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中空皮芯復(fù)合纖維取向度和結(jié)晶度的測定

 

楊旭儉  何艷軍

編輯：廣東弗艾博纖維技術(shù)研究有限公司

（天津工業(yè)大學(xué)改性與功能纖維天津市重點實驗室"天津 300160）

 

 

摘 要：本文在制備了含有0-20wt%的乙烯—醋酸乙烯共聚物(EVA)/聚丙烯(PP)共混切片的基礎(chǔ)上,以PP為皮層EVA/PP共混物為芯層,采用熔融紡絲工藝制備出了皮芯,復(fù)合中空纖維。通過采用聲速儀、X-射線衍射（WXRD）等分析與檢測手段對纖維取向度和結(jié)晶度進行了測定。結(jié)果表明：EVA含量的增加，纖維的結(jié)晶度明顯降低；拉伸大大提高了纖維的取向度和結(jié)晶度。

關(guān)鍵詞:中空復(fù)合纖維、結(jié)晶度、取向度

 

對于纖維結(jié)構(gòu)的研究"一般采用兩相結(jié)構(gòu)理論：即認(rèn)為纖維的微細(xì)結(jié)構(gòu)是由結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)組成。在結(jié)晶區(qū)中，組成纖維的大分子呈有序排列狀態(tài)；在非結(jié)晶區(qū)中，大分子為無序排列狀態(tài)。表征纖維結(jié)構(gòu)的參數(shù)一般有聚合度、鏈段長度、結(jié)晶度與結(jié)晶區(qū)分布、取向度與取向度分布、微細(xì)結(jié)構(gòu)尺寸等，其中結(jié)晶度與取向度是較常用的兩個指標(biāo)^(1-3)。

纖維取向度是纖維在拉伸過程中微晶體產(chǎn)生的方向效應(yīng)，即取向效應(yīng)。取向度就是表示纖維的晶體軸沿著拉伸方向排列的平行程度或擇優(yōu)取向程度。纖維的取向度對纖維的機械強度、彈性模量及其它機械性能都有直接的影響，因此對纖維取向度進行測定有著非常重要的實際意義。結(jié)晶度是表征高聚物的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，高聚物結(jié)晶度的測定在理論上和實際上都是一個重要而又復(fù)雜的課題^[4-5]。

通常的熔融紡絲工藝制備的纖維為均勻的圓形，為了得到改性差別化纖維，各種異形截面和中空纖維也得到了開發(fā)，已經(jīng)開發(fā)出了單中空、四中空和七中空纖維^[6-9]。這些纖維在用作保溫材料和填充材料方面具有優(yōu)良的性能，但這些纖維只有一種成分構(gòu)成。本實驗采用熔融紡絲法制備出粗細(xì)均勻的中空皮芯復(fù)合纖維，其特點在于其橫截面包含一個皮層及一個具有中空部分的芯層。由于芯層為EVA/PP共混物，具有吸油的特性，因此該纖維可以用來吸附油性香料抗菌劑及驅(qū)蚊液等，用作床單、被絮、床單、窗簾、枕頭、地毯、玩具等等織物的填充物，到一定的醫(yī)療保健等功效。

 

1實驗部分

1.1實驗樣品

中空復(fù)合纖維是通過熔融紡絲自行研制的，其皮層采用聚丙烯樹脂（PP），芯層采用聚丙烯樹脂/乙烯醋酸乙烯共聚樹脂EVA/PP。

1.2聲速法測中空復(fù)合纖維取向度

采用SSY—1型聲速儀，用多點法測中空復(fù)合纖維的聲速取向因子f_s。

1.3X—射線衍射分析（WXRD）

采用美國BRUKER AXS D8 DISCOVER型X—射線衍射儀,將中空復(fù)合纖維平行繞成束進行赤道反射連續(xù)掃描,掃描范圍2O=5~50⁰,對最強衍射峰進行方位角透射掃描，測取方位角方向強度分布曲線圖。

 

2結(jié)果與討論

2.1聲速法測中空復(fù)合纖維取向度

纖維的取向度是表征纖維材料超分子結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)的重要參數(shù)。聲速法是通過測定聲波在材料中傳播速度來計算材料的取向度。其原理是基于纖維材料中因大分子鏈的取向而導(dǎo)致聲波傳播的各向異性。在聲波傳遞時，發(fā)生的任何形變都是分子內(nèi)和分子間形變的加和^[1、2]。

 

 

本實驗以0.1gf/dtex的要求計算應(yīng)加張力,該張力是使纖維伸直的最低負(fù)荷,在15cm、20cm、25cm、30cm、35cm、40cm處分別連續(xù)記錄聲波傳播時間的10個數(shù)字,分別求出其平均值,即該長度纖維內(nèi)聲波的傳播時間T根據(jù)L—T線求得的斜率即為聲波在試樣中的實際傳播速度C,代入公式求得

f

 

s。

 

由表1可以看出，在同一溫度下，隨著拉伸倍數(shù)的增加，分子的取向度單調(diào)增大。纖維的拉伸屬于單軸拉伸，在此過程中分子排列發(fā)生很大變化，分子都在與拉伸方向相平行的方向取向。對于未拉伸的高分子材料來說，其中鏈段是隨機取向的，材料呈現(xiàn)各向同性。而經(jīng)拉伸后的纖維，鏈段在某些方向上是擇優(yōu)取向的，拉伸倍數(shù)越大，大分子沿軸向排列程度越大，取向度越大。

2.2  X—射線分析

WAXD測定結(jié)晶度的所有方法的理論基礎(chǔ)都是Vainshtein強度守恒律。該定律指出：任何相同的原子體系，當(dāng)以恒強的X—射線入射時，則不論該體系是不完善的次晶、完善的結(jié)晶、非晶或多相共存系，該體系在全倒易空間里相關(guān)散射的總強度守恒。故對于纖維這種由晶區(qū)和非晶區(qū)組成的兩相體系，其總衍射強度是晶區(qū)與非晶區(qū)衍射強度之和^[10-12]。

圖1為中空復(fù)合纖維的X—射線衍射譜圖，從圖可以看出其特征峰2O為14⁰,16.8⁰和18.4⁰，因此結(jié)晶結(jié)構(gòu)為a晶型。由于晶粒高度取向，位于21.2⁰和22.1⁰的（131）、

（111）衍射峰主要出現(xiàn)在與拉伸軸45⁰的方向，因此赤道方向沒有衍射出現(xiàn)。纖維的WAXD圖譜可以分解為EVA和PP各自的譜圖,PP組分的特征峰并未由于EVA的存在而發(fā)生改變,說明EVA和PP以各自的結(jié)晶結(jié)構(gòu)結(jié)晶。

 

本實驗采用分峰法測定纖維的結(jié)晶度。采集衍射圖后，先大致確定非晶峰及各衍射峰的峰位和半高寬，假設(shè)峰形函數(shù)，經(jīng)扣除衍射花樣的背底，然后用迭代法分離出非晶峰和各個結(jié)晶峰。結(jié)晶度即試樣中結(jié)晶部分所占的質(zhì)量或體積分?jǐn)?shù)，是表征纖維結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)。測定晶態(tài)聚合物結(jié)晶度是根據(jù)：總的相干散射強度等于晶區(qū)和非晶區(qū)相干散射強度之和，即：

 

從表2可以看出，隨著EVA含量的增加，纖維的表觀結(jié)晶度逐漸降低，主要是由EVA趨向”塑化效應(yīng)”，同時增加了聚合物鏈之間的距離，而EVA共聚物中固有的CH₃COO基團形成的空間障礙這一極其重要的因素,以上因素共同作用使纖維的結(jié)晶度明顯降低。

 

圖2顯示的是拉伸倍數(shù)對纖維結(jié)晶度的影響。從表3可以看出，在合適的拉伸比范圍內(nèi)，纖維的結(jié)晶度隨著拉伸比的增大而增大。拉伸比過高或過低時，結(jié)晶度變小^[10]。初生纖維的拉伸過程是破壞初生纖維的原有結(jié)構(gòu)形態(tài)，生成新的序態(tài)結(jié)構(gòu)，在拉伸應(yīng)力和熱效應(yīng)的作用下，使大分子鏈段的活動性增加，各種結(jié)構(gòu)單元滑著纖維軸向取向聚集，重新排列、增加新結(jié)合點，使纖維的更多分子鏈處于最佳的應(yīng)力承受狀態(tài)，并產(chǎn)生三維結(jié)構(gòu)的規(guī)整性（即結(jié)晶）。在熱拉伸過程中，由于應(yīng)力和溫度的作用，PP組分部分結(jié)晶尤其是球晶受到破壞，無定形區(qū)鏈分子沿軸取向，部分分子鏈段可能因高度有序排列砌入晶格而結(jié)晶，在適當(dāng)?shù)睦毂确秶鷥?nèi)，結(jié)晶的成核速率和生長速率比結(jié)晶破壞速率大；當(dāng)拉伸比過高時，結(jié)晶破壞速率大于生長速率，使結(jié)晶度變小；拉伸比過低時，沒有應(yīng)力誘導(dǎo)結(jié)晶，使結(jié)晶生長速率減緩，而引起結(jié)晶度變小。

 

3結(jié)論

3.1隨著EVA含量的增加，纖維的結(jié)晶度明顯降低；合理的拉伸大大提高纖維的結(jié)晶度和取向度。

3.2中空復(fù)合纖維中EVA/PP共混物晶體結(jié)構(gòu)中EVA晶區(qū)和PP晶區(qū)是獨立存在的,不能形成混晶。

 

 

 

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