氧化石墨烯改性聚酯紡絲加工技術(shù)探究

王小華　汪春波　王炳奎　馮衛(wèi)芳

摘要：氧化石墨烯改性聚酯纖維具有多種對(duì)人體健康有益的功能。從結(jié)晶干燥、紡絲熔體制備、上油、拉伸變形、產(chǎn)品拉伸力學(xué)性能與結(jié)構(gòu)5個(gè)方面，對(duì)氧化石墨烯改性聚酯紡絲加工技術(shù)深入探究。結(jié)果表明：結(jié)晶干燥按常規(guī)聚酯切片工藝執(zhí)行;紡絲熔體制備不受氣體氛圍的影響，溫度區(qū)間寬，但在螺桿中的停留時(shí)間對(duì)黏度降有很大影響;紡絲上油量明顯高于常規(guī)品種;拉伸變形時(shí)，出現(xiàn)底部退繞不盡、過(guò)尾斷頭的問(wèn)題;POY、DTY拉伸力學(xué)性能偏低，其中，POY的強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)明顯低于常規(guī)產(chǎn)品，不利于后道加工的穩(wěn)定。研究結(jié)果可為氧化石墨烯改性聚酯的產(chǎn)業(yè)化增速提供參考。

關(guān)鍵詞：氧化石墨烯;改性聚酯;紡絲工藝;結(jié)晶干燥;紡絲熔體;上油;拉伸變形

中圖分類號(hào)：TS154文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1009265X（2022）03006005

Exploration on spinning technology of graphene oxide modified polyester

WANG Xiaohua， WANG Chunbo， WANG Bingkui， Feng Weifang

Abstract： Graphene oxide modified polyester fiber has a variety of functions beneficial to human health. This paper conducts indepth study of the spinning technology of graphene oxide modified polyester from five aspects of crystallization and drying， spinning melt preparation， oiling， drawtexturing and tensile mechanical properties of products. The results show that： the crystallization and drying are implemented in accordance with the conventional polyester chip process. The preparation of the spinning melt is free from the influence of gas atmosphere. The temperature range is wide， but the residence time in the screw has a great influence on the viscosity drop. The amount of spinning oil is significantly higher than that of the conventional varieties. During the tensile deformation， there exist some problems， such as endless bottom unwinding and end breakage. The tensile mechanical properties of POY and DTY are relatively low， while the strength and breaking elongation of POY are obviously lower than those of conventional products， which are not conducive to stable postprocessing. The research results are expected to provide a reference for the industrial growth of graphene oxide modified polyester.

Key words： graphene oxide; modified polyester; spinning process; crystallization and drying; spinning melt; oiling; drawtexturing

單層氧化石墨烯可以通過(guò)共聚或共混的改性方法對(duì)聚酯進(jìn)行改性[14]，然后應(yīng)用于長(zhǎng)絲、短纖、無(wú)紡布等領(lǐng)域，賦予紡織品遠(yuǎn)紅外發(fā)射、抗菌、抗紫外、負(fù)離子發(fā)生等性能[512]，可一材多效，使紡織品實(shí)現(xiàn)多功能健康升級(jí)，造福于民，在聚酯領(lǐng)域的應(yīng)用具有廣闊前景。

氧化石墨烯原位聚合改性聚酯具有氧化石墨烯分散均勻，添加比例低，功能明顯的特點(diǎn)。然而，氧化石墨烯改性聚酯的加工性能較常規(guī)聚酯發(fā)生了變化，本文對(duì)氧化石墨烯改性聚酯的紡絲加工技術(shù)進(jìn)行探究，為氧化石墨烯改性聚酯產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度增速提供參考。

1原料

聚酯材料分子鏈中的酯鍵在高溫、含水的條件下會(huì)發(fā)生水解，導(dǎo)致聚酯紡絲加工穩(wěn)定性變差，氧化石墨烯改性聚酯材料面臨同樣問(wèn)題。因此，氧化石墨烯改性聚酯紡絲加工前也需要進(jìn)行結(jié)晶干燥;結(jié)晶干燥是原料用于加工之前的重要準(zhǔn)備工作。改性聚酯切片在沸騰式結(jié)晶床上進(jìn)行結(jié)晶，結(jié)晶溫度在175～179 ℃，然后進(jìn)入干燥塔進(jìn)行干燥，干燥溫度160～170 ℃，干燥時(shí)間8～14 h，含水率可以控制在40 mg/kg以內(nèi)。氧化石墨烯改性聚酯切片的干燥條件與常規(guī)聚酯干燥條件相同。

在165 ℃下干燥14 h，在不同的時(shí)間段取樣，研究切片水份及黏度的變化情況，如圖1、圖2所示，可見(jiàn)切片黏度在干燥過(guò)程中黏度變化幅度很小，在合理范圍內(nèi);切片含水率在干燥前期下降迅速，在后期下降的幅度很小。因此，切片的干燥時(shí)間應(yīng)該控制在10 h左右，既能達(dá)到干燥效果，也能節(jié)約能源。

2實(shí)驗(yàn)

2.1紡絲實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

主要考察熔融溫度、氣體氛圍、螺桿停留時(shí)間對(duì)紡絲熔體黏度穩(wěn)定性的影響，改性材料對(duì)組件背壓的影響以及上油率對(duì)可紡性的影響，以提高改性材料可紡性。

2.2拉伸變形實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

主要考察紡絲卷繞工藝空管超喂率、加彈結(jié)尾方式對(duì)加彈過(guò)尾穩(wěn)定性的影響，加彈加工速度對(duì)加彈穩(wěn)定性的影響，以提高拉伸變形工藝穩(wěn)定性。

2.3質(zhì)量指標(biāo)及測(cè)試設(shè)備

自動(dòng)烏式黏度測(cè)試儀測(cè)定黏度，全自動(dòng)單紗強(qiáng)力機(jī)測(cè)定斷裂伸長(zhǎng)率、斷裂強(qiáng)度，纖維油脂快速抽出器測(cè)定上油率，小角X射線衍射儀測(cè)定結(jié)晶度、取向度。

3結(jié)果與分析

3.1紡絲

3.1.1熔體制備

均一、穩(wěn)定的紡絲熔體是可紡性及纖維質(zhì)量的根本。采用原位聚合的方式制備氧化石墨烯改性聚酯切片，使氧化石墨烯在紡絲原液中分散均一。從生產(chǎn)技術(shù)的角度，熔體黏度降及組件壓力的變化是紡絲熔體質(zhì)量的關(guān)鍵點(diǎn)。

紡絲溫度保證紡絲熔體在箱體中的流動(dòng)性，提高紡絲熔體的均勻性，使紡絲原液獲得合適的流變性。但是，紡絲溫度應(yīng)該設(shè)置在合理的區(qū)間，以免造成熔體過(guò)大的黏度降，使熔體不穩(wěn)定。如圖3所示，在無(wú)剪切狀態(tài)下，在283～292 ℃的溫度范圍內(nèi)，聚酯黏度降在合理的區(qū)間，說(shuō)明氧化石墨烯改性聚酯材料加工溫度區(qū)間寬。

螺桿用于熔融、混合、輸送、計(jì)量紡絲熔體，對(duì)熔體的剪切作用較強(qiáng)，這種剪切作用在分子鏈相對(duì)運(yùn)動(dòng)受阻的情況下，會(huì)造成分子鏈斷裂，聚酯特性黏度降增大。如圖4所示，在氮?dú)獗Ｗo(hù)氛圍中，在螺桿中的停留時(shí)間越長(zhǎng)，氧化石墨烯改性聚酯材料的黏度降越大。對(duì)比圖3發(fā)現(xiàn)，螺桿剪切對(duì)改性聚酯黏度降的影響非常大，已經(jīng)超出正常的黏度降幅度。

對(duì)比圖4和圖5發(fā)現(xiàn)，在空氣和氮?dú)夥諊?，氧化石墨烯改性聚酯材料的黏度降變化?guī)律基本相同，并沒(méi)有因?yàn)檠鯕獾拇嬖诙鴮?dǎo)致更加嚴(yán)重的黏度降趨勢(shì)。

單層氧化石墨烯的片徑在1 μm左右，相對(duì)于二氧化鈦、炭黑等無(wú)機(jī)粒子，片徑偏高，但是單層氧化石墨烯具有柔性的特點(diǎn)，在組件濾網(wǎng)處沒(méi)有引起嚴(yán)重的聚集現(xiàn)象，如圖6所示，組件壓力隨時(shí)間的變化趨勢(shì)較為平穩(wěn)。

3.1.2上油

油劑可以提高纖維的平滑性，保持纖維與纖維間、纖維與其他接觸部件的適宜摩擦系數(shù);提高集束性，減少纖維生產(chǎn)、加工中產(chǎn)生的靜電并使之迅速消失。含有碳材料的滌綸需要提高上油率，因?yàn)樘疾牧暇哂懈鼜?qiáng)的油劑吸附能力，如黑絲的上油率達(dá)到0.55%以上，才能保證紡絲、卷繞過(guò)程平穩(wěn)，卷裝外觀達(dá)到質(zhì)檢要求。

氧化石墨烯改性聚酯纖維同樣如此，由于氧化石墨烯對(duì)油劑具有很強(qiáng)的吸附能力，按照常規(guī)的上油工藝無(wú)法滿足需要，出現(xiàn)大量的網(wǎng)絲、毛絲，產(chǎn)品降等甚至報(bào)廢，帶來(lái)極大的經(jīng)濟(jì)損失，如圖7所示，上油率達(dá)到0.75%以上，3次落筒中毛絲、網(wǎng)絲絲卷數(shù)量才能基本達(dá)到要求。但是，上油率過(guò)高為后道工序會(huì)帶來(lái)不穩(wěn)定因素。

3.2拉伸變形

拉伸變形工藝過(guò)程賦予聚酯纖維更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，也有一定的彈性、蓬松性，使聚酯纖維能夠滿足更多應(yīng)用領(lǐng)域的要求。氧化石墨烯改性聚酯紡制POY后，必須進(jìn)行高質(zhì)量的拉伸變形加工，才能使產(chǎn)品滿足高端紡織品的使用要求，代表性的拉伸變形工藝如表1所示。

3.2.1底部退繞不盡

氧化石墨烯改性聚酯紡制的POY在拉伸變形工藝過(guò)程中，在卷裝厚度0.5～1.0 cm處，出現(xiàn)較大比例的斷頭質(zhì)量問(wèn)題，這使生產(chǎn)穩(wěn)定性大打折扣，機(jī)臺(tái)效率降低，工人工作量加大，產(chǎn)品檔次降等，嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)效益。

在分析過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，空管超喂對(duì)于底部退繞不盡的問(wèn)題有重要影響。在紙管加速和減速的過(guò)程中，紙管轉(zhuǎn)速和摩擦輥轉(zhuǎn)速之間由于系統(tǒng)反饋的原因存在一定的速度差，摩擦輥對(duì)纖維造成損傷。在快速退繞時(shí)，纖維損傷處跟不上對(duì)外力的響應(yīng)而斷裂。如圖8所示，空管超喂越多，在36顆試樣絲中，出現(xiàn)底部退繞不盡問(wèn)題的錠數(shù)越多。

3.2.2過(guò)尾斷頭

氧化石墨烯改性聚酯紡制的POY在拉伸變形工藝過(guò)程中，在過(guò)尾時(shí)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的斷頭問(wèn)題。如圖9所示，采用手動(dòng)和壓槍兩種不同的接頭方式，48個(gè)錠位出現(xiàn)的過(guò)尾斷頭數(shù)都很高。

為了提高過(guò)尾穩(wěn)定性，必須降低過(guò)尾時(shí)絲程上的張力，使接頭處的摩擦力能夠承受外力的作用。如圖10所示，48個(gè)錠位出現(xiàn)的過(guò)尾斷頭數(shù)隨加工速度的增加而增加。

3.3拉伸力學(xué)性能與結(jié)構(gòu)分析

氧化石墨烯改性聚酯材料紡制的POY存在強(qiáng)度低、伸長(zhǎng)短的問(wèn)題，不同產(chǎn)品的拉伸力學(xué)性能如表2所示。POY的伸長(zhǎng)低于120%，強(qiáng)度低于1.5 cN/dtex，從而造成DTY加工不穩(wěn)定，也容易受到損傷，使最終產(chǎn)品質(zhì)量不好。DTY伸長(zhǎng)在20%左右，強(qiáng)度低于2.9 cN/dtex，強(qiáng)度偏低，在針織的高速織造工況下，對(duì)穩(wěn)定性有影響。

不同產(chǎn)品的結(jié)晶度與取向度如表3所示，可見(jiàn)氧化石墨烯改性聚酯材料紡制的POY、DTY與普通黑絲、白絲相比，結(jié)晶度和取向度并沒(méi)有存在較大的偏差。但是在拉伸過(guò)程中，氧化石墨烯對(duì)于分子鏈的滑移起到阻礙作用，從而不利于產(chǎn)品的拉伸力學(xué)性能。

4結(jié)語(yǔ)

氧化石墨烯改性聚酯紡制的纖維具有多種對(duì)人體健康有益的功能。然而，該種材料的紡絲加工技術(shù)有待深入探究，以順利實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化。結(jié)晶干燥按常規(guī)聚酯切片工藝執(zhí)行;紡絲熔體制備不受氣體氛圍的影響，溫度區(qū)間寬，但在螺桿中的停留時(shí)間對(duì)黏度降有很大影響;紡絲上油量明顯高于常規(guī)品種;拉伸變形時(shí)，出現(xiàn)底部退繞不盡、過(guò)尾斷頭、煙氣量大的問(wèn)題;POY、DTY拉伸力學(xué)性能偏低，其中，POY的強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)明顯低于常規(guī)產(chǎn)品，不利于后道加工的穩(wěn)定。

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收稿日期：20210301網(wǎng)絡(luò)出版日期：20210826

作者簡(jiǎn)介：王小華（1983-），男，湖北廣水人，碩士研究生，主要從事新材料及紡絲加工技術(shù)方面的研究。

通信作者：馮衛(wèi)芳，Email：wxh@zhink.cc