SiO2含量对PET扁丝力学性能的影响

王玉合，戴钧明，李喜亮，王树霞

(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，然而PP扁丝编织物耐候性差、易氧化，在存放过程中机械强度大幅降低，影响包装效果。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，目前主要应用于纺织行业，若能够开发PET扁丝塑编产品，将拓展PET的应用领域。国内对于PET扁丝的相关研究较少，市场上尚未见真正的PET扁丝产品[1-3]。

为改善扁丝的后加工性能、提升扁丝的机械强度等，通常在扁丝制备过程中加入一种或多种添加剂进行改性。目前，工业化生产的常规PP扁丝的规格及性能如下：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%[4]。为了改善PP扁丝的后加工性能，一般是在其制备过程中添加一定量的碳酸钙(CaCO3)，而其他添加剂的应用较少。

无机添加剂二氧化硅(SiO2)在PP扁丝行业应用较少，但在PET薄膜行业却应用广泛，是一种常用的开口剂。因此，作者在前期PET特性黏数对扁丝力学性能的影响[5]研究基础上，尝试采用无机添加剂SiO2应用于PET扁丝的改性；通过制备不同SiO2含量的PET及其扁丝，测试扁丝的主要物理机械性能如断裂强度、断裂伸长率及屈服性能指标，系统研究SiO2含量对PET扁丝力学性能的相关影响及影响规律，以期进一步对未来PET在扁丝领域的应用提供指导。

1 实验

1.1 原料

精对苯二甲酸(PTA)：中国石化仪征化纤有限责任公司产；乙二醇(EG)：中国石化扬子石化有限责任公司产；催化剂(乙二醇锑)：江苏大康实业有限公司产；SiO2：常规物性指标见表1，日本富士钛公司产。

表1 SiO2常规物性指标Tab.1 Conventional physical properties of SiO2

2)标准值均按照Q/SH 0074—2007测试。

1.2 主要设备及仪器

LMCR-300型多层共挤冷辊流延膜挤出机：泰国Labtech Engineering公司制；KARO IV型静态拉伸机：德国Brueckner公司制；Y501型相对黏度仪：美国Viscotek公司制；7890B型气相色谱仪：英国Agilent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SiO2含量PET的制备

按照常规PET聚合工艺在20 L聚合釜上制备不同SiO2含量的PET试样[5]，其中SiO2质量分数为0、0.3%、1.0%、1.5%的PET试样分别标记为PET-1、PET-2、PET-3、PET-4，各试样的常规性能见表2。

表2 PET试样的常规性能Tab.2 Conventional properties of PET samples

1.4 PET扁丝的制备

通过间歇法制备PET扁丝，具体方法及工艺条件参见文献[5]：将不同SiO2含量的PET试样烘干后，通过多层共挤冷辊流延膜挤出机制备流延铸片，经裂膜装置后，用卷绕机将分切好的胚丝收卷，然后通过静态拉伸机将收卷的胚丝在不同拉伸倍数(4.0～7.0)下进行拉伸制备PET扁丝，在一定拉伸倍数下由PET-1、PET-2、PET-3、PET-4试样得到的不同SiO2含量PET扁丝试样分别标记为1#，2#，3#，4#。

1.5 分析与测试

常规性能：按GB/T 14190—2017《纤维级聚酯(PET)切片试验方法》测试PET试样的常规性能。

拉伸性能：将PET扁丝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个样，结果取其平均值。

屈服性能：由静态拉伸机拉伸时所得PET扁丝的应力-应变曲线获得。

2 结果与讨论

2.1 不同SiO2含量PET扁丝的拉伸性能

从图1可知，随着拉伸倍数的提高，不同SiO2含量PET扁丝的拉伸强度均呈逐渐增大趋势，而断裂伸长率均呈逐渐降低趋势，即添加剂SiO2对PET扁丝的拉伸倍数与强伸性能之间对应关系的变化规律不产生影响[6-7]。

图1 不同SiO2含量PET扁丝拉伸强度及断裂伸长率随拉伸倍数的变化Fig.1 Dependence of tensile strength and elongation at break of PET flat filaments with different SiO2 content on draw ratio

从图2可知：在相同拉伸倍数下，本实验范围内随着SiO2含量的增加，PET扁丝的拉伸强度呈先增大后减小的趋势，在SiO2质量分数为0.3%时出现最大值；而断裂伸长率呈先减小后增大的趋势，在SiO2质量分数为0.3%时出现最小值。

图2 5.0倍拉伸时SiO2含量对PET扁丝拉伸强度和断裂伸长率的影响Fig.2 Effect of SiO2 content on tensile strength and elongation at break of PET flat filament at a draw ratio of 5.0

上述现象可能是由于当SiO2质量分数低于0.3%时，添加的SiO2与PET大分子链之间的物理化学作用对强度的增加主要起正作用，在拉力的作用下，二者之间较好的黏合使得模量较高的无机粒子与PET大分子链一起移动变形，从而使其强度升高；但当SiO2质量分数超过0.3%以后，过多的SiO2无机粒子对PET大分子主链之间相互作用的阻碍作用反而占了主导地位，进而影响了到了产品的强度[8]。

进一步对图1曲线进行线性拟合，可得到不同SiO2含量PET扁丝的拉伸强度、断裂伸长率的拟合方程，1#,2#,3#,4#试样的拟合方程分别见式(1)、(2)、(3)、(4)：

y1=111.8x-142.9y2=(-12.0x+96.3)%

(1)

y1=146.0x-251.0y2=(-12.5x+97.6)%

(2)

y1=142.9x-271.2y2=(-13.0x+101.0)%

(3)

y1=162.0x-406.5y2=(-14.5x+109.6)%

(4)

式中：y1，y2分别为PET扁丝的拉伸强度、断裂伸长率；x为拉伸倍数。

根据以上拟合方程式，分别可以计算出PET扁丝达到设定的拉伸强度或断裂伸长率时所需要的拉伸倍数。因此，结合目前市售的PP扁丝实际加工应用要求(拉伸强度大于等于350 MPa、断裂伸长率大于等于20%)，可根据拟合方程(1)～(4)分别计算出不同SiO2含量PET扁丝拉伸强度达到400 MPa或断裂伸长率达到25%时所需要的拉伸倍数(见表3)，这对PET扁丝后加工的拉伸过程的工艺选择具有重要的指导意义。

表3 一定拉伸强度和断裂伸长率下SiO2含量对PET扁丝拉伸倍数的影响Tab.3 Effect of SiO2 content on draw ratio of PET flat filament under a certain tensile strength and elongation at break

从表3可知，本实验范围内SiO2含量对PET扁丝断裂伸长率达到25%所需拉伸倍数或PET扁丝拉伸强度达到400MPa所需拉伸倍数的影响趋势基本相同，即随着SiO2含量的增加，所需拉伸倍数呈先减小后增大的趋势，且均在SiO2质量分数为0.3%时拉伸倍数出现最小值。在原料后加工过程中，一般均希望能在较小的拉伸倍数下获得满足应用性能要求的最终产品，这样可以增加后加工的工艺窗，且有利于提高生产负荷或提高产品的优等品率。从这个角度看，添加SiO2质量分数为0.3%时有利于PET扁丝的后加工过程，并有助于提高产品的收率。

2.2 不同SiO2含量PET扁丝的屈服性能

在固定拉伸倍数为5.0时，通过拉伸应力-应变曲线研究了相同拉伸条件下SiO2含量对PET扁丝屈服应力、屈服强度、屈服伸长率的影响规律。从表4可知：随着SiO2含量增加，PET扁丝的屈服应力呈逐渐降低并趋于稳定的趋势，在SiO2质量分数为0.3%时降幅最大，在SiO2质量分数为1.0%时趋于稳定；随着SiO2含量增加，PET扁丝的屈服强度呈先增大后减小的变化趋势，在SiO2质量分数为0.3%时增幅最大，继续增加SiO2质量分数达1.0%，屈服强度增幅很小，但继续增加SiO2质量分数至1.5%时屈服强度反而大幅减小；随着SiO2含量增加，PET扁丝的屈服伸长率也呈先增大后减小的趋势，在SiO2质量分数为1.0%时达最大值。

表4 SiO2含量对PET扁丝屈服性能的影响Tab.4 Effect of SiO2 content on yield properties of PET flat filament

在其他影响因素相同的前提下，材料屈服性能的差异更多的是反映的分子链或链段柔韧性的差异。由表4还可以看出，添加无机粒子SiO2后所得PET扁丝的屈服伸长率均变大，这是因为无机粒子SiO2起到了部分增韧的作用，PET扁丝受外力拉伸时SiO2起到了部分转移和分散应力的作用[9]，因而屈服应力较小，屈服强度、屈服伸长率较大。但SiO2添加量超过一定量后因分散在PET扁丝中的无机粒子较多，距离太近，拉伸过程产生的微裂纹易发展为宏观的开裂，所以PET扁丝的屈服强度和屈服伸长率反而降低[5]。

3 结论

a.随着拉伸倍数的提高，不同SiO2含量PET扁丝的拉伸强度均呈逐渐增大趋势，而断裂伸长率均呈逐渐降低趋势。在一定拉伸倍数下，随着SiO2含量的增加，PET扁丝的拉伸强度呈先增大后减小的趋势，在SiO2质量分数为0.3%时出现最大值；而断裂伸长率呈先减小后增大的趋势，在SiO2质量分数为0.3%时出现最小值。

b.设定PET扁丝拉伸强度为400 MPa或断裂伸长率为25%时，随着SiO2含量的增加，PET扁丝所需拉伸倍数呈先减小后增大的趋势，且均在SiO2质量分数为0.3%时拉伸倍数出现最小值。

c.随着SiO2含量增加，PET扁丝拉伸过程中的屈服应力呈逐渐降低并趋于稳定，屈服强度和屈服伸长率均呈先增大后减小的变化趋势。

d.综合考虑，采用无机添加剂SiO2改性PET扁丝，添加SiO2质量分数0.3%，所得PET扁丝具有较好的拉伸性能和屈服性能。