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第一章  特種纖維概述

編輯：廣東弗艾博纖維技術(shù)研究有限公司

第三節(jié) 纖維成形

 

芳香族聚酯的紡絲成形方法，與 PET的熔融紡絲法差不多。聚合好的共聚酯熔體可以直接進(jìn)入紡絲機(jī)，也可制成切片，經(jīng)過(guò)處理后再熔融擠出紡絲。一般紡絲速度在100～2000m/min，噴絲頭拉伸倍數(shù)超過(guò) 10以上，有較大的流動(dòng)伸長(zhǎng)變形。擠出過(guò)程中，熔體溫度控制在熔點(diǎn)稍高一些范圍，低于分解溫度以避免聚合物熱分解。大多數(shù)芳香族聚酯的紡絲溫度控制在 275～375 ，此時(shí)熔體呈熔致性液晶結(jié)構(gòu)，通過(guò)噴絲孔時(shí)，受到剪切應(yīng)力，大分子很容易沿著纖維軸向取向，還來(lái)不及熱松弛，紡絲細(xì)流就冷卻固化成形，分子取向幾乎完全保持，使初生纖維有較高的力學(xué)性能。芳香族聚酯的熔體粘度和剪切速率的關(guān)系，比較 HBA/HNA共聚酯與 PET的熔體行為，見(jiàn)圖 2-3所示。因?yàn)槭窍蛄行鸵壕再|(zhì)，稍受外力大分子沿著力場(chǎng)取向，所以共聚酯的熔體粘度受剪切力影響比 PET大得多，粘度受剪切速率的增加而下降，有利于高$ 聚合物的熔融紡絲，和 PPTA液晶紡絲一樣，相對(duì)分子質(zhì)量越高，紡出的纖維強(qiáng)度越大，但是聚合物的相對(duì)分子質(zhì)量也不能太高，因?yàn)槿廴谡扯葧?huì)急劇上升，使紡絲發(fā)生困難強(qiáng)度反而降低（見(jiàn)圖 2-3）。

 

圖 2-3 熔體粘度與剪切速率關(guān)系

隨著紡絲技術(shù)的進(jìn)步，目前熔致性液晶紡絲有兩種方法：

1、開始使用較低相對(duì)分子質(zhì)量，即粘度較低的熔體紡絲，工藝條件容易控制，但初生纖維強(qiáng)度較低，要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的高溫?zé)崽幚?，類似于固相縮聚反應(yīng)的效果，使纖維的相對(duì)分子質(zhì)量進(jìn)一步提高，從而提高強(qiáng)度。

2、采用適當(dāng)高的相對(duì)分子質(zhì)量，熔體粘度在高溫和高剪切速率下，仍處于熔融紡絲的范圍內(nèi)紡絲，所得初生纖維的強(qiáng)度為 9~ 18cN/dtex，用比較短的熱處理時(shí)間，即可進(jìn)一步提高纖維的強(qiáng)度和模量。

還有根據(jù) Zimmerman研究報(bào)道，高相對(duì)分子質(zhì)量的共聚酯其結(jié)晶熔融熱△H在 10J/g以下時(shí)，也可在紡絲溫度稍低于熔點(diǎn)而略微高于凝固點(diǎn)的范圍里進(jìn)行過(guò)冷紡絲，在比較低的紡絲速度下卷繞，可避免拉伸共振現(xiàn)象的發(fā)生，達(dá)到穩(wěn)定紡絲，這樣聚合物僅產(chǎn)生輕微的熱分解，所得初生纖維強(qiáng)度可高達(dá) 13 2cN/dtex以上，只需要短時(shí)間的熱處理，強(qiáng)度上升到 26 5cN/dtex左右，使人們很感興趣。

一般情況下芳香族聚酯紡絲成形后，不需要延伸工序，這點(diǎn)與柔性鏈 PET紡絲不同。由于初生纖維的線密度就是最終成品纖維的線密度，所以為了得到線密度小的纖維，要用細(xì)小的噴絲孔徑，大的紡絲剪切速率，從圖 2-3可知大的剪切速率下，熔融粘度較低，有利于紡絲成形。圖 2-4是紡絲細(xì)流冷卻固化時(shí)纖維直徑的變化情況，和 PET纖維相比，芳香族聚酯 HBA/HNA纖維在噴絲口下 10cm左右處急劇變細(xì)固化，直至卷繞，纖維的大分子取向和結(jié)構(gòu)的形成都在這 10cm內(nèi)完成。

熱處理對(duì)于芳香族聚酯纖維的成形是相當(dāng)關(guān)鍵的工序，要控制升溫速率和絲束的張力，在惰性氣氛保護(hù)下或減壓下，加熱到接近纖維熔點(diǎn)的溫度，連續(xù)除去生成的小分子副產(chǎn)物，增加纖維的相對(duì)分子質(zhì)量，提高纖維的強(qiáng)度，如表 2-3給出 H H Yang綜合文獻(xiàn)得到的數(shù)據(jù)。初生纖維經(jīng)過(guò)熱處理后性能變化的情況，圖 2-5給出了 熱處理纖維強(qiáng)度的關(guān)系。芳香族聚酯纖維經(jīng)過(guò)熱處理后，強(qiáng)度有大幅度的提高。目前認(rèn)為由于熱處理提供了分子末端運(yùn)動(dòng)的機(jī)會(huì)，發(fā)生進(jìn)一步固相縮聚，同時(shí)后結(jié)晶使纖維的結(jié)晶更加完善，因此提高了纖維的強(qiáng)度。

 

熱處理的機(jī)理比較復(fù)雜，許多認(rèn)識(shí)還來(lái)自于經(jīng)驗(yàn)的積累。經(jīng)過(guò)多年的研究，芳香族聚酯的熱處理時(shí)間，已經(jīng)從過(guò)去的幾十小時(shí)縮短到現(xiàn)在的幾十分鐘，但是熱處理仍然是芳香族聚酯生產(chǎn)區(qū)別于普通合成纖維的地方，也是生產(chǎn)成本居高不下的原因，今后它的研究方向仍然是提高纖維的性能和進(jìn)一步改進(jìn)生產(chǎn)工藝技術(shù)，以提高成本效益。

 

第四節(jié) 纖維的結(jié)構(gòu)和性能

芳香族聚酯纖維作為高科技纖維中重要的一個(gè)品種，研究開發(fā)歷史還比較短，共聚酯中各種單體和配比種類繁多，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，能商品化開發(fā)成高性能纖維的還比較少，但從纖維的物理機(jī)械性能看，可與芳香族聚酰胺纖維相媲美，表 2-4是代表性纖維的性能比較。和 PPTA纖維一樣，芳香族聚酯纖維的強(qiáng)度與聚合物的相對(duì)分子質(zhì)量有關(guān)，隨相對(duì)分子質(zhì)量增大而增加，如圖 2-6所示。

強(qiáng)度 2 65GPa，伸長(zhǎng) 2 2%，模量 106 4GPa，以適應(yīng)不同的用途需要。

從上面可知 Vectran纖維具有高強(qiáng)度、高模量，耐蠕變尺寸穩(wěn)定性好，有極低的吸濕率和耐化學(xué)腐蝕性，在 200 干熱和 100 濕熱條件下收縮率為零，因此可與 PPTA纖維相媲美，在耐水性、耐酸堿性及耐磨損方面還優(yōu)于 PPTA纖維，將在各個(gè)產(chǎn)業(yè)部門得到廣泛應(yīng)用。

 

第五節(jié) 用途

芳香族聚酯纖維有長(zhǎng)絲、短纖維及紙張等形式，主要應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)部門。作為高科技纖維的一個(gè)品種將參與市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，以其獨(dú)特的性能，在高性能船用纜繩、遠(yuǎn)洋捕魚網(wǎng)、傳送帶及電纜增強(qiáng)纖維、新一代體育器材、防護(hù)用品以及高級(jí)電子儀器結(jié)構(gòu)件等等方面得到應(yīng)用。

作為增強(qiáng)纖維材料，在光纜、特種電線中起支撐保護(hù)作用，與橡膠復(fù)合可制造耐高

壓軟管、傳送帶、耐磨密封件及汽車用橡膠部件，和樹脂復(fù)合可成為超薄型印刷電路基板。

纖維織物耐切割性好，是防護(hù)服、手套等安全用品的好材料，也是優(yōu)秀的耐高溫耐腐蝕的工業(yè)過(guò)濾布。

芳香族聚酯纖維特別適合編織漁網(wǎng)、養(yǎng)殖業(yè)圍網(wǎng)、船用繩索，它不怕潮濕，強(qiáng)度大，使用壽命長(zhǎng)，又可輕量化。

在體育器材方面，如網(wǎng)球板、頭盔及雪橇等也在開始使用?？傊S著芳香族聚酯纖維工業(yè)化進(jìn)程的發(fā)展，各種用途正在不斷開拓。新工藝、新的共聚物的研究成功以及工業(yè)技術(shù)的突破，預(yù)計(jì)芳香族聚酯纖維的性能會(huì)進(jìn)一步提高，成本也會(huì)大幅度下降，因此是一種有發(fā)展前景的高科技纖維材料。