LMTPEE/PET偏心复合纤维的制备及其性能

肖雪　何肖　邢喜全　张梦茹　王秀华

摘 要： 為了制备柔韧性好、弹性优良的低熔点复合纤维，以低熔点热塑性聚醚酯弹性体（LMTPEE）为皮层、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）为芯层通过熔融纺丝法制备了偏心复合纤维。探讨了复合比对LMTPEE/PET偏心复合纤维横截面、结晶性能、取向性能、拉伸性能、热收缩性能、卷曲性能等的影响，以及热处理温度对复合纤维的卷曲形貌和黏结性能的影响。结果表明：不同复合比的复合纤维横截面均有稳定的偏心结构；随着复合比（皮与芯的体积比）从40∶60改变到50∶50、60∶40，复合纤维的断裂伸长率和干热收缩率呈现增大的趋势，断裂强度、声速值、熔融焓和结晶度均逐渐减小。复合比为60∶40的LMTPEE/PET偏心复合纤维在热处理温度140 ℃、热处理时间10 min时，具有较好的卷曲性能；热处理温度高于170 ℃、热处理时间10 min时，纤维间发生黏结。该结果可为低熔点自卷曲纤维的制备和应用提供参考。

关键词： 低熔点TPEE；偏心皮芯复合纤维；热收缩性能；三维卷曲；黏结性能

中图分类号： TQ342.25

文献标志码： A

文章编号： 1673-3851 （2023） 11-0701-08

引文格式：肖雪，何肖，邢喜全，等.LMTPEE/PET偏心复合纤维的制备及其性能［J］. 浙江理工大学学报（自然科学），2023，49（6）：701-708.

Reference Format： XIAO Xue， HE Xiao， XING Xiquan， et al. Preparation of LMTPEE/PET composite fibers with an eccentric sheath-core and their properties［J］. Journal of Zhejiang Sci-Tech University，2023，49（6）：701-708.

Preparation of LMTPEE/PET composite fibers with an eccentric sheath-core and their properties

XIAO Xue1， HE Xiao2， XING Xiquan3， ZHANG Mengru1， WANG Xiuhua1

Abstract：  To prepare low melting point composite fibers with superior flexibility and elasticity， eccentric composite fibers were prepared by melt spinning with low melting point thermoplastic polyether ester elastomer （LMTPEE） as the skin component and polyethylene terephthalate （PET） as the core component. The effects of the composite ratio on the cross section， crystallinity， orientation， drawability， thermal shrinkage and crimp properties of the LMTPEE/PET fibers and the effects of heat treatment temperature on the crimp morphology and adhesion properties of the composite fibers were discussed. The results show that the cross sections of the composite fibers with various composite ratios have stable eccentric morphology. With the composite ratio （LMTPEE∶PETthe ratio of LMTPEE to PET） changing from 40∶60 to 50∶50 and 60：40， the breaking elongation and dry heat shrinkage of the composite fibers increase， while the tensile strength， sonic velocity， melting enthalpy and crystallinity decrease gradually. The LMTPEE/PET fibers with a composite ratio of 60∶40 show a superior crimping performance after being treated at 140 ℃ for 10 min， while they could adhere with each other at a heat treatment temperature higher than 170 °C for 10 min. The results can provide reference for the preparation and application of low melting point self-crimping fibers.

Key words： low melting point TPEE; eccentric sheath-core composite fiber; heat shrinkage; three-dimensional crimp; adhesion property

0 引 言

热熔黏合是非织造布制备的主要方法之一。其原理是将一定比例的低熔点纤维和主体纤维混合均匀后制成纤网，通过热处理使低熔点纤维受热熔融，与主体纤维产生黏结。随着纺丝技术的进步，已经开发出以低熔点组分为皮层、高熔点组分为芯层的皮芯型复合纤维，以此取代低熔点单组分纤维，低熔点复合纤维与主体纤维混合所制备的非织造布的蓬松度明显改善。目前此类皮芯复合纤维主要有PP/PE、PE/PET、LMPET/PET等，广泛应用于汽车坐垫、床垫、仿丝棉等非织造领域［1-2］。

LMPET/PET皮芯复合纤维由于成本低、制备技术成熟而受到广泛应用。皮层LMPET组分与芯层常规PET有着良好的相容性，当复合纤维加热到超过皮层熔点而低于芯层熔点时，皮层LMPET发生熔融与主体纤维发生黏结，而芯层仍保持原来的物理状态，起到支撑作用［3-5］。然而，LMPET/PET皮芯复合纤维呈物理刚性，其模量较高，所制非织造布的柔性和手感较差，导致其应用受到限制［6-7］。因此，寻求良好的柔韧性低熔点组分与PET复合制备纤维成为开发的关键。聚醚酯弹性体（TPEE）由高结晶聚酯硬段和无定形聚醚软段组成。硬段微晶形成物理交联，为TPEE提供力学性能；软段为其提供柔韧性。因此TPEE具有优良的弹性、机械强度和耐磨性等优点［8-10］。低熔点热塑性聚醚酯弹性体（Low melting point thermoplastic polyether ester elastomer，LMTPEE）是由TPEE改性制备，具有良好的回弹性、手感柔性和较好的聚酯相容性［11］。在复合方式上，与常规皮芯复合纤维相比，LMTPEE和常规PET以偏心方式进行复合纺丝，制得的纖维经松弛热处理后，其卷曲势能释放，呈现出类似弹簧结构的三维自卷曲效果［12］，所制非织造布具有良好的透气性和回弹性，可替代LMPET/PET皮芯复合纤维用于热熔黏合非织造布的制备。但目前尚未有LMTPEE/PET偏心皮芯复合纤维的研究报道。

本文以LMTPEE为皮层、常规PET为芯层，采用熔融纺丝技术制备LMTPEE/PET偏心皮芯复合纤维。讨论了复合比对LMTPEE/PET偏心复合纤维横截面、结晶性能、取向性能、拉伸性能、热收缩性能、卷曲性能等的影响，以及热处理温度对复合纤维的卷曲性能和黏结性能的影响，期望为此类低熔点自卷曲短纤维的制备和应用提供参考。

1 实验部分

1.1 原 料

LMTPEE切片：熔点158 ℃，特性黏度1.40 dL/g，熔融指数（230 ℃，2.16 kg）11.6 g/10min，四川晨光科新塑胶有限责任公司提供。

PET切片：纤维级，特性黏度0.65 dL/g，中国石化仪征化纤有限责任公司生产。

1.2 LMTPEE/PET偏心复合纤维的制备

1.2.1 切片干燥

将LMTPEE切片在真空转鼓烘箱中60 ℃干燥5 h，再80 ℃干燥24 h；PET在140 ℃真空转鼓烘箱中干燥12 h。

1.2.2 复合纺丝

通过熔融纺丝制备复合比（皮与芯的体积比）为40∶60、50∶50和60∶40的三种LMTPEE/PET偏心复合纤维，线密度分别为92.3、91.5 dtex和82.5 dtex。LMTPEE/PET偏心复合纤维的纺丝工艺参数见表1。

1.2.3 性能测试

横截面形貌观察：通过纤维哈氏切片器（Y172，上海祈工仪器设备有限公司）和光学显微镜（BX51，日本Olympus公司）观察偏心复合无油丝的横截面。

DSC测试：称取复合纤维5～10 mg，利用差示扫描量热仪（DSC 1，瑞士Mettler-Toledo公司）进行测试，在流量为50 mL/min的氮气保护下，以空坩埚为参比样，测试温度从25 ℃升至300 ℃，升温速率为10 ℃/min。

XRD测试：采用X射线衍射仪（A8 Advance，布鲁克AXS有限公司），将复合纤维剪成粉末状，铺成1 mm左右的薄片，使用Cu靶，扫描角度为5°～70°，扫描速度为3（°）/min。

声速取向性能测试：使用纤维试样的实测声速C（km/s）表征纤维的取向度。通过声速取向仪（SCY-Ⅲ，上海思尔达科学仪器有限公司）测定声速C，预张力0.1 cN/dtex，每个试样测5次，取平均值。

拉伸测试：采用电子单纱强力机（YG020B，常州八方力士纺织仪器有限公司）夹持距离为200 mm，预张力为0.05 cN/dtex，拉伸速度为1000 mm/min。

干热收缩测试：采用热空气收缩检测仪（TST 2，LENZING INSTRUMENTS公司），在140 ℃下静态测试5 min，预张力0.01 cN/dtex，每个试样测5次，取平均值。

卷曲性能测试：参考GB/T 6506—2017《合成纤维变形丝卷缩性能试验方法》，分别在120～180 ℃（每隔10 ℃进行测试）鼓风烘箱中，热处理时间为10 min，对样品进行卷曲性能测试，卷曲性能指标分别按式（1）—式（3）计算：

其中：CC为卷曲收缩率，%；CM为卷曲模量，%；CS为卷曲稳定度，%；Lg为0.12 cN/dtex张力下试样的长度，cm；Lz为0.001 cN/dtex张力下试样的长度，cm；Lf为0.01 cN/dtex张力下试样的长度，cm；Lb为1 cN/dtex张力下试样的长度，cm。

卷曲形貌测试：在手持光学显微镜（WIFI1MEGA，上海战晟机电设备有限公司）下观察干热处理后复合纤维的卷曲形貌。

黏结性能测试：将多根纤维交叉放在玻片上，在鼓风烘箱中分别进行160、165、170、175 ℃和180 ℃热处理，待冷却后利用光学显微镜拍摄黏结情况。

2 结果与讨论

2.1 复合比对纤维性能的影响

2.1.1 横截面分析

图1是复合比为40∶60、50∶50和60∶40的LMTPEE/PET偏心皮芯复合无油丝的横截面图。由图1可知，随着皮层LMTPEE的比例逐渐提高，芯层PET的比例逐渐降低，不同复合比的偏心复合纤维横截面都有稳定的偏心结构，皮层和芯层的包覆效果较好。

2.1.2 结晶性能分析

图2是不同复合比的复合纤维的DSC第一次升温曲线和XRD图谱。由图2（a）知，不同复合比的复合纤维DSC第一次升温曲线上都只有255 ℃左右一个熔融峰，此熔融峰为芯层PET的熔融峰。而皮层LMTPEE的熔融峰不明显，说明皮层LMTPEE的结晶度很低。这是因为LMTPEE组分中引入的第三单体IPA和软链段PTMG破坏了PBT链段的规整性，使皮层结晶能力下降。随着复合比从40∶60变到60∶40，即皮层比例逐渐增加，芯层比例逐渐减少，芯层的熔融焓逐渐减少［13］。

由图2（b）知，复合比为40∶60的复合纤维XRD光谱在2θ为17.5°、22.44°和25.48°出现衍射峰，该衍射峰为PET晶体中（010）、（-110）、（100）晶面所贡献［13］。随着LMTPEE组分比例增多，与上述光谱不同，复合比为50∶50和60∶40的复合纤维光谱中在2θ为17.0°、20.2°、23.0°和24.8°处出现衍射峰，该衍射峰为LMTPEE组分中的硬链段PBT晶体中（010）、（-111）、（100）和（111）晶面所贡献［14-15］，此时复合纤维衍射峰是皮层硬段PBT和芯层PET的衍射峰叠加形成的。随着皮层LMTPEE比例增多，皮层硬段PBT的2θ为20.2°的特征峰逐漸明显，随着芯层PET比例降低，复合纤维的衍射峰趋于缓和，表明复合纤维的结晶度降低。这与不同复合比的复合纤维DSC测试结果一致。

根据纤维的结晶性能测试结果知，皮层LMTPEE结晶度很低，熔融纺丝时单丝间容易发生黏结，会影响LMTPEE/PET偏心复合纤维的可纺性，所以在纺丝时应强化冷却效果，使丝条迅速冷却成形。

2.1.3 取向性能分析

图3是声速C随复合比变化柱状图。由图3知，随着复合比从40∶60变到60∶40，复合纤维的声速C由2.48 km/s减小到2.06 km/s。这是因为在LMTPEE/PET偏心复合纤维中芯层组分在牵伸中承担较大的拉伸应力，相应取向程度较高，因此随着芯层比例逐渐减少，复合纤维的取向度减小［16］。

2.1.4 拉伸性能分析

图4分别是不同复合比的复合纤维的断裂伸长率、断裂强度随复合比变化曲线。由图4可知，随着皮层比例逐渐增加，复合纤维的断裂伸长率从46.7%增大到51.4%，这是因为LMTPEE/PET偏心复合纤维中的皮层主要为复合纤维提供柔韧性；与此同时，断裂强度从2.8 cN/dtex降低至2.3 cN/dtex，这是因为芯层PET主要为复合纤维提供强度支撑。因此随着皮层比例逐渐增加、芯层比例逐渐减少，复合纤维的断裂伸长率升高、断裂强度降低。

2.1.5 热收缩性能分析

图5是不同复合比的复合纤维在140 ℃热处理5 min后的收缩率柱状图。随着复合比从40∶60变到60∶40，复合纤维的干热收缩率从3.5%增至7.0%。这是因为复合纤维的热收缩主要与纤维的取向和结晶结构有关，由于皮层组分中引入的第三单体IPA破坏了PBT链段的规整性，结晶能力明显下降，所以随着皮层比例逐渐增加，在热的作用下非晶区取向分子链的解取向程度逐渐增大，宏观表现为收缩率上升［17］。结果表明复合纤维中皮层LMTPEE为高收缩组分，芯层PET为低收缩组分。

2.1.6 卷曲性能分析

图6为不同复合比的LMTPEE/PET偏心复合纤维经140 ℃处理10 min后的卷曲性能曲线和卷曲形貌图。由图6（a）可知，随着复合比从40∶60变到60∶40，复合纤维的卷曲收缩率、卷曲模量和卷曲稳定度都增大。当复合比为60∶40时，偏心复合纤维的各项卷曲指标最好，卷曲收缩率为8.76%，卷曲模量为7.27%，卷曲稳定度为94.7%。这表明偏心复合纤维中皮层LMTPEE组分比例越多，在热的作用下两组分间的热收缩应力差越大，复合纤维的卷曲性能越好［18］。从图6（b）也可以看出，当复合比为60∶40时偏心复合纤维更加卷曲。

2.2 热处理温度对纤维性能的影响

选择复合比为60∶40的LMTPEE/PET偏心复合纤维进行实验。

2.2.1 热处理温度对纤维卷曲性能的影响

图7分别是不同热处理温度下复合纤维的卷曲指标曲线和卷曲形貌图。由图7（a）可知，随着热处理温度从120 ℃升至180 ℃，复合纤维的卷曲收缩率、卷曲模量、卷曲稳定度均为先上升后降低。当热处理温度为140 ℃时复合纤维的卷曲性能达到最好、卷曲形貌中螺旋密度最高（图7（b）），其卷曲收缩率为8.76%，卷曲模量为7.27%，卷曲稳定度为94.7%，表明当热处理温度为140 ℃时卷曲性能最好。因为随着热处理温度升高，复合纤维的分子链获得能量，卷曲势能释放越大，卷曲呈现就越好［19］。热处理温度高于160 ℃时，皮层LMTPEE组分开始熔融，纤维间发生黏结，限制了纤维的卷曲呈现。

2.2.2 热处理温度对纤维黏结性能的影响

图8是复合纤维在160～180 ℃下热处理10 min后的纤维间黏结图。热处理温度低于165 ℃时，皮层未发生黏性流动；而热处理温度高于170 ℃时，芯层均保持原来的物理状态，皮层逐渐发生熔融，纤维间产生黏结（见图c、图d和图e中划圈标记处）。这是因为热处理温度为160～165 ℃刚达到LMTPEE的熔点，难以出现良好的黏性流动。而当热处理温度高于170 ℃时，皮层发生黏性流动，冷却后纤维间产生黏结。但热处理温度远低于芯层的熔点，所以芯层仍保持原有状态，起到了支撑作用［20］。

3 结 论

本文通过熔融纺丝法制备了LMTPEE为皮组分、PET为芯组分的偏心复合纤维，讨论了复合比对LMTPEE/PET偏心皮芯复合纤维横截面、结晶性能、取向性能、拉伸性能、热收缩性能、卷曲性能的影响，以及热处理温度对复合纤维的卷曲性能和黏结性能的影响。主要研究结论为：

a）根据DSC和XRD测试结果知，皮层LMTPEE结晶度很低，熔融纺丝时单丝间容易发生黏结，会影响LMTPEE/PET偏心复合纤维的可纺性，所以在纺丝时应强化冷却效果，使丝条迅速冷却成形。

b）复合比为40∶60、50∶50、60∶40的偏心复合纤维横截面都有均一稳定的偏心结构，皮层和芯层的包覆效果较好。

c）随着复合比从40∶60到60∶40的变化，即皮层LMTPEE比例逐渐提高、芯层PET比例逐渐降低，复合纤维的断裂伸长率和干热收缩率逐渐提高，断裂强度、声速C值、熔融焓和结晶度均逐渐降低。

d）复合比为60∶40的LMTPEE/PET偏心复合纤维，在热处理温度为140 ℃、热处理时间为10 min时，具有较好的卷曲性能；在170 ℃以上热处理10 min时，皮层LMTPEE进入黏流态，纤维间会发生黏结。

参考文献：

［1］徐朝晨， 吉鹏， 王朝生， 等. 国内外低熔点纤维的发展现状及趋势［J］. 合成纤维工业， 2020， 43 （6）：54-58.

［2］林世东， 姚洪涛. 我国低熔点涤纶短纤维的发展现状及发展趋势［J］. 合成纤维工业， 2018， 41（5）：40-45.

［3］邹多福， 伍凯飞. 低熔点聚酯的开发与应用概况［J］. 轻纺工业与技术， 2018，47（增刊1）：3-5.

［4］江峰， 代本祝， 陈文健， 等. 低熔点高黏接强度共聚酯热熔黏合剂的制备［J］. 长春工业大学学报， 2021， 42（1）：80-83.

［5］王少博， 王朝生， 王华平. 低熔点共聚酯的流变性能及其皮芯复合纺丝研究［J］. 合成纤维工业， 2016， 39（4）：33-37.

［6］吴文锟. 皮芯型低熔点聚酯复合纤维的生产及热缩性能评价［J］. 化工管理， 2020 （3）：114.

［7］黄志超. 超低熔点共聚酯材料的制备及其对织物抗起毛起球性能的影响［D］. 杭州： 浙江理工大学， 2018： 1-8.

［8］Zhang J W， Liu F， Wang J G， et al. Synthesis of poly（butylene terephthalate）-poly（tetramethylene glycol） copolymers using terephthalic acid as starting material： a comparation between two synthetic strategies［J］. Chinese Journal of Polymer Science， 2015， 33（9）：1283-1293.

［9］Fei X， Wang J G， Zhu J， et al. Biobased poly （ethylene 2，5-furancoate） ： no longer an alternative， but an irreplaceable polyester in the polymer industry［J］. ACS Sustainable Chemistry & Engineering， 2020， 8（23）：8471-8485.

［10］Chi D， Fei L， Na H ， et al. Poly（neopentyl glycol 2，5-furandicarboxylate）： a promising hard segment for the development of bio-based thermoplastic poly（ether-ester） elastomer with high performance［J］. ACS Sustainable Chemistry & Engineering， 2018， 6（8）：9893-9902.

［11］Chen C W， Hsu T S， Rwei S P. Effect of ethylene diaminetetraacetic acid on unsaturated poly（butylene adipate-co-butylene itaconate） copolyester with low-melting point and controllable hardness［J］. Polymers， 2019， 11（4）：611.

［12］Denton M J. 25-The crimp curvature of bicomponent fibres［J］. Journal of the Textile Institute， 1982， 73（6）：253-263.

［13］Yu J C， Yan T W， Ji H C， et al. The evolution of structure and performance in copolyether-ester fibers with different heat-treatment process［J］. Journal of Polymer Research， 2019， 26（2）：50.

［14］Liu F， Zhang J W， Wang J G， et al. Incorporation of 1，4-cyclohexanedicarboxylic acid into poly（butylene terephthalate）-b-poly（tetramethylene glyclo） to alter thermal properties without compromising tensile and elastic properties［J］. RSC Advances， 2015， 5（114）：94091-94098.

［15］高峰， 孫燕琳， 肖顺立， 等. 不同牵伸倍率下聚酯复合纤维的微观结构与性能［J］. 纺织学报， 2022， 43（8）：34-39.

［16］高庆文. 高低黏PET并列复合纤维的制备及结构性能研究［D］. 杭州： 浙江理工大学， 2019： 27-28.

［17］严岩， 朱福和， 潘晓娣， 等. 低熔点皮芯复合聚酯纤维干热收缩研究［J］. 合成技术及应用， 2018， 33（3）：5-9.

［18］何崎， 范天翔， 李军令， 等. 热处理对PTMG-PBT/PET复合纤维性能的影响［J］. 合成纤维， 2021， 50（12）：1-4.

［19］林巧巧， 高庆文， 胡园超，等. PA/PU 偏心皮芯复合长丝的热收缩和卷曲性能［J］. 合成纤维， 2018， 47（3）：31-34.

［20］束永健， 陈文兴， 钱军， 等. 低熔点再生聚酯皮芯复合短纤维的性能表征［J］. 合成纤维， 2016， 45（4）：15-18.

（责任编辑：张会巍）

收稿日期： 2023-02-16网络出版日期：2023-06-07

基金项目： 宁波“科技创新2025”重大专项（宁波市重大科技任务攻关项目）（2022Z156）

作者简介： 肖 雪（1998- ），女，湖南常德人，硕士研究生，主要从事新型纤维材料方面的研究。

通信作者： 王秀华，E-mail：wxiuhua@126.com