常压阳离子可染聚酯熔体的流变性能研究

张天亮，甘丽华，李志鹏，李志勇，金 剑，李 鑫

(1.北京化工大学 化学工程学院 北京100029；2.中国纺织科学研究院有限公司 生物源纤维制造技术国家重点实验室，北京 100025)

聚酯具有较好的耐磨性、回弹性等性能,在纺织纤维等领域应用广泛，聚酯纤维作为化学纤维最大品种的纤维,在我国乃至世界化纤工业的发展过程中都起着非常重要的作用。在所有改性聚酯纤维中,阳离子染料可染聚酯纤维是研究开发最早并最成功的种类[1]。其中，常压阳离子染料可染聚酯(ECDP)纤维适用于仿真织物的开发,也能够用来纯纺或者与自然纤维及其他种类化学纤维混纺，是开发各种休闲、运动面料的优良原料[2]。

聚合物分子运动导致了聚合物熔体的外在流动，聚合物的流动行为主要与聚合物分子结构、相对分子质量等内在的结构特点有关；此外，外部环境如温度、压力、流动速度等条件的改变也会对熔体的流动行为产生较大的影响。因此，研究聚合物熔体的流变性能对加工工艺的选择或优化具有重要的指导意义。作者利用高压毛细管流变仪研究了ECDP熔体的流变性能，并与常规聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的流变性能进行对比，为调整优化ECDP纤维纺丝的工艺参数提供参考。

1 实验

1.1 试样

PET：特性黏数([η])0. 72 dL/g，熔点240 ℃，中国石化仪征化纤股份有限公司产；ECDP-1：[η] 0. 601 dL/g，熔点236 ℃，中国纺织科学研究院有限公司产； ECDP-2：[η] 0. 574 dL/g，熔点240 ℃，绍兴九洲化纤有限公司产。

1.2 实验方法

分别将ECDP-1、ECDP-2切片及PET切片在真空干燥箱中80 ℃预结晶2 h， 然后升温至120 ℃真空环境下干燥至少10 h，使切片的含水率低于50 μg/g。采用德国Gottfert公司的RHEOGRAPH25型高压毛细管流变仪对试样进行流变性能测试，毛细管的长径比为40:1，测试温度分别为270，280，290 ℃。

2 结果与讨论

2.1 聚酯的流动曲线

图1 不同T下试样的流动曲线Fig.1 Rheological curves of samples at different T■—270 ℃;●—280 ℃;▲—290 ℃

2.2 非牛顿指数(n)

n可以用来表征聚合物流体偏离牛顿流体的程度，其数值大小与熔体T等的因素有关。越接近1说明熔体越接近牛顿流体。它对聚合物熔体在后续的纺丝加工中的可纺性产生一定的影响。

(1)

式中：K为稠度系数。

对公式(1)两端取对数：

(2)

图2 不同T下试样的lgσ与的关系曲线Fig.2 Curves of lgσ versus of samples at different T■—270 ℃;●—280 ℃;▲—290 ℃

表1 不同T下试样的nTab.1 n of samples at different T

2.3 黏流活化能(∆Eη)

∆Eη的大小体现出熔体ηa与T的关系，T会对聚合物熔体的ηa产生较大的影响，其关系可用Arrhenius方程来表示[6]:

ηa=Ae∆Eη/R T

(3)

式中：R为理想气体常数；A为指前因子。

对公式(3)两边取对数，得到公式(4)：

lnηa=lnA+∆Eη/RT

(4)

表2 不同下试样的∆EηTab.2 ∆Eη of samples at different

2.4 结构黏度指数(∆η)

∆η表示聚合物熔体的结构化程度，可以反映熔体内部大分子链的缠结程度和衡量纺丝流体可纺性好坏。在非牛顿区内,假塑性流体的∆η大于 0。∆η越小，表明流体的结构化程度越低，可纺性越好；反之，∆η越大表明纺丝熔体的结构化程度越大,大分子缠结越严重，可纺性和稳定性越差。∆η的计算公式如式(5)所示[8]:

(5)

图4 不同T下试样的lgηa与的关系曲线Fig.4 Curves of lgηa and of samples at different T■—270 ℃;●—280 ℃;▲—290 ℃

由图4的曲线斜率可以得到不同T下的∆η，如表3所示。

表3 不同T下试样的∆ηTab.3 ∆η of samples at different T

由表3可看出：随着T的升高，试样的∆η逐渐减小，说明试样的熔体结构化程度下降。这是因为T的升高会使得熔体的缠结点浓度降低，从而会使熔体的∆η减小。因此，在调整聚酯纺丝工艺过程中，在允许范围内提高纺丝温度可以改善其熔体的可纺性和稳定性。对比ECDP-1、ECDP-2与PET熔体的∆η可以看出，ECDP-1、ECDP-2的∆η较 PET 熔体高，表明ECDP-1、ECDP-2的结构化程度高于 PET 熔体，这是因为ECDP-1、ECDP-2引入的磺酸基团会导致空间位阻增加，分子间作用力增大，因此会导致ECDP-1、ECDP-2的∆η较大。

3 结论

d. ECDP-1、ECDP-2与PET的∆η随着T的升高而减小；在避免聚酯[η]发生较大幅度降低的前提下，适当升高纺丝T调整其∆η，从而可改善熔体的可纺性和稳定性。另外，ECDP-1、ECDP-2的∆η较PET熔体高，表明ECDP-1、ECDP-2的结构化程度高于PET熔体。