PET聚集态结构对涤纶全拉伸丝物性指标的影响

张祥

摘 要：涤纶全拉伸丝简称为FDY，是指利用纺丝拉伸一步法生产的全拉伸丝，本文主要从分子结构角度分析影响FDY物性指标的因素，为提升FDY产品质量提供理论基础。

关键词：FDY;PET;物性指标

1 概论

高分子的聚集态结构（超分子结构），是指具有一定构象的高分子链通过（分子间作用力）范德华力或氢键的作用，排列成具有一定规则的的结构。其结构形态主要有无规线团胶团、线团交缠结构，缨状胶束、折叠链晶片，双重螺旋结构等。

总体上来看，上述结构是一环扣一环的紧密相关的有机整体，人们所见的聚合物产品（包括PET）先是由原子经过化学反应构成小分子，这些小分子又经过一定的反应方式（加聚、缩聚等）通过共价键连接成具有一定的空间的构型的大分子链。这些大分子链又由于单键的内旋转而构成高分子构象。具有一定构象的大分子链通过次价键或氢键的作用，聚集成具有一定规则的高分子聚集体，又把这种聚集体称之为高分子的聚集态结构。

高分子的聚集态结构包括高分子的晶态结构，非晶态结构，取向态结构，液晶态结构以及织态结构。

本文主要介绍PET（聚对苯二甲酸已二醇酯）分子链的聚集态结构，以及对其制品涤纶全拉伸丝（FDY）的物性指标的影响。

2 PET聚集态结构的简单介绍

2.1 取向态结构

当高分子链受到外力作用拉伸时，高分子链会沿着外力的方向舒展并有序的排列。这种现象就是高分子链或链段的取向，对应的结构为取向态结构。在外力消除后，取向排列的大分子又会回到自由卷曲的状态，称之为高分子的解取向。PET是含有苯环结构的线型大分子，其重复单元中分子沿苯环对称排列，没有大的支链，因此分子线型好，易于沿着纤维拉伸方向取向而平行的排列。在此过程中的取向为单轴取向，PET分子链只沿一个方向拉伸，长度增加，厚度的宽度变小。在纺丝时，从喷丝孔喷出的丝中，分子链有些已经取向了，再经过拉伸，分子链沿纤维轴向的取向度得到进一步提高。

PET在取向以前，高分子的性质在分子链的各个方向平均相同，称为各向同性。取向以后，PET的分子链的性质在纵向和横向上有都差异，如力学、光学、声学等的差异。

2.2 晶态结构

当PET高分子为固态时，其分子链结构呈现出晶态和非晶态。PET大分子链的晶区和非晶区是相互穿插的，二者同时存在。在晶区中，分子链互相平行排列形成规整的结构。PET的晶区在通常情况下是无规取向的，而在非晶区，分子链的排列是完全无序的。

PET分子的基本结构单元中虽然含有苯环，难以绕单键旋转，故该部分较为硬挺。但在基本结构单元中还存在一定数量的亚甲基，该基团比较容易绕单键内旋转，在该处分子链显得比较柔顺，因而涤纶分子在该处就能就能发生重叠，形成折叠链结晶。

3 PET聚集态结构对涤纶全拉伸丝的物性影响

PET的聚集态结构的变化（这里主要指晶态、非晶态以及取向态）主要影响了涤纶全拉伸丝（以下简称FDY）的物性指标有：断裂强度、断裂伸长率、沸水收缩率（BWS）、以及纤维的上染率。

3.1 对FDY断裂强度和断裂伸长率的影响

由于FDY的纺丝速度较高（4000-4800m/min），而且又经过热辊的拉伸定型作用，拉伸过程，实际上是纤维的聚集态结构进行重新组合和建立的过程。经过两个热辊的拉伸作用，丝条从低取向，基本上无结晶的结构变成取向和结晶均较高的成品丝结构。在未产生解取向的温度范围内，拉伸效果越好，FDY分子链的取向度也越高，直至其拉伸断裂。随着一热辊（GR1）的拉伸温度的适当提高，FDY的拉伸倍数也随之增大，二热辊（GR2）的温度为定型加热处理的温度，在适宜的定型温度内，可消除PET分子间的内应力，产生应力松弛效应，防止已经取向的大分子链或链段改变它的取向状态。

大分子取向后的分子有序排列，与取向轴平行方向的拉伸强度大为增强，使分子链能够协同的抵抗外力破坏作用。因此，纤维的分子取向度越高，其断裂强度也越高。但其断裂伸长率却随着分子取向度的增加而降低了，这是因为取向度大的分子排列过于规整，分子间的相互作用力太大，纤维反而显得弹性小，出现脆性，其断裂伸长率低。

为了防止PET分子的取向度过大而导致的断裂伸长率过低，可采用降低拉伸倍数（DR）的方法来降低PET分子的取向度，使断裂伸长率增大，断裂强度变小。还可以采用调整FDY二热辊的温度，使其达到对纤维热处理的效果，其热处理的温度，时间都要适宜。以促使大分子链中小的连段解取向，消除内部应力，而整个大分子连段不解取向。小链段的解取向能够使纤维具有一定的弹性，而整个链段仍保持取向状态，使纤维具有高强度。

3.2 对FDY沸水收缩率和染色性能的影响

沸水收缩率（BWS）的定义为：一定长度的长丝放沸水中煮沸一定时间后，其收缩的长度与原来长度的比值称为沸水收缩率，用百分率%表示。FDY的沸水收缩率的决定性因素是PET分子链的取向度，取向使PET的分子链二维有序，紧密排列，增强了分子间作用力。纤维在沸水中煮沸的过程可以看做一个热处理的过程，如果纤维没有经过热处理，那么取向后的链段呈拉直状态，有很大的卷曲倾向，纤维在使用或受热过程中容易卷曲收缩，导致变形。由此可知，当PET分子链取向度大时，纤维的沸水收缩率会随之增大。在FDY

生产工艺中，FDY沸水收缩率主要取决于二热辊（GR2）温度。二热辊温度为FDY的定型温度，可以理解为对纤维进行了热处理定型，二热辊温度高，PET分子中非晶区取向部分会发生解取向，经过解取向的纤维在经过沸水的热处理作用，不会产生很大的形变，所以，纤维的沸水收缩率较低。

FDY的结晶度对沸水收缩率的影响起到至关重要的作用。在纤维热收缩的过程中，FDY晶区的变化包含晶粒的增长，新的不完善晶粒的形成和晶区的完善过程。晶粒的增长在较短的时间内基本完成，熔融再结晶则存在于整个收缩过程。晶区的显著改善有利于抑制非晶区解取向。合适的结晶度和晶区结构能有效抑制非晶区解取向。FDY的结晶度升高，其沸水收缩率降低。

FDY的染色性能主要决定于纤维内单个晶体的体积含量（结晶度）。PET分子的渗透和溶解过程都是低分子物質向高分子间浸入扩散的过程。与PET高分子的结晶度有关。结晶后的PET分子晶区的分子链紧密堆砌，按一定的晶格有序排列，这种紧密的结构不能使染料小分子渗入，也不能溶解染料小分子。因此，随着FDY结晶度的升高，FDY染色性能变差。FDY随着二热辊温度的提高，FDY的结晶度和晶区的取向增大，晶区结构更加完整，FDY的染色性能随二热辊或热箱内温度的升高而变差。

FDY的沸水收缩率与染色性能有着密不可分的关系，它们都随二热辊温度的变化而呈现相似的变化规律。FDY沸水收缩率增大，其染色性能变好。（具体解释可参见上诉内容）在二热辊温度一定的情况下，热箱门的开关对纤维染色性能也有着重要的影响。

4 结论

①PET分子取向度越大，纤维断裂强度越大，断裂伸长率越小;②PET分子结晶度越大，纤维刚性越强，断裂强度越大，断裂伸长率越小;③涤纶全拉伸丝的沸水收缩率的主要决定因素是PET高分子链的取向与解取向;④PET分子的晶态结构是决定FDY染色性能的关键;⑤热箱内温度的一致性是使FDY获得稳定适宜的沸水收缩率和染色性能的保证。

参考文献：

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