中空皮芯复合纤维取向度和结晶度的测定

 

杨旭俭  何艳军

编辑：广东弗艾博纤维技术研究有限公司

（天津工业大学改性与功能纤维天津市重点实验室"天津 300160）

 

 

摘 要：本文在制备了含有0-20wt%的乙烯—醋酸乙烯共聚物(EVA)/聚丙烯(PP)共混切片的基础上,以PP为皮层EVA/PP共混物为芯层,采用熔融纺丝工艺制备出了皮芯,复合中空纤维。通过采用声速仪、X-射线衍射（WXRD）等分析与检测手段对纤维取向度和结晶度进行了测定。结果表明：EVA含量的增加，纤维的结晶度明显降低；拉伸大大提高了纤维的取向度和结晶度。

关键词:中空复合纤维、结晶度、取向度

 

对于纤维结构的研究"一般采用两相结构理论：即认为纤维的微细结构是由结晶区和非结晶区组成。在结晶区中，组成纤维的大分子呈有序排列状态；在非结晶区中，大分子为无序排列状态。表征纤维结构的参数一般有聚合度、链段长度、结晶度与结晶区分布、取向度与取向度分布、微细结构尺寸等，其中结晶度与取向度是较常用的两个指标^(1-3)。

纤维取向度是纤维在拉伸过程中微晶体产生的方向效应，即取向效应。取向度就是表示纤维的晶体轴沿着拉伸方向排列的平行程度或择优取向程度。纤维的取向度对纤维的机械强度、弹性模量及其它机械性能都有直接的影响，因此对纤维取向度进行测定有着非常重要的实际意义。结晶度是表征高聚物的重要结构参数，高聚物结晶度的测定在理论上和实际上都是一个重要而又复杂的课题^[4-5]。

通常的熔融纺丝工艺制备的纤维为均匀的圆形，为了得到改性差别化纤维，各种异形截面和中空纤维也得到了开发，已经开发出了单中空、四中空和七中空纤维^[6-9]。这些纤维在用作保温材料和填充材料方面具有优良的性能，但这些纤维只有一种成分构成。本实验采用熔融纺丝法制备出粗细均匀的中空皮芯复合纤维，其特点在于其横截面包含一个皮层及一个具有中空部分的芯层。由于芯层为EVA/PP共混物，具有吸油的特性，因此该纤维可以用来吸附油性香料抗菌剂及驱蚊液等，用作床单、被絮、床单、窗帘、枕头、地毯、玩具等等织物的填充物，到一定的医疗保健等功效。

 

1实验部分

1.1实验样品

中空复合纤维是通过熔融纺丝自行研制的，其皮层采用聚丙烯树脂（PP），芯层采用聚丙烯树脂/乙烯醋酸乙烯共聚树脂EVA/PP。

1.2声速法测中空复合纤维取向度

采用SSY—1型声速仪，用多点法测中空复合纤维的声速取向因子f_s。

1.3X—射线衍射分析（WXRD）

采用美国BRUKER AXS D8 DISCOVER型X—射线衍射仪,将中空复合纤维平行绕成束进行赤道反射连续扫描,扫描范围2O=5~50⁰,对最强衍射峰进行方位角透射扫描，测取方位角方向强度分布曲线图。

 

2结果与讨论

2.1声速法测中空复合纤维取向度

纤维的取向度是表征纤维材料超分子结构和力学性质的重要参数。声速法是通过测定声波在材料中传播速度来计算材料的取向度。其原理是基于纤维材料中因大分子链的取向而导致声波传播的各向异性。在声波传递时，发生的任何形变都是分子内和分子间形变的加和^[1、2]。

 

 

本实验以0.1gf/dtex的要求计算应加张力,该张力是使纤维伸直的最低负荷,在15cm、20cm、25cm、30cm、35cm、40cm处分别连续记录声波传播时间的10个数字,分别求出其平均值,即该长度纤维内声波的传播时间T根据L—T线求得的斜率即为声波在试样中的实际传播速度C,代入公式求得

f

 

s。

 

由表1可以看出，在同一温度下，随着拉伸倍数的增加，分子的取向度单调增大。纤维的拉伸属于单轴拉伸，在此过程中分子排列发生很大变化，分子都在与拉伸方向相平行的方向取向。对于未拉伸的高分子材料来说，其中链段是随机取向的，材料呈现各向同性。而经拉伸后的纤维，链段在某些方向上是择优取向的，拉伸倍数越大，大分子沿轴向排列程度越大，取向度越大。

2.2  X—射线分析

WAXD测定结晶度的所有方法的理论基础都是Vainshtein强度守恒律。该定律指出：任何相同的原子体系，当以恒强的X—射线入射时，则不论该体系是不完善的次晶、完善的结晶、非晶或多相共存系，该体系在全倒易空间里相关散射的总强度守恒。故对于纤维这种由晶区和非晶区组成的两相体系，其总衍射强度是晶区与非晶区衍射强度之和^[10-12]。

图1为中空复合纤维的X—射线衍射谱图，从图可以看出其特征峰2O为14⁰,16.8⁰和18.4⁰，因此结晶结构为a晶型。由于晶粒高度取向，位于21.2⁰和22.1⁰的（131）、

（111）衍射峰主要出现在与拉伸轴45⁰的方向，因此赤道方向没有衍射出现。纤维的WAXD图谱可以分解为EVA和PP各自的谱图,PP组分的特征峰并未由于EVA的存在而发生改变,说明EVA和PP以各自的结晶结构结晶。

 

本实验采用分峰法测定纤维的结晶度。采集衍射图后，先大致确定非晶峰及各衍射峰的峰位和半高宽，假设峰形函数，经扣除衍射花样的背底，然后用迭代法分离出非晶峰和各个结晶峰。结晶度即试样中结晶部分所占的质量或体积分数，是表征纤维结构的重要指标。测定晶态聚合物结晶度是根据：总的相干散射强度等于晶区和非晶区相干散射强度之和，即：

 

从表2可以看出，随着EVA含量的增加，纤维的表观结晶度逐渐降低，主要是由EVA趋向”塑化效应”，同时增加了聚合物链之间的距离，而EVA共聚物中固有的CH₃COO基团形成的空间障碍这一极其重要的因素,以上因素共同作用使纤维的结晶度明显降低。

 

图2显示的是拉伸倍数对纤维结晶度的影响。从表3可以看出，在合适的拉伸比范围内，纤维的结晶度随着拉伸比的增大而增大。拉伸比过高或过低时，结晶度变小^[10]。初生纤维的拉伸过程是破坏初生纤维的原有结构形态，生成新的序态结构，在拉伸应力和热效应的作用下，使大分子链段的活动性增加，各种结构单元滑着纤维轴向取向聚集，重新排列、增加新结合点，使纤维的更多分子链处于最佳的应力承受状态，并产生三维结构的规整性（即结晶）。在热拉伸过程中，由于应力和温度的作用，PP组分部分结晶尤其是球晶受到破坏，无定形区链分子沿轴取向，部分分子链段可能因高度有序排列砌入晶格而结晶，在适当的拉伸比范围内，结晶的成核速率和生长速率比结晶破坏速率大；当拉伸比过高时，结晶破坏速率大于生长速率，使结晶度变小；拉伸比过低时，没有应力诱导结晶，使结晶生长速率减缓，而引起结晶度变小。

 

3结论

3.1随着EVA含量的增加，纤维的结晶度明显降低；合理的拉伸大大提高纤维的结晶度和取向度。

3.2中空复合纤维中EVA/PP共混物晶体结构中EVA晶区和PP晶区是独立存在的,不能形成混晶。

 

 

 

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