稀土PET夜光纖維的研制及性能研究

王 偉，劉傳生，嚴 巖，季 軒，史利梅

(1. 中國石化儀征化纖有限責任公司，江蘇儀征 211900； 2. 江蘇省高性能纖維重點實驗室，江蘇儀征 211900)

夜光纖維又稱為自發(fā)光纖維、蓄光纖維，是指在自然光或者日光燈下照射10～20 min后，在黑暗中能持續(xù)發(fā)光4～10 h的纖維。夜光纖維的制造方法主要有：溶液紡絲法、熔融紡絲法、表面涂層法、高速流沖擊法和鍵合法。溶液紡絲法能耗高；表面涂層法由于發(fā)光化合物吸附在纖維表面，因此其耐洗性、耐溶劑性、耐摩擦性、耐酸堿性等不理想，使用壽命較短；高速流沖擊法的生產(chǎn)裝置復雜；鍵合法生產(chǎn)工藝復雜且容易出現(xiàn)團聚現(xiàn)象；熔融紡絲法生產(chǎn)的夜光PET纖維可紡性差，發(fā)光效果不佳等特點[1-2]。

為改善熔融紡絲制備夜光纖維時可紡性差，發(fā)光效果差等缺點，筆者選取納米級硅鋁酸鹽夜光粉體作為發(fā)光基體制備夜光母粒，選擇合適的偶聯(lián)劑提高夜光粉體在母粒中分散均勻性[3-5]，使之不容易團聚，提高夜光母粒的可紡性，制備余輝性能較好的夜光母粒和夜光纖維。

1 試 驗

1.1 主要原料

常規(guī)大有光PET切片，中國石化儀征化纖有限責任公司，特性黏度為0.635 dL/g；夜光粉體(Al2SiO4,Eu2+,Dy3+)，納米級，佛山鉅亮有限責任公司；偶聯(lián)劑，γ-(β-氨乙基)氨丙基三甲氧基硅烷(KH791)，分析純，上?；瘜W試劑公司；合成聚酯蠟，Euroceras 69，工業(yè)純，德國Euroceras公司。

1.2 儀器設(shè)備

盤式磨粉機，MF-400型，張家港振邦機械廠；高速混合機，SHR-100L型，南京杰亞擠出裝備有限公司；雙螺桿擠出機，SHL-36型，南京杰亞擠出裝備有限公司；母粒過濾性能測試儀，LS-PP-F01型，龍口華瑞機械廠；黏度儀，Y501型，美國Voscotek公司，溫度(25±0.1)℃，溶劑為苯酚-四氯乙烷(質(zhì)量比1∶1)；激光粒度分布儀，LM24型，英國馬爾文儀器有限公司；長余輝熒光粉測試儀，PR-305型，杭州浙大三色儀器有限公司；自動強伸儀，STATIMATM型，德國Texteehno公司；長絲復合紡絲機，JWHQ100型，晉中經(jīng)緯化纖精密制造有限公司；平牽機，JWKV518Ⅱ型，晉中經(jīng)緯化纖精密制造有限公司；場發(fā)射掃描電鏡，F(xiàn)EI Nova Nano SEM 450型，美國賽默飛公司。

1.3 加工過程

1.3.1 母粒制備過程

以PET切片為載體，夜光粉體、KH791偶聯(lián)劑和助劑制備夜光母粒，夜光母粒的制備過程如圖1所示。

圖1 母粒制備工藝流程

首先將PET切片和夜光粉體進行干燥，PET切片的干燥條件為：常溫下3 h升溫至110 ℃，保溫2 h；1 h升溫至170 ℃，保溫9 h；4 h降溫至60 ℃，充氮保護。夜光粉體的干燥條件為：常溫下2 h升溫至130 ℃，保溫10 h，2 h降溫至60 ℃。然后將PET切片加入磨粉機進行磨粉，出料風機將PET粉體送入振動篩，篩分得到粒徑大于60目的PET粉料。將PET粉料、夜光粉體、偶聯(lián)劑KH791、合成聚酯蠟按照一定的質(zhì)量比例分別加入高速混合機，高速攪拌一定的時間使物料混合均勻。

1.3.2 母粒過濾性能測試

加入100 g大有光PET切片，用大有光PET切片沖洗過濾性能測試儀擠出螺桿及過濾網(wǎng)。待擠出螺桿中大有光PET切片全部走完且擠出螺桿剛好清晰可見時，加入按照一定工藝比例混配的切片2 kg(夜光母粒與大有光PET切片質(zhì)量比為1∶19)，100 s后記錄初始壓力P0。待物料在過濾性能測試儀中，記錄最大壓力Pmax，全部走完之后再加入100 g 大有光PET切片。本次試驗采用12 um過濾網(wǎng)。壓濾值為

FPV=(Pmax-P0)/m

式中FPV為壓濾值，MPa/g；P0為初始壓力，MPa；Pmax為最大壓力，MPa；m為母粒中夜光粉體質(zhì)量，g。

1.3.3 夜光母粒紡絲評價試驗

使用夜光母粒和大有光PET切片按照一定的比例混合后，使用長絲復合紡絲機進行紡絲，紡絲速度為1 000 m/min，得到UDY纖維。使用平牽機對UDY纖維進行拉伸后處理，拉伸速度為450 m/min，兩段拉伸，固定第二拉伸倍率為1.05，總拉伸倍率為3.0和3.6，上熱盤、下熱盤、熱板溫度分別為85 ℃、110 ℃、170 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 母粒加工

以大有光PET為載體，夜光粉體的添加量為總質(zhì)量的10%、15%、20%、25%和30%，偶聯(lián)劑KH791的添加量分別為總質(zhì)量的0.5%、1.0%和1.5%，助劑合成聚酯蠟的添加量為2.5%，制備夜光母粒。

設(shè)定母粒加工設(shè)備螺桿主機轉(zhuǎn)速為200 r/min，喂料速度20 kg/h，螺桿加工溫度為270 ℃，考察夜光粉體添加量和偶聯(lián)劑KH791添加量對母粒特性黏度的影響，具體見圖2。

圖2 夜光粉體和偶聯(lián)劑KH791添加量對夜光母粒特性黏度的影響

從圖2可以看出，當偶聯(lián)劑KH791添加量一定時，隨著夜光粉體添加量的增多，夜光母粒的特性黏度逐漸下降。這一方面可能是由于無機夜光粉體的加入在一定程度上影響了PET聚酯基體物理結(jié)構(gòu)的規(guī)整性，使PET聚酯大分子鏈的纏結(jié)點減少，PET大分子鏈的堆砌緊密程度下降，增加了PET基體的自由體積，具體表現(xiàn)在特性黏度的下降。另一方面無機夜光粉體在PET聚酯基體中產(chǎn)生類似于“滾珠”的潤滑作用，增大聚酯的流動性。第三，在靜止或者剪切力作用下PET聚酯直接插層進入硅鋁酸鹽片層[6]，高速混合剪切力有利于插層的進行，同時一定程度上破壞了PET聚酯的物理結(jié)構(gòu)，所以降低了PET聚酯的特性黏度。當夜光粉體添加量一定時，偶聯(lián)劑KH791的添加量對夜光母粒特性黏度影響不大。

2.2 母粒余輝亮度評價

將2.1制備的夜光母粒使用激光粒度分布儀，D65標準光源，激發(fā)照度1 000 lx，激發(fā)時間15 min，測試撤走光源后1 min后，使用長余輝熒光粉測試儀測試夜光母粒的余輝亮度。

圖3 夜光粉體和偶聯(lián)劑KH791添加量對夜光母粒余輝亮度的影響

從圖3中可以看出，當偶聯(lián)劑KH791質(zhì)量分數(shù)分別為0.5%、1.0%、1.5%時，隨著夜光粉體添加量的增加，夜光母粒的余輝亮度均增加。這說明夜光母粒的余輝亮度主要由夜光粉體的余輝亮度決定。偶聯(lián)劑KH791對夜光母粒的余輝亮度也有一定的作用，總體而言，當夜光母粒添加比例一定時，偶聯(lián)劑KH791添加1.0%時，夜光母粒的余輝亮度最高。這主要是由于偶聯(lián)劑KH791的親無機物基團可與夜光粉體(Al2SiO4,Eu2+,Dy3+)的化學基團反應，形成牢固的化學鍵合；親有機物基團可與PET大分子反應或形成物理纏繞，從而使PET基體與夜光粉體(Al2SiO4,Eu2+,Dy3+)的界面實現(xiàn)化學鍵接，大幅度提高共混體系的增容效果[7]。

2.3 母粒過濾性能評價

母粒法滌綸紡絲必須符合滌綸紡絲及后加工的工藝要求，要求母粒的加入量不能影響PET聚酯的可紡性和纖維的物理性能，并可以滿足一定的功能性使用要求。通常采用壓濾值和特性黏度作為母粒質(zhì)量評價的重要指標[8-9]。

壓濾值可以表征母粒加入后紡絲熔體的過濾性能，過濾性能的優(yōu)劣會影響過濾器和紡絲組件的更換周期。將夜光母粒和PET切片按照質(zhì)量分數(shù)1∶19 混合后，用母粒過濾性能測試儀進行熔融擠出，測定濾網(wǎng)之前混合切片熔體的壓力變化，用壓力的增加值可以判斷夜光母粒中夜光粉體分散的微細化程度和均勻性。壓力值越小，說明夜光粉體中夜光母粒的分散性越好；壓力越大，則說明夜光母粒中夜光粉體的分散性越差。具體見圖4所示。

從圖4中可以看出，當偶聯(lián)劑KH791質(zhì)量分數(shù)分別為0.5%、1.0%、1.5%時，隨著夜光粉體添加量的增加，夜光母粒的壓濾值均是先減小后增大，當夜光粉體添加質(zhì)量分數(shù)為20%時，夜光母粒的壓濾值均較小。當夜光粉體添加量一定時，隨著偶聯(lián)劑KH791添加量的增多，夜光母粒的壓濾值也呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，當偶聯(lián)劑KH791添加質(zhì)量分數(shù)為1.0%時，夜光母粒的壓濾值相對較小。

這主要是由于大有光PET切片中加入了偶聯(lián)劑KH791和無機夜光粉體(Al2SiO4,Eu2+,Dy3+)后，偶聯(lián)劑的親無機基團與夜光粉體進行化學鍵連接；偶聯(lián)劑的親有機基團均勻包裹在無機夜光粉體表面，形成一層保護層，使無機夜光粉體在PET熔體中形成較多的片層，增加了PET熔體的的流動性。偶聯(lián)劑含量過高時，偶聯(lián)劑的活性會得到抑制，所以當夜光粉體添加量一定時，隨著偶聯(lián)劑的增大，壓濾值總體上先減小后增大。當無機夜光粉體添加質(zhì)量超高20%時，導致無機夜光粉體在夜光母粒中出現(xiàn)部分團聚，所以壓濾值上升。

2.4 母?？杉徯栽u價

綜合夜光母粒的特性黏度、余輝亮度和壓濾值三方面，選擇夜光粉體添加質(zhì)量分數(shù)為20%、偶聯(lián)劑添加質(zhì)量分數(shù)為1.0%的夜光母粒，考察夜光母粒的可紡性。

夜光母粒的添加質(zhì)量分數(shù)分別為3.0%、5.0%和7.0%，考察母粒添加量對纖維性能的影響。紡絲溫度為292 ℃。噴絲板孔數(shù)為36孔，長徑比為2.0。在紡絲過程中組件壓力穩(wěn)定，紡絲過程中無飄絲、注頭絲和斷頭。具體紡絲情況見表1。

表1 母粒添加量對夜光UDY性能的影響

從表1中可以看出，隨著母粒添加量的增多，組件壓力逐漸下降；隨著夜光母粒的增多，無油絲的特性黏度下降。這主要是由于夜光母粒中無機夜光粉體(Al2SiO4,Eu2+,Dy3+)為納米級，當PET聚酯在熔融狀態(tài)下，無機夜光粉體相當于潤滑球的作用，提高了PET熔體的流動性，所以組件壓力下降，同時當聚酯熔體中添加一定比例的無機夜光粉體時，在高溫熔融狀態(tài)下，加速了聚酯的降解，所以特性黏度降低。隨著母粒添加量的增多，UDY原絲的斷裂強度逐漸下降，斷裂伸長逐漸減小，說明夜光母粒的加入使得PET功能纖維的可拉伸性能降低。這可能是由于夜光母粒加入破壞了PET聚酯的物理結(jié)構(gòu)，使之形成一定的缺陷[12]。

圖5 纖維截面SEM

a： 常規(guī)大有光纖維;b： 夜光母粒添加質(zhì)量分數(shù)為3.0%;c： 夜光母粒添加質(zhì)量分數(shù)為5.0%;d： 夜光母粒添加質(zhì)量分數(shù)為7.0%

從圖5中可以看出，當夜光母粒添加質(zhì)量分數(shù)為7.0%時，纖維截面有較大的無機粒子團聚，說明當夜光母粒添加量較高時，在紡絲過程中，容易引發(fā)夜光粉體的聚集。

2.5 夜光UDY的可拉伸性能評價

使用平牽機對A、B、C、D四種UDY原絲進行后拉伸，拉伸后纖維的物理指標見表2。

表2 拉伸后纖維性能指標

從表2中可看出，在控制斷裂伸長基本一致的情況下，添加夜光母粒后纖維的拉伸倍率下降。隨著夜光母粒添加量的增多，DT絲的斷裂強度逐漸下降。這與UDY原絲的性能質(zhì)量有關(guān)。當夜光母粒添加質(zhì)量分數(shù)為7.0%時，DT絲比較脆，容易斷裂，這主要是由于夜光母粒添加量較多，對纖維中缺陷較多造成影響。

2.6 DT絲余輝亮度評價

將拉伸后的DT絲織成襪帶，測試DT絲的余輝亮度。夜光母粒添加量對DT絲余輝亮度的影響見圖5。

從圖5中可以看出：隨著夜光母粒添加量的增多，DT絲的余輝亮度逐漸增大。夜光DT纖維與夜光母粒的余輝亮度差距很大，這說明夜光纖維的發(fā)光特性直接與發(fā)光基體的含量有關(guān)。

圖5 夜光母粒添加量對余輝亮度的影響

3 結(jié) 論

a) 隨著夜光粉體(Al2SiO4,Eu2+,Dy3+)添加量的增大，夜光母粒的特性黏度呈現(xiàn)下降的趨勢、余輝亮度呈現(xiàn)上升的趨勢、壓濾值呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，夜光粉體添加質(zhì)量分數(shù)為20.0%時，夜光母粒的壓濾值最小。

b) 制備夜光母粒時，夜光粉體(Al2SiO4,Eu2+,Dy3+)的最佳添加質(zhì)量為20.0%，偶聯(lián)劑KH791的最佳添加質(zhì)量為1.0%，夜光粉體具有較好的過濾性能和余輝亮度。

c) 隨著夜光母粒添加量的增大，UDY原絲的可拉伸性能下降，DT絲的斷裂強度下降，纖維的余輝亮度增強，當夜光母粒添加的質(zhì)量為5.0%時，纖維具有良好的斷裂強度和余輝亮度。