PET的特性黏数对其扁丝力学性能的影响

王玉合，戴钧明，李喜亮，王树霞，李红芳，司 虎

(中国石化仪征化纤有限责任公司，江苏 仪征 211900)

目前，国内外使用的扁丝绝大多数是以聚丙烯(PP)为原料进行生产，然后编织成相应编织物如编织袋、地毯基布等应用于包装、地毯及土工布工程材料领域。市场上常规PP扁丝的规格及性能为宽度1～3 mm、厚度30～50 μm、拉伸强度大于等于350 MPa、断裂伸长率大于等于20%、弹性模量大于等于2 000 MPa[1]。然而，由于PP本身结构的特点决定了其存在以下缺陷：耐候性差、易氧化，在存放过程中编织袋的机械强度尤其是抗冲击强度大幅降低，影响包装效果；PP熔点较低(164～170 ℃)，无法满足某些后道应用领域高温加工的要求[2-4]。

聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的力学性能、耐高低温性能、耐候性能等均比PP好，在扁丝方面的应用具有很高的发展潜力。目前，在利用PET瓶片制备高性能扁丝方面，全球领先的技术及设备厂家主要有德国Reimotec公司、意大利Simar公司、奥地利Starlinger公司和Erama公司[5-6]，而国内对于PET在扁丝领域应用相关的配套设备及技术的研究较少，虽然有一些专利报道，但市场上尚未有PET扁丝产品[7-9]。

在工艺确定的情况下，原料PET的特性黏数([η])、是否含有添加剂、添加剂种类、添加剂添加量等均会影响最终产品PET扁丝的机械性能。PET的[η]是影响产品性能的一个重要指标，而目前市售的PET的 [η]范围较大，为0.5～1.0 dL/g，不同[η]的PET扁丝的加工性能和力学性能差异很大。作者采用20 L聚合反应釜、铸片挤出设备、裂膜装置、静态拉伸机等小型实验设备制备了不同[η]的PET及其扁丝，系统研究了PET的[η]对其扁丝主要性能的影响规律，以期对未来PET在扁丝领域的应用提供指导。

1 实验

1.1 原料

对苯二甲酸(PTA)：仪征化纤有限责任公司产；乙二醇(EG)：扬子石化有限责任公司产；乙二醇锑：江苏大康公司产。

1.2 设备与仪器

20 L聚合反应釜：德国富耐公司制；Y501型相对黏度仪：美国Viscotek公司制；LMCR-300型多层共挤冷辊流延膜挤出机：泰国Labtech Engineering公司制；QL-HFJ-230型塑料编织袋扁丝卷绕机：江阴群力塑料机械有限公司制；KARO IV型拉伸机：德国Brueckner公司制；CMT4104型电子万能材料试验机：深圳市新三思材料检测有限公司制。

1.3 不同[η]的PET的制备

将一定量的PTA、EG、催化剂乙二醇锑和助剂无水醋酸钠加入到20 L聚合釜内进行加压酯化和缩聚反应。酯化过程以酯化水开始馏出时间作为酯化反应的零点，在酯化温度240～260 ℃，压力0.2～0.3 MPa条件下进行酯化反应，待出水量达到理论出水量95%以上时结束酯化；再升温进行预缩聚反应，升温45 min后反应釜内温升到280 ℃左右，真空度达到100 Pa以内，此时作为缩聚反应的零点；在280～283℃ 进行缩聚反应，当搅拌电流达到设定值时出料，切粒，得到4种不同[η]的PET试样，见表1。

表1 PET试样的[η]Tab.1 [η] of PET samples

1.4 PET扁丝的制备

参照目前工业上成熟的扁丝制备流程(见图1)，在实验室内通过间歇性试验设备模拟扁丝制备路线，分段进行PET扁丝的制备。

图1 PET扁丝的制备工艺流程Fig.1 Process flow of PET flat filament production

首先将PET试样(1#，2#，3#，4#)在155 ℃真空烘箱烘干8 h，然后通过多层共挤冷辊流延膜挤出机制备流延铸片，铸片收卷前通过裂膜装置将铸片分切成一定宽度的胚丝，分切后的胚丝经塑料编织袋扁丝卷绕机收卷，最后通过静态纵向拉伸机将收卷的胚丝经一定的拉伸倍数拉伸制得PET扁丝，控制所得PET扁丝宽度为2～3 mm、厚度为40～50 μm。

(1)多层共挤冷辊流延膜挤出机主要工艺参数：螺杆各区温度分别为265，275，288，288，288 ℃，模头温度为288 ℃，模头宽度200 mm，模头开口宽度1 mm，螺杆转速100 r/min，冷辊温度50 ℃，控制铸片厚度在90～110 μm。

(2)裂膜工艺参数：裂膜刀片长为50 mm，宽为15 mm，刀片材质为钨钢，刀片间隙为50 mm，刀片与铸片的角度为45°。

(3)纵向拉伸机主要工艺参数：预热温度95 ℃，预热时间10 s，拉伸温度95 ℃，单向拉伸，拉伸倍数4～7，拉伸速率100%，定型温度210 ℃，定型时间3 s。

1.5 测试与表征

[η]：按照GB/T 14190—2017《纤维级聚酯(PET)切片试验方法》测试。

拉伸性能：将样条在万能材料试验机上按GB/T 1040.1—2018《塑料 拉伸性能的测定》进行测试，测试5根样条，结果取其平均值。

屈服性能：选定拉伸倍数为5时，测试PET扁丝的应力-应变曲线，得到其屈服应力、屈服强度、屈服伸长率及最大拉力。

2 结果与讨论

2.1 拉伸性能

由图2、图3可以看出，拉伸倍数越高，PET扁丝的拉伸强度越高、断裂伸长率越低，主要是拉伸倍数影响了材料的取向度所致，结果与文献[1，10-11]报道一致。

图2 不同拉伸倍数下[η]对PET扁丝拉伸强度的影响Fig.2 Effect of [η] on tensile strength of PET flat filament at different draw ratios◆—4倍拉伸；■—5倍拉伸；▲—6倍拉伸；●—7倍拉伸

图3 不同拉伸倍数下[η]对PET扁丝断裂伸长率的影响Fig.3 Effect of [η] on elongation at break of PET flat filament at different draw ratios◆—4倍拉伸；■—5倍拉伸；▲—6倍拉伸；●—7倍拉伸

从图2、图3还可以看出：相同拉伸倍数时，随着[η]的升高，PET扁丝的拉伸强度逐渐升高，断裂伸长率逐渐降低；高拉伸倍数时，[η]对PET扁丝的拉伸强度影响越明显，随着拉伸倍数及[η]的逐渐增大，PET扁丝的拉伸强度增幅越大，而断裂伸长率正好相反，即低拉伸倍数时[η]对PET扁丝断裂伸长率的影响较大，而高拉伸倍数时[η]对断裂伸长率的影响较小。

弹性模量可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚度越大，亦即在一定应力作用下，发生弹性变形越小。

从图4可知：相同拉伸倍数时，随着[η]的逐渐升高，PET扁丝的弹性模量总体呈逐渐增大的变化趋势，尤其是当[η]超过0.714 dL/g时增加的幅度更明显，说明[η]升高后，使材料发生弹性变形需要的应力也同样增大；在拉伸倍数小于等于6倍时，随着拉伸倍数的增大，PET扁丝弹性模量呈逐渐升高的趋势，且随着[η]的升高，弹性模量的增幅也逐渐增大，但当拉伸倍数为7时，弹性模量未见明显增加。

图4 不同拉伸倍数下[η]对PET扁丝弹性模量的影响Fig.4 Effect of [η] on elastic modulus of PET flat filament at different draw ratios◆—4倍拉伸；■—5倍拉伸；▲—6倍拉伸；●—7倍拉伸

以拉伸强度、断裂伸长率为纵坐标，以拉伸倍数为横坐标，分别做拉伸强度(y1)-拉伸倍数(x)，断裂伸长率(y2)-拉伸倍数(x)曲线，然后对曲线进行拟合，即得1#，2#，3#，4#试样的PET扁丝的拉伸强度及断裂伸长率的拟合方程，分别见式(1)、(2)、(3)、(4)：

y1=95.40x-117.2y2= -90x+74.6

(1)

y1=111.8x-142.9y2= -12x+96.3

(2)

y1=150.9x-292.7y2= -9.50x+81

(3)

y1=183.5x-393.5y2= -10x+80.6

(4)

以目前市售的PP扁丝拉伸强度大于等于350 MPa、断裂伸长率大于等于20%作为标准，根据拟合方程(1)～(4)，经计算可得出不同[η]的PET扁丝要达到拉伸强度400 MPa或断裂伸长率25%时的拉伸倍数，结果如图5所示。

图5 一定拉伸强度和断裂伸长率下PET扁丝的拉伸倍数与[η]的关系曲线Fig.5 Relationship between draw ratio and [η] of PET flat filament at a certain tensile strength and elongation at break◆—拉伸强度为400 MPa；■—断裂伸长率为25%

由图5可知，随着[η]的升高，PET扁丝拉伸强度达到400 MPa时拉伸倍数逐渐减小，断裂伸长率达到25%时拉伸倍数先增大后减小。

工业化生产时，一般均希望在较低的拉伸倍数下得到满足要求的性能指标，且不希望原料的[η]过高，因为原料的[η]升高后，不同链段发生位移互相抵消的机会越多，分子链重心移动越慢，要完成流动过程就需要更长的时间和更多的能量[1]。根据以上原则，并综合图2、图3、图5所示曲线，可以得出相对较优的[η]-拉伸倍数组合为PET [η]0.71 dL/g左右、拉伸倍数5～6。

2.2 屈服性能

在固定拉伸倍数为5时，根据PET扁丝拉伸时的应力-应变曲线可得到不同[η]时PET扁丝的屈服应力、屈服强度、屈服伸长率、最大拉力等参数，见表2。

表2 不同[η]时PET扁丝的屈服性能Tab.2 Yield properties of PET flat filament with different [η]

从表2可以看出:在相同的拉伸工艺下，随着[η]的升高，PET扁丝的最大拉力逐渐升高，主要是由于[η]升高后，PET大分子链长度增加，相应的缠结点也增多，要使链段取向所需要的拉力也相应增大[12]；PET扁丝的屈服应力、屈服强度、屈服伸长率基本随着[η]的升高呈逐渐增大趋势，[η]低于0.714 dL/g时，屈服强度和屈服伸长率升高幅度较小，[η]高于0.714 dL/g时，屈服强度和屈服伸长率升高幅度明显增大。这说明[η]升高虽然对产品的强度指标有帮助，但对后加工带来的不利影响也增大，所以选择PET的[η]时需要兼顾后加工过程。

3 结论

a. 相同拉伸倍数时，随着[η]的升高，PET扁丝的拉伸强度逐渐升高，断裂伸长率逐渐降低，弹性模量总体呈逐渐增大的变化趋势，尤其是当[η]超过0.714 dL/g时增加的幅度更明显。

b. 在 PET扁丝拉伸强度达到400 MPa时，随着[η]的升高，拉伸倍数逐渐减小；断裂伸长率达到25%时，随着[η]的升高，拉伸倍数先增大后减小。

c. 相同拉伸倍数时，PET扁丝的屈服应力、屈服强度、屈服伸长率基本随着[η]的升高呈逐渐增大趋势，且当[η]超过0.714 dL/g时升高幅度明显增大。

d. 实验范围内，兼顾PET扁丝使用性能和加工性能的要求，控制PET的[η]0.71 dL/g左右、拉伸倍数5～6较为合适。