 共混单丝的熔点呈现下降的趋势。这是因为随着LLDPE 的加入，PP 球晶的完整性遭到了破坏，使大球晶碎化，降低了PP 的结晶度，导致共混单丝的熔点下降。

在PP 中加入一定量的LLDPE 后，共混单丝的结构出现了分层现象，PP/LLDPE 共混初生丝的SEM 图见图2。

图2 PP/LLDPE 共混初生丝的SEM 图

由图2 可以看出，由于PP 与LLDPE 两者相容性不好、两相间的结合力差，在初生丝喷出拉伸过程中，在纤维方向形成取向分层结构。不同比例PP/LLDPE 共混单丝的力学性能见表1。

表1 不同比例PP/LLDPE 共混单丝的力学性能（直径0.20 mm）

由表1 可以看出，随着LLDPE 的加入，共混单丝的拉伸强度减弱，但是共混单丝的勾结强度和断裂伸长率得到了提高。这可能是由于LLDPE 与PP 层状分散结构之间黏结力较差，在打结时可以发生相对滑动，同时PP 的单丝由众多的微细纤维组成，而微细纤维的柔韧性较好。另外，由于PP 和LLDPE 均为结晶性聚合物，相互间没有形成共晶，在上述层状结构中（图2c 和2d），层间距有3～8 μm，而层状结构的形成也可能会抑制PP 的球晶结构的生长，并使共混单丝内部形成片晶和原纤结构[8-11]，从而改善了大直径单丝的韧性与勾结强度。因此，LLDPE 能够有效改善PP 单丝的韧性。

2.2 马来酸酐接枝EVA 添加量对共混单丝结构及性能的影响

在PP/LLDPE 共混体系中，由于PP 与LLDPE相容性较差，因此，在PP/LLDPE 共混体系中，添加一定量的马来酸酐接枝EVA 以增加两相间的相容性，加入马来酸酐接枝EVA 的共混单丝SEM、DSC图分别见图3、图4。

图3 加入马来酸酐接枝EVA 的共混单丝的SEM 图

由图3 可以看出，在PP/LLDPE 共混体系中加入一定量的马来酸酐接枝EVA 后，共混体系的结构较为均匀，PP 与LLDPE 之间的层状分散结构消失。这是因为，一方面，人们普遍认为马来酸酐接枝EVA具有优良的黏结性能和耐应力开裂性能，这有利于改善两相界面的黏结性以及消除层状结构；另一方面，热力学上，三种互不相容的组分可能会形成热力学稳定的相容体系[12]，从而改善PP 与LLDPE 具有的相容性。加入马来酸酐接枝EVA 的共混单丝DSC 图见图4，马来酸酐接枝EVA 对共混单丝力学性能的影响见表2。

图4 加入马来酸酐接枝EVA 的共混单丝DSC 图

由图4 可以看出，在PP/LLDPE 共混单丝中加入一定量的马来酸酐接枝EVA 后，共混单丝中的LLDPE 与PP 的熔点均明显下降。这是因为马来酸酐接枝EVA 能够有效提高PP、LLDPE 之间的相容性，降低各自相筹尺寸，同时也降低晶粒的尺寸，从而导致PP/LLDPE 共混单丝的熔点下降。

由表2 可以看出，随着马来酸酐接枝EVA 的加入，共混单丝的拉伸强度和勾结强度都得到了提高。这是由于马来酸酐接枝EVA 改善了 PP 与LLDPE 的相容性。在拉伸后，它与PP、LLDPE 的共混体系形成一种基体——网状的结构，增强了PP、LLDPE 的界面黏合力，起到了很好的应力传递作用。但是，当马来酸酐接枝EVA 的质量分数过高时，它会单独形成相结构，而马来酸酐接枝EVA 本身的力学性能却不理想，这样共混单丝的拉伸强度反而下降。

表2 马来酸酐接枝EVA 对共混单丝力学性能的影响（直径0.20 mm）

2.3 拉伸倍率及拉伸温度对共混单丝力学性能的影响

纤维的强度主要取决于大分子的取向程度，当纺丝的其他工艺相同时，提高拉伸倍数可以提高纤维的强度，降低纤维的延伸度与提高结晶度。但过大的拉伸倍数会导致大分子滑移和断裂[13-18]。

一级拉伸倍率对共混单丝力学性能的影响(直径：0.12 mm)见图5。二级拉伸时，不同拉伸倍率对共混单丝力学性能的影响见表3。

图5 一级拉伸倍率对共混单丝力学性能的影响

由图5 可以看出，当采用一级拉伸方式时，共混单丝的拉伸强度随着拉伸倍率的提高而增强。这主要是因为随着拉伸倍率的提高，纤维内的大分子从无序向有序排列，提高了纤维的取向度和规整度，同时，纤维的结晶度增加，从而提高了共混单丝的力学性能。

表3 二级拉伸时不同拉伸倍率对共混单丝力学性能的影响

由表3 可以看出，当采用二级拉伸方式时，共混单丝的拉伸强度及勾结强度随着拉伸倍率的提高而显著增强。对比图5 可以发现，采用二级拉伸方式时，共混单丝的拉伸强度比一级拉伸时提高很多，这是因为采用二级拉伸时，一级拉伸倍数较低，纤维大分子所受外力小，拉伸内应力低，大分子以及链段都能初步取向，并生成一些结晶，再进行二级拉伸时，由于相应提高了拉伸温度，增加了链段的活性，使得晶区及无定形区进一步取向，而一级拉伸虽与二级拉伸的拉伸倍数相同，但纤维中很多晶区、非晶区部分因拉伸内应力大而不能很好排列，难以形成稳定结构。所以，二级拉伸能有效提高共混单丝的力学性能。

一级拉伸热水温度对纤维力学性能的影响（拉伸倍率8.62, 单丝直径0.12 mm）见表4。二级拉伸热风温度对纤维力学性能的影响见表5。

表4 一级拉伸热水温度对纤维力学性能的影响

表5 二级拉伸热风温度对纤维力学性能的影响

由表4 和表5 可以看出，随着拉伸温度的提高，共混单丝的力学强度也得到了增强，这是因为拉伸温度过低时，拉伸应力大，允许的最大拉伸倍数小，纤维强力低且会使纤维泛白，出现结构上的分层。随着拉伸温度的提高，纤维的结晶度增加，从而提高了纤维的力学性能，但是拉伸温度过高，分子过度热运动会导致纤维在取向时强力的增加幅度减少，且会破坏原有的结晶结构，导致共混单丝力学性能下降。