晶态结构对聚酯纤维黑度的影响

晶态结构对聚酯纤维黑度的影响

张忠良

南京大学扬州化学化工研究院，江苏 扬州 211900

摘要：文章采用到纺丝拉伸一步法工艺制备了不同静态机构的全拉伸聚酯纤维，同时还简要的探讨了纤维内部晶粒个数以及界面数对当前纤维黑度所造成层的主要影响。

关键词：黑度；聚酯纤维；晶态结构

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

半消光聚酯（PET）切片：长丝级优等品，三房巷集团产，特性黏数0.64dL/g，TiO2含量0.3%；炭黑母粒：TBF19，苏州宝力塑胶材料有限公司。

1.2 不同晶态结构聚酯纤维的制备

分别将炭黑含量1.5%的纺丝切片及空白聚酯纺丝切片在鼓风干燥箱中预结晶、抽真空动态干燥40h，烘干后母粒含水率小于0.003%，喷丝板规格：圆形（72mm×0.25mm×0.63mm），纤维规格均150dtex/72f。纺丝工艺为：纺丝速度2400m/min，螺杆温度265~295℃，箱体温度285℃，定型温度160℃。改变黑色聚酯纤维热定型温度得到不同晶态结构的黑色聚酯纤维：a#：150℃；b#：170℃；c#：180℃；d#：200℃；e#：210℃。

1.3 测试与表征

(1)晶态结构：采用德国布鲁克D2PHASER一维X射线衍射仪进行检测。测试条件为：Cu靶Ka射线，波长=0.154nm，扫描角度范围5°~70°，步宽0.05°，管压30kV，管流10mA。数据处理采用Peakfit软件进行拟合分析，L(hkl)为垂直于(hkl)晶面的晶粒尺寸；k为Scherrer常数，取0.89；为X射线波长；▽(hkl)为衍射峰的半高宽；为布拉格衍射角。

(2)纤维黑度：采用KU482A型染色试验编织机（240孔小针，无锡天翔针织机械有限公司），每种规格分别编织1m袜带待测样品。采用Lambda950型紫外-可见分光光度计（美国珀金埃尔默公司）对制备的袜带在可见光波长范围内进行吸光度测试，波长扫描间隔为2nm，分别测试袜带折叠2层、4层、6层、8层时的吸光度，每组纤维取3块样品，进3次测量取平均。

2 结果与讨论

2.1 黑色聚酯纤维晶态结构

无定形区结晶区的分峰，PET属于三斜晶系，晶胞参数分别为a=0.448nm，b=0.585nm，c=1.075nm,α=99.5°，β=118.4°，γ=111.2°。赤道方向的特征衍射晶面分别为（010）、（-110）和（100），子午线方向的晶面（00L）衍射很弱，近子午线方向的（-105）晶面有稍强的衍射，PE的特征衍射峰及其相对应的晶面间距和衍射角。本文仅采用赤道方向的衍射强度分布来计算结晶度，未考虑子午线（-105）晶面的衍射。因此，此方法得到的Xc是一种结晶指数，而非严格意义上的结晶度。垂直于（-105）晶面的晶粒尺寸由近子午方向的衍射图分峰得到。为了研究不同晶态结构对纤维黑度影响，具有不同晶体结构纤维的获得至关重要，基于结晶热力学和动力学过程，可以通过改变纺丝加工条件对晶态结构加以调控。为不同热处理条件下制备的黑色聚酯纤维的晶态结构参数，调控纤维在拉伸过程中热定型温度，可以获得不同结晶度、晶粒大小的聚酯纤维样品。材料中不同的界面对光折射不同，无定形高分子中没有密度不同的界面，一般都是透明的，受光照射时，可见光在其内部传播时不发生光散射、折射现象，可以直接透过；结晶型高分子为两相存的非均相体系，晶区分子链排列规整，堆砌较为紧密，密度大于非晶区密度。物质的折光率（不同介质中的光速之比）与物质密度有关，因此晶区与非晶区的折光率不同。可见光通过时，在晶区与非晶区的界面处必然发生多次折射和反射，增大了光在纤维中传播的路程，即光程长增大，使透光率大大降低，纤维的吸光度提高。

2.2 黑色聚酯纤维黑度

黑色聚酯纤维黑度值采用紫外可见分光光度计测得的吸光度值定义，本文制备的黑色聚酯纤维黑度值大小。a~e5种不同规格黑色聚酯纤维吸光度从2.1提高到2.7，由制备条件可知,5种规格仅改变了纤维热定型温度，而卷绕丝经过牵伸后，内部结构变化，一定条件下，丝条内部存在的形变内应力会使拉伸丝失去部分经拉伸而形成的结构，经过不同温度热定型后，可以消除内应力，使拉伸丝性能稳定，促进丝条进一步结晶，所以下文要重点分析晶态结构对纤维度的影响。

2.3 晶态结构纤维黑度的影响机理

由于晶态结构对纤维黑度的具体影响机理及影响程度尚不明确，为了排除 炭黑色母分散性炭黑存在时纤维黑度值较大的干扰，通过改变纺丝牵伸温度及牵伸倍数得到了不同晶态结构的空白聚酯纤维，首先分析空白聚酯纤维晶态结构对纤维光学性能的影响。随着牵伸温度的升高，聚酯纤维吸光度由0.38增加到0.66左右；随着牵伸倍数的提高，聚酯纤维吸光度值也随之增加。结构决定性质，对高聚物而言，对其基本性质起关键作用的内在因素之一是聚合物的链结构,而对其性能起直接影响作用的另一个重要因素则是由聚合物链之间排列与堆砌而成的凝聚态结构，纺丝工艺的改变即会改变纤维的晶态结构，所以下文主要对聚酯纤维晶态结构进行具体分析。Tab.4为空白聚酯纤维晶粒尺寸参数及晶粒界面数。随着工艺改变，单位体积纤维内部晶粒个数最多可提高4倍，人眼最低色差阈值在480nm及600nm附近，本文选取600nm(橙)波长具体分析聚酯纤维晶态结构对吸光度的影响，研究600nm处纤维内部晶粒数、晶粒界面数对聚酯纤维吸光度的影响，由Fig.5可知，随着纤维内部晶粒数的增加，即晶粒晶区与非晶区界面数的增加，聚酯纤维吸光度呈明显指数增加。晶区与非晶区界面对光程的影响模型所示，当光线进入纤维内部，会因反射界面的增多而发生更多次反射、散射等相互作用，从而增加了透射出来的光线在纤维内部所经过的光程，造成更多的光线被吸收衰减。本实验得到的聚酯纤维内部晶粒并不完善，缺陷较多，随着晶粒数的增加，单个晶粒晶区与非晶区界面增加的同时也会增加同晶粒间的界面，可见光通过时，指数倍的增加了在晶区与非晶区的界面处折射和反射的次数，即增大了光程增大的加速度。忽略取向微小变化，1#~9#样品600nm处纤维内部晶粒数、晶粒界面数对聚酯纤维吸光度的影响，除个别点吸光度较大外，随着纤维内部晶粒数的增加，晶粒晶区与非晶区界面数的增加，聚酯纤维吸光度仍呈指数增加，且影响的函数拟合关系仍符合上式。本文在聚酯纤维纺丝阶段加入炭黑色母，改变热板定型温度，即改变纤维部结晶态结构，制备不同晶态结构的黑色聚酯纤维，晶区与非晶区折光率不同引起的界面影响，使射入纤维内部的可见光发生多次反射、散射等相互作用，增加了透射出来的光线在纤维内部所经过的光程，且聚酯内部均匀分散的炭黑粒子近似于完全黑体，可见光在反射、折射过程中遇到炭黑粒子即被完全吸收，因而炭黑的添加与界面数造成的光程变长，都会使光线更多地被吸收、衰减，即大了纤维的吸光度值，吸光度越大，可见光进入人眼越少，纤维越黑，即提高了黑色聚酯纤维的黑度。

3 结语

由上可知，在黑色聚酯纤维中会随着纤维内部晶粒数的增加，增加了投射出来的光线在纤维内部所经过的光程然后造成了更多的光线被吸收衰减，从而使得聚酯纤维吸光度的呈指数不断增加，从而有效提升了纤维的黑度。

参考文献:

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