共混紡絲制聚苯硫醚超細(xì)纖維及其形態(tài)結(jié)構(gòu)研究

萬艷霞，朱志國，王 銳，馬 萌，董振峰，張秀芹

(北京服裝學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100029)

超細(xì)纖維具有線密度小、比表面積大等特點，許多性能優(yōu)于常規(guī)纖維，采用超細(xì)纖維制成的非織造布已廣泛應(yīng)用于服裝、醫(yī)學(xué)和過濾等材料領(lǐng)域。一般制備耐高溫過濾材料的原材料為2.22 dtex左右的短纖維。纖維直徑越小，用其制得的過濾材料孔徑也更加細(xì)小，過濾效率越高［1－4］。聚苯硫醚(PPS)作為一種新型高性能纖維材料，具有耐高溫、耐化學(xué)藥品、熱穩(wěn)定性好等性能，作為過濾材料廣泛應(yīng)用于高溫化學(xué)品、煙塵、氣體、廢水等領(lǐng)域。目前，耐高溫、高效率(更細(xì)的)、低成本的PPS超細(xì)纖維在高溫?zé)焿m過濾領(lǐng)域被廣泛關(guān)注［5－6］。作者在采用非相容 PPS/聚酰胺 6(PA6)熔融共混紡絲制備PPS亞微米級纖維的基礎(chǔ)上［7］，以PPS和聚丙烯(PP)作為非相容體系，在紡絲組件中加裝靜態(tài)混合器［8－9］進行熔融共混紡絲，經(jīng)對二甲苯溶除PP后獲得PPS超細(xì)纖維。研究了共混紡絲溫度、共混比例、拉伸、溶解剝離等對PPS/PP海島共混超細(xì)纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響，為PPS超細(xì)纖維產(chǎn)業(yè)化提供借鑒。

1 實驗

1.1 原料

PPS切片:熔體流動指數(shù)為每10 min 110 g，昊華鴻鶴化工有限責(zé)任公司產(chǎn);PP切片:熔體流動指數(shù)為每10 min 36 g，中國石化北京燕山分公司產(chǎn);對二甲苯:分析純，北京化工廠產(chǎn)。

1.2 實驗方法

1.2.1 共混紡絲

將PPS切片在真空干燥箱130℃下干燥13 h后與PP切片以一定的質(zhì)量比例混合，通過加料斗加入到大連合成纖維技術(shù)研究所制的SJ-120單螺桿紡絲機中進行熔融共混紡絲。噴絲板規(guī)格24 f，長徑比3，卷繞速度250 ～600 m/min，螺桿轉(zhuǎn)速為20 r/min，螺桿各區(qū)溫度為一區(qū)245℃，二區(qū)290℃，三區(qū)290℃，四區(qū)290℃，管道295℃。

1.2.2 拉伸

將得到的共混纖維經(jīng)蘇州特發(fā)公司制造的TF100-08撥叉式平牽機進行拉伸熱定型，其工藝參數(shù)為:第一熱輥溫度100℃，第二熱輥溫度110℃，熱定型溫度135℃，拉伸速度100 m/min，拉伸倍數(shù)1.5 ～3.5。

1.2.3 溶解剝離

將拉伸熱定型后的PPS/PP共混纖維在對二甲苯中進行溶解剝離處理，處理溫度120℃，浴比為500∶1，溶解2 h后取出，用新鮮的熱對二甲苯溶液沖洗，室溫通風(fēng)晾干再室溫真空干燥，得到PPS超細(xì)纖維。

1.3 分析與測試

熱重(TG)分析:將試樣在德國耐馳公司制TG209F1熱重分析儀中進行熱穩(wěn)定性測試，溫度50～800℃，升溫速率10℃/min，氮氣氣氛。

差示掃描量熱(DSC)分析:將纖維試樣剪碎，在日本Seiko公司制DSC6200差示掃描量熱儀中進行測試，以20℃/min升溫速率從50℃升溫至330℃，氮氣氣氛。

掃描電鏡(SEM)觀察:將共混纖維在液氮中脆性切斷噴金處理，在日本電子公司制JSM-7500F場發(fā)射掃描電鏡上進行形貌觀察;剝離后的超細(xì)纖維直接噴金處理后進行觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱性能分析

從圖1可以看出:PPS的熔點為283℃，PP的熔點為168℃;PPS的起始分解溫度為457℃，PP的起始分解溫度為306℃。雖然PPS和PP熔點相差較大，但PP的可加工溫度范圍較寬，PPS與PP共混紡絲應(yīng)在高于PPS的熔點并低于PP起始分解溫度下進行，經(jīng)多次實驗，選擇最佳共混紡絲溫度為290～300℃。

圖1 PPS和PP切片的DSC和TG曲線Fig.1 DSC and TG curves of PPS and PP chips

2.2 PPS/PP 共混比

2.2.1 共混比對共混纖維相結(jié)構(gòu)的影響

從圖2可以看出:PPS/PP質(zhì)量比小于60/40時，共混纖維中兩相界面清晰，表現(xiàn)為典型的“海-島”結(jié)構(gòu)，其中PP為連續(xù)相(海相)，PPS為分散相(島相);隨著PPS/PP質(zhì)量比增大，分散相的直徑逐漸增大;當(dāng)PPS/PP質(zhì)量比達到65/35時，PPS相開始出現(xiàn)凝聚現(xiàn)象，并且出現(xiàn)了少量的相轉(zhuǎn)變現(xiàn)象;繼續(xù)增大其質(zhì)量比到70/30時，共混物的相結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，典型的兩相結(jié)構(gòu)變成了雙連續(xù)結(jié)構(gòu)或者出現(xiàn)局部相反轉(zhuǎn)。這是因為隨著島相含量逐漸增加，島相中的小粒子也越來越多，兩個島相粒子就會相互靠近，當(dāng)粒子中的基體逐漸減少到某一臨界值時，兩粒子可凝聚形成連續(xù)相［10］。當(dāng)共混組成對稱或接近對稱時，共混物會形成雙相共連續(xù)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)又稱“海-?！苯Y(jié)構(gòu)。進一步增大PPS的含量，使島相的黏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于海相，共混體系出現(xiàn)海島反轉(zhuǎn)［11－13］現(xiàn)象，即原來的島相PPS變成海相，原來的海相PP變成島相。從圖2還可以得出，當(dāng)PPS/PP質(zhì)量比大于60/40時，共混體系中PPS不再呈現(xiàn)出典型的島相結(jié)構(gòu)，不利于后續(xù)的溶解剝離法獲得完全的PPS超細(xì)纖維。

圖2 不同PPS/PP質(zhì)量比的共混纖維相結(jié)構(gòu)SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM images of phase structure of PPS/PP blend fiber in different blend ratio

2.2.2 共混比對PPS超細(xì)纖維形態(tài)的影響

當(dāng)PPS/PP質(zhì)量比大于60/40時，由于出現(xiàn)了相反轉(zhuǎn)或者互為連續(xù)相的形態(tài)結(jié)構(gòu)，無法通過溶解剝離獲得完全的PPS超細(xì)纖維，因此僅討論PPS/PP質(zhì)量比為30/70～60/40時，經(jīng)3倍拉伸得到的超細(xì)纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)。從圖3可以看出，當(dāng)PPS/PP質(zhì)量比在30/70～60/40時，PPS/PP共混纖維中連續(xù)相PP可以被完全溶除掉，形成PPS超細(xì)纖維;但是，隨著共混比增大，超細(xì)纖維的平均直徑從228 nm增至408 nm，直徑分布從106～404 nm增至176～807 nm(見表1)。這是因為共混紡絲時島相PPS含量的增加，使得海島結(jié)構(gòu)中島相粒子數(shù)目增多，在熔融共混擠出時，島相粒子相互碰撞的幾率增大，發(fā)生粒子凝聚的傾向或幾率會隨之增加，導(dǎo)致島相粒子直徑變大，直徑分布變寬［14］，而這種在共混物形態(tài)上的變化也會直觀地體現(xiàn)在剝離后的纖維直徑變大。

圖3 不同共混比的PPS超細(xì)纖維形態(tài)SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM images of morphology of ultrafine PPS fiber in different blend ratio

表1 PPS超細(xì)纖維直徑Tab.1 Diameter of ultrafine PPS fiber

2.3 拉伸對PPS超細(xì)纖維直徑的影響

從表2可以看出:沒有經(jīng)過拉伸時，PPS纖維的直徑分布很寬，為260～1 051 nm，平均直徑為618 nm;隨著拉伸倍數(shù)增大，纖維直徑分布范圍明顯變窄，平均直徑也減小;當(dāng)拉伸3倍時，直徑分布為158～488 nm，平均直徑為312 nm。

表2 不同拉伸倍數(shù)的PPS超細(xì)纖維直徑Tab.2 Diameter of ultrafine PPS fiber at different draw ratio

初生纖維的紡絲速度對拉伸倍數(shù)有一定的影響。紡絲速度低，拉伸倍數(shù)大;紡絲速度高，拉伸倍數(shù)小，甚至難以拉伸。從表3可知，共混纖維拉伸倍數(shù)為2～3時，拉伸良好，繼續(xù)增加拉伸倍數(shù)，易出現(xiàn)毛絲斷絲現(xiàn)象，無法順利卷繞。

表3 不同紡絲速度下共混纖維的拉伸性能Tab.3 Tensile properties of blend fiber at different spinning speed

2.4 溶解剝離對PPS超細(xì)纖維的影響

從表4可知，當(dāng)PPS/PP質(zhì)量比為40/60，浴比500∶1，剝離溫度低于120℃，海島共混纖維難以剝離或者剝離不完全;剝離時間小于2 h，纖維也難以剝離或剝離不完全，所以，從節(jié)約成本角度考慮，實驗選擇最佳剝離溫度為120℃，剝離時間為2 h。

表4 處理時間和溫度對PPS/PP海島共混纖維剝離的影響Tab.4 Effect of treating time and temperature on peeling effect of PPS/PP islands-in-sea blend fiber

3 結(jié)論

a.PPS和 PP熔融共混紡絲最佳溫度為290～300℃，紡制的共混纖維經(jīng)對二甲苯溶解剝離可制備出PPS超細(xì)纖維;隨著共混纖維中PPS/PP組成比增大，制得的PPS超細(xì)纖維直徑逐漸增大;PPS/PP質(zhì)量比從30/70增至60/40時，PPS超細(xì)纖維平均直徑從228 nm增至408 nm，當(dāng)PPS/PP質(zhì)量比組成大于60/40時，開始出現(xiàn)相轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。

b.提高拉伸倍數(shù)有利于PPS超細(xì)纖維的細(xì)化，PPS/PP質(zhì)量比為40/60時，3倍拉伸得到PPS超細(xì)纖維的直徑分布為158～488 nm，平均直徑為312 nm，大于3倍拉伸時，易出現(xiàn)毛絲斷絲現(xiàn)象，無法順利卷繞。

c.在浴比為500∶1時，PPS超細(xì)纖維的最佳剝離溫度為120℃，剝離時間為2 h。

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