稀土PET夜光纤维的研制及性能研究

2020-08-05刘传生史利梅

合成技术及应用 2020年2期

王伟，刘传生，严岩，季轩，史利梅

(1. 中国石化仪征化纤有限责任公司，江苏仪征 211900； 2. 江苏省高性能纤维重点实验室，江苏仪征 211900)

夜光纤维又称为自发光纤维、蓄光纤维，是指在自然光或者日光灯下照射10～20 min后，在黑暗中能持续发光4～10 h的纤维。夜光纤维的制造方法主要有：溶液纺丝法、熔融纺丝法、表面涂层法、高速流冲击法和键合法。溶液纺丝法能耗高；表面涂层法由于发光化合物吸附在纤维表面，因此其耐洗性、耐溶剂性、耐摩擦性、耐酸碱性等不理想，使用寿命较短；高速流冲击法的生产装置复杂；键合法生产工艺复杂且容易出现团聚现象；熔融纺丝法生产的夜光PET纤维可纺性差，发光效果不佳等特点[1-2]。

为改善熔融纺丝制备夜光纤维时可纺性差，发光效果差等缺点，笔者选取纳米级硅铝酸盐夜光粉体作为发光基体制备夜光母粒，选择合适的偶联剂提高夜光粉体在母粒中分散均匀性[3-5]，使之不容易团聚，提高夜光母粒的可纺性，制备余辉性能较好的夜光母粒和夜光纤维。

1 试验

1.1 主要原料

常规大有光PET切片，中国石化仪征化纤有限责任公司，特性黏度为0.635 dL/g；夜光粉体(Al2SiO4,Eu2+,Dy3+)，纳米级，佛山钜亮有限责任公司；偶联剂，γ-(β-氨乙基)氨丙基三甲氧基硅烷(KH791)，分析纯，上海化学试剂公司；合成聚酯蜡，Euroceras 69，工业纯，德国Euroceras公司。

1.2 仪器设备

盘式磨粉机，MF-400型，张家港振邦机械厂；高速混合机，SHR-100L型，南京杰亚挤出装备有限公司；双螺杆挤出机，SHL-36型，南京杰亚挤出装备有限公司；母粒过滤性能测试仪，LS-PP-F01型，龙口华瑞机械厂；黏度仪，Y501型，美国Voscotek公司，温度(25±0.1)℃，溶剂为苯酚-四氯乙烷(质量比1∶1)；激光粒度分布仪，LM24型，英国马尔文仪器有限公司；长余辉荧光粉测试仪，PR-305型，杭州浙大三色仪器有限公司；自动强伸仪，STATIMATM型，德国Texteehno公司；长丝复合纺丝机，JWHQ100型，晋中经纬化纤精密制造有限公司；平牵机，JWKV518Ⅱ型，晋中经纬化纤精密制造有限公司；场发射扫描电镜，FEI Nova Nano SEM 450型，美国赛默飞公司。

1.3 加工过程

1.3.1 母粒制备过程

以PET切片为载体，夜光粉体、KH791偶联剂和助剂制备夜光母粒，夜光母粒的制备过程如图1所示。

图1 母粒制备工艺流程

首先将PET切片和夜光粉体进行干燥，PET切片的干燥条件为：常温下3 h升温至110 ℃，保温2 h；1 h升温至170 ℃，保温9 h；4 h降温至60 ℃，充氮保护。夜光粉体的干燥条件为：常温下2 h升温至130 ℃，保温10 h，2 h降温至60 ℃。然后将PET切片加入磨粉机进行磨粉，出料风机将PET粉体送入振动筛，筛分得到粒径大于60目的PET粉料。将PET粉料、夜光粉体、偶联剂KH791、合成聚酯蜡按照一定的质量比例分别加入高速混合机，高速搅拌一定的时间使物料混合均匀。

1.3.2 母粒过滤性能测试

加入100 g大有光PET切片，用大有光PET切片冲洗过滤性能测试仪挤出螺杆及过滤网。待挤出螺杆中大有光PET切片全部走完且挤出螺杆刚好清晰可见时，加入按照一定工艺比例混配的切片2 kg(夜光母粒与大有光PET切片质量比为1∶19)，100 s后记录初始压力P0。待物料在过滤性能测试仪中，记录最大压力Pmax，全部走完之后再加入100 g 大有光PET切片。本次试验采用12 um过滤网。压滤值为

FPV=(Pmax-P0)/m

式中FPV为压滤值，MPa/g；P0为初始压力，MPa；Pmax为最大压力，MPa；m为母粒中夜光粉体质量，g。

1.3.3 夜光母粒纺丝评价试验

使用夜光母粒和大有光PET切片按照一定的比例混合后，使用长丝复合纺丝机进行纺丝，纺丝速度为1 000 m/min，得到UDY纤维。使用平牵机对UDY纤维进行拉伸后处理，拉伸速度为450 m/min，两段拉伸，固定第二拉伸倍率为1.05，总拉伸倍率为3.0和3.6，上热盘、下热盘、热板温度分别为85 ℃、110 ℃、170 ℃。

2 结果与讨论

2.1 母粒加工

以大有光PET为载体，夜光粉体的添加量为总质量的10%、15%、20%、25%和30%，偶联剂KH791的添加量分别为总质量的0.5%、1.0%和1.5%，助剂合成聚酯蜡的添加量为2.5%，制备夜光母粒。

设定母粒加工设备螺杆主机转速为200 r/min，喂料速度20 kg/h，螺杆加工温度为270 ℃，考察夜光粉体添加量和偶联剂KH791添加量对母粒特性黏度的影响，具体见图2。

图2 夜光粉体和偶联剂KH791添加量对夜光母粒特性黏度的影响

从图2可以看出，当偶联剂KH791添加量一定时，随着夜光粉体添加量的增多，夜光母粒的特性黏度逐渐下降。这一方面可能是由于无机夜光粉体的加入在一定程度上影响了PET聚酯基体物理结构的规整性，使PET聚酯大分子链的缠结点减少，PET大分子链的堆砌紧密程度下降，增加了PET基体的自由体积，具体表现在特性黏度的下降。另一方面无机夜光粉体在PET聚酯基体中产生类似于“滚珠”的润滑作用，增大聚酯的流动性。第三，在静止或者剪切力作用下PET聚酯直接插层进入硅铝酸盐片层[6]，高速混合剪切力有利于插层的进行，同时一定程度上破坏了PET聚酯的物理结构，所以降低了PET聚酯的特性黏度。当夜光粉体添加量一定时，偶联剂KH791的添加量对夜光母粒特性黏度影响不大。

2.2 母粒余辉亮度评价

将2.1制备的夜光母粒使用激光粒度分布仪，D65标准光源，激发照度1 000 lx，激发时间15 min，测试撤走光源后1 min后，使用长余辉荧光粉测试仪测试夜光母粒的余辉亮度。

图3 夜光粉体和偶联剂KH791添加量对夜光母粒余辉亮度的影响

从图3中可以看出，当偶联剂KH791质量分数分别为0.5%、1.0%、1.5%时，随着夜光粉体添加量的增加，夜光母粒的余辉亮度均增加。这说明夜光母粒的余辉亮度主要由夜光粉体的余辉亮度决定。偶联剂KH791对夜光母粒的余辉亮度也有一定的作用，总体而言，当夜光母粒添加比例一定时，偶联剂KH791添加1.0%时，夜光母粒的余辉亮度最高。这主要是由于偶联剂KH791的亲无机物基团可与夜光粉体(Al2SiO4,Eu2+,Dy3+)的化学基团反应，形成牢固的化学键合；亲有机物基团可与PET大分子反应或形成物理缠绕，从而使PET基体与夜光粉体(Al2SiO4,Eu2+,Dy3+)的界面实现化学键接，大幅度提高共混体系的增容效果[7]。

2.3 母粒过滤性能评价

母粒法涤纶纺丝必须符合涤纶纺丝及后加工的工艺要求，要求母粒的加入量不能影响PET聚酯的可纺性和纤维的物理性能，并可以满足一定的功能性使用要求。通常采用压滤值和特性黏度作为母粒质量评价的重要指标[8-9]。

压滤值可以表征母粒加入后纺丝熔体的过滤性能，过滤性能的优劣会影响过滤器和纺丝组件的更换周期。将夜光母粒和PET切片按照质量分数1∶19 混合后，用母粒过滤性能测试仪进行熔融挤出，测定滤网之前混合切片熔体的压力变化，用压力的增加值可以判断夜光母粒中夜光粉体分散的微细化程度和均匀性。压力值越小，说明夜光粉体中夜光母粒的分散性越好；压力越大，则说明夜光母粒中夜光粉体的分散性越差。具体见图4所示。

从图4中可以看出，当偶联剂KH791质量分数分别为0.5%、1.0%、1.5%时，随着夜光粉体添加量的增加，夜光母粒的压滤值均是先减小后增大，当夜光粉体添加质量分数为20%时，夜光母粒的压滤值均较小。当夜光粉体添加量一定时，随着偶联剂KH791添加量的增多，夜光母粒的压滤值也呈现出先减小后增大的趋势，当偶联剂KH791添加质量分数为1.0%时，夜光母粒的压滤值相对较小。

这主要是由于大有光PET切片中加入了偶联剂KH791和无机夜光粉体(Al2SiO4,Eu2+,Dy3+)后，偶联剂的亲无机基团与夜光粉体进行化学键连接；偶联剂的亲有机基团均匀包裹在无机夜光粉体表面，形成一层保护层，使无机夜光粉体在PET熔体中形成较多的片层，增加了PET熔体的的流动性。偶联剂含量过高时，偶联剂的活性会得到抑制，所以当夜光粉体添加量一定时，随着偶联剂的增大，压滤值总体上先减小后增大。当无机夜光粉体添加质量超高20%时，导致无机夜光粉体在夜光母粒中出现部分团聚，所以压滤值上升。

2.4 母粒可纺性评价

综合夜光母粒的特性黏度、余辉亮度和压滤值三方面，选择夜光粉体添加质量分数为20%、偶联剂添加质量分数为1.0%的夜光母粒，考察夜光母粒的可纺性。

夜光母粒的添加质量分数分别为3.0%、5.0%和7.0%，考察母粒添加量对纤维性能的影响。纺丝温度为292 ℃。喷丝板孔数为36孔，长径比为2.0。在纺丝过程中组件压力稳定，纺丝过程中无飘丝、注头丝和断头。具体纺丝情况见表1。

表1 母粒添加量对夜光UDY性能的影响

从表1中可以看出，随着母粒添加量的增多，组件压力逐渐下降；随着夜光母粒的增多，无油丝的特性黏度下降。这主要是由于夜光母粒中无机夜光粉体(Al2SiO4,Eu2+,Dy3+)为纳米级，当PET聚酯在熔融状态下，无机夜光粉体相当于润滑球的作用，提高了PET熔体的流动性，所以组件压力下降，同时当聚酯熔体中添加一定比例的无机夜光粉体时，在高温熔融状态下，加速了聚酯的降解，所以特性黏度降低。随着母粒添加量的增多，UDY原丝的断裂强度逐渐下降，断裂伸长逐渐减小，说明夜光母粒的加入使得PET功能纤维的可拉伸性能降低。这可能是由于夜光母粒加入破坏了PET聚酯的物理结构，使之形成一定的缺陷[12]。