涤纶POY动态热应力测试方法及影响因素

2022-01-13孙燕琳肖顺立林雪燕颜志勇

合成纤维工业 2021年6期

孙燕琳，肖顺立，林雪燕，颜志勇

(1.桐昆集团股份有限公司，浙江桐乡 314513； 2.嘉兴学院，浙江嘉兴 314001)

纤维的动态热应力[1]平均数值大小和波动变化量能直接反映出纤维长程范围内微观结构的均匀性，如纤维内部晶区和非晶区分布的均匀性、大分子链长程取向的均匀性等物理性能[2-3]。将涤纶预取向丝(POY)加热到玻璃化转变温度(Tg)以上，测试其动态热应力，能模拟POY拉伸等过程，还能判断其结构性能[1, 4]，如力学性能、沸水收缩率、染色均匀性等。但测试过程的参数选择也可能造成测试结果误差，因此，已经制订了FZ/T 50051—2020《涤纶预取向丝动态热应力试验方法》标准的测试条件，为了扩大我国纤维产业在国际上的影响力，该标准正在努力上升为国际标准。为此，作者探讨预张力、热箱内温度、拉伸比和收丝速度等对涤纶POY动态热应力测试结果的影响，以便能更好指导实际生产。

1 实验

1.1 原料

涤纶POY：其规格分别为140 dtex/72 f、267 dtex/48 f、368 dtex/288 f，相应的单根纤维的线密度(dpf)分别为1.28，1.94，5.56 dtex，自制。

1.2 仪器

YG367型全自动长丝热应力测试仪：加热箱长度78 cm，温度范围为室温～300 ℃，收纱速度10～400 m/min，纤维试样长度10 ～999 m，常州八方力士纺织仪器有限公司制。

1.3 实验方法

采用YG367型全自动长丝热应力测试仪进行涤纶POY的动态热应力测试。

涤纶POY的动态热应力测试原理及方法为：POY经恒张力控制器，缠绕在导丝罗拉上，引入到热箱中，穿越热箱后经动态热应力测量轮，牵引到牵伸轮上，经吸丝器收集。恒张力控制器上有弹簧碟片，可以控制导丝罗拉上纤维张力大小，这个张力称为预张力。导丝罗拉和牵伸轮的速度之比，称为拉伸比。本实验仪器的导丝罗拉和牵伸轮共用同一台电机的转轴和变频器，因此，导丝罗拉和牵伸轮的角速度一样，拉伸比即为牵伸轮直径与导丝罗拉直径之比。收纱速度，即为牵伸轮的线速度。涤纶POY经加热、拉伸后的应力变化，通过测量轮上的传感器转换成电信号，计算机采集处理，直接绘制出应力波动曲线，并计算应力的平均值、最大值、最小值、均方差和变异系数(CV)等。

2 结果与讨论

2.1 预张力的影响

涤纶POY动态热应力测试过程中，会发生纤维通过导丝罗拉导入热箱，纤维在热箱持续运行的稳定性关系到拉伸过程中微观结构的变化。为了使纤维在导丝罗拉上纤维张力及运行速度稳定，在导丝罗拉的前面，安装了恒张力控制器，将纤维引入到加热箱里稳定运行。根据涤纶POY特性、已有文献[5]和实际操作经验，施加单位线密度预张力分别为0.03，0.04，0.05，0.06，0.07 cN/dtex，测试涤纶POY动态热应力的实验条件如表1所示。

表1 不同预张力的实验条件

按照表1实验条件，测试涤纶POY动态热应力时将热应力仪器上的读数列于表2中。从表2可以看出：整束涤纶POY的纤维线密度越大，则整束纤维的动态热应力测试值也越大。这是由于涤纶POY单根纤维数量越多、线密度越大，纤维内聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)大分子链数目越多，从而其动态热应力越大。由表2还可以看出：3种规格的涤纶POY的dpf不同，当施加预张力从0.03 cN/dtex增加到0.07 cN/dtex时，每种纤维的单位线密度动态热应力测试值没有明显变化，表明这个范围内的预张力变化对动态热应力的测试值没有明显影响。另外，从表2还可以看出：预张力大小对涤纶POY热应力CV值有显著影响，对于每一种规格的纤维，预张力从0.03 cN/dtex增加到0.07 cN/dtex，各动态热应力CV值先减少后增加。如对于368 dtex/288 f(dpf 1.28 dtex)的涤纶POY，当预张力为0.05 cN/dtex时，其动态热应力CV值只有0.19%;而预张力为0.07 cN/dtex时，其动态热应力CV值为0.53%。这表明预张力太小或太大，都会引起纤维与轮子表面的摩擦力较大波动，从而导致动态热应力读数变化较大。

表2 单位线密度动态热应力及其CV值与预张力的关系

2.2 热箱内温度的影响

测试涤纶POY动态热应力时，涤纶POY在热箱内受热同时被拉伸，根据涤纶拉伸原理，PET大分子链的状态与所处温度环境有关。当PET大分子链温度高于其Tg，PET大分子链段开始运动，大分子链由卷曲状态伸直。因此，热箱内温度高于PET分子的Tg，即超过80 ℃后PET大分子链段在拉伸应力作用下逐渐伸直[6]，纤维长度增加，纤维直径变小。

涤纶POY从室温进入热箱，受到热箱热辐射，纤维温度逐渐升高，达到Tg，大分子链段开始运动，在轴向拉伸应力作用下伸直分子链的数量越多，分子链段取向度越高，局部区域内分子链由一维有序形发展成三维有序的结晶态结构，结晶过程中放出热量，纤维温度产生一个极大值[6]。

为了模拟涤纶POY实际拉伸效果，采用与实际生产相近的拉伸比1.65，考察拉伸温度与动态热应力的关系，结果如表3所示。

表3 单位线密度动态热应力测试值与拉伸温度的关系

从表3可以看出：对于每一种不同线密度纤维，热箱温度在165 ℃以上变化时，其纤维的动态热应力测试值并没有明显增加或减少，都基本保持不变。这是由于热箱内温度高于165 ℃时，纤维进入热箱内，较短时间内纤维的温度高于Tg温度，PET大分子链段开始运动，进入高弹态，产生高弹形变，高弹态的松驰时间与分子链段的黏度和高弹模量有关[7]；当热箱温度高于Tg80 ℃时，纤维的拉伸黏度变小，分子链段自由体积变大，分子链段之间的内摩擦阻力变小，分子链段高弹态松驰时间变小，能及时响应外界张力的形变而不产生滞后，在拉伸张力作用下，分子链段之间没有参与内应力，因而表现出动态热应力并没有随温度升高而变化。从表3还可以看出：dpf越小，单位线密度动态热应力越大，说明在加热箱内，纤维受热速率与dpf有关。如368 dtex/288 f(dpf为1.28 dtex)、140 dtex/72 f(dpf为1.94 dtex)、267 dtex/48 f(dpf为5.56 dtex)规格的纤维的单位线密度动态热应力分别为0.42，0.40，0.34 cN/dtex。另外，随着拉伸温度的升高，纤维热应力CV值整体上呈降低的趋势。这是由于温度越高，纤维升温越快，有利于拉伸稳定，导致动态热应力波动小，动态热应力CV值减小。

2.3 拉伸比的影响

从表4可见：同一规格的涤纶POY的动态热应力测试值都随着拉伸比的增加而增加。

表4 单位线密度动态热应力测试值与拉伸倍数的关系

这是由于拉伸比增加，施加在纤维上的形变速率越大，要求分子链段响应形变速率增加，分子链段高弹松驰时间不变情况下，分子链段之间内应力增加；同时，拉伸比增加，拉伸张力迫使更多分子链段由卷曲状态转变为更加伸直的链段，分子链段之间的运动阻力增加，表现出纤维形变响应越滞后，导致分子链段之间的内应力增加，因而宏观表现为纤维动态热应力随拉伸比的增加而增加。由表4还可看出：相同拉伸比的情况下，纤维的dpf越小，单位线密度动态热应力越大。当纤维dpf小于2 dtex时，纤维的动态热应力CV值随拉伸比的增加整体呈降低趋势；但纤维dpf高于5.5 dtex时，纤维的动态热应力CV值整体上随拉伸比的增加而呈升高的趋势。另外，在拉伸比相同的情况下，随着拉伸温度降低，纤维的动态热应力CV值也随之降低。

2.4 收纱速度的影响

从表5可以看出：一定收纱速度下，纤维线密度越大，动态热应力值越大；随着收纱速度提高，不同规格纤维动态热应力值都增加。这是由于收纱速度越大，施加在纤维分子链段上的应变越快的缘故。

表5 单位线密度热应力测试值与收纱速度之间关系

从表5还可以看出：涤纶POY的单位线密度动态热应力测试值随收纱速度的增加而增加，但增加的幅度很小。对比每种规格纤维的动态热应力和单位线密度动态热应力数据，收纱速度从150 m/min增加到250 m/min，单位线密度动态热应力值增加幅度没有整束纤维动态热应力增幅明显，表明收纱速度小于250 m/min时，对单位线密度动态热应力的影响很小。另外，对于不同规格的涤纶POY，当收纱速度从50 m/min增加到250 m/min，热应力CV值有降低趋势。dpf越大，热应力CV值降低趋势越明显。