中空皮芯復合纖維取向度和結晶度的測定

 

楊旭儉  何艷軍

編輯：廣東弗艾博纖維技術研究有限公司

（天津工業大學改性與功能纖維天津市重點實驗室"天津 300160）

 

 

摘 要：本文在制備了含有0-20wt%的乙烯—醋酸乙烯共聚物(EVA)/聚丙烯(PP)共混切片的基礎上,以PP為皮層EVA/PP共混物為芯層,采用熔融紡絲工藝制備出了皮芯,復合中空纖維。通過采用聲速儀、X-射線衍射（WXRD）等分析與檢測手段對纖維取向度和結晶度進行了測定。結果表明：EVA含量的增加，纖維的結晶度明顯降低；拉伸大大提高了纖維的取向度和結晶度。

關鍵詞:中空復合纖維、結晶度、取向度

 

對于纖維結構的研究"一般采用兩相結構理論：即認為纖維的微細結構是由結晶區和非結晶區組成。在結晶區中，組成纖維的大分子呈有序排列狀態；在非結晶區中，大分子為無序排列狀態。表征纖維結構的參數一般有聚合度、鏈段長度、結晶度與結晶區分布、取向度與取向度分布、微細結構尺寸等，其中結晶度與取向度是較常用的兩個指標^(1-3)。

纖維取向度是纖維在拉伸過程中微晶體產生的方向效應，即取向效應。取向度就是表示纖維的晶體軸沿著拉伸方向排列的平行程度或擇優取向程度。纖維的取向度對纖維的機械強度、彈性模量及其它機械性能都有直接的影響，因此對纖維取向度進行測定有著非常重要的實際意義。結晶度是表征高聚物的重要結構參數，高聚物結晶度的測定在理論上和實際上都是一個重要而又復雜的課題^[4-5]。

通常的熔融紡絲工藝制備的纖維為均勻的圓形，為了得到改性差別化纖維，各種異形截面和中空纖維也得到了開發，已經開發出了單中空、四中空和七中空纖維^[6-9]。這些纖維在用作保溫材料和填充材料方面具有優良的性能，但這些纖維只有一種成分構成。本實驗采用熔融紡絲法制備出粗細均勻的中空皮芯復合纖維，其特點在于其橫截面包含一個皮層及一個具有中空部分的芯層。由于芯層為EVA/PP共混物，具有吸油的特性，因此該纖維可以用來吸附油性香料抗菌劑及驅蚊液等，用作床單、被絮、床單、窗簾、枕頭、地毯、玩具等等織物的填充物，到一定的醫療保健等功效。

 

1實驗部分

1.1實驗樣品

中空復合纖維是通過熔融紡絲自行研制的，其皮層采用聚丙烯樹脂（PP），芯層采用聚丙烯樹脂/乙烯醋酸乙烯共聚樹脂EVA/PP。

1.2聲速法測中空復合纖維取向度

采用SSY—1型聲速儀，用多點法測中空復合纖維的聲速取向因子f_s。

1.3X—射線衍射分析（WXRD）

采用美國BRUKER AXS D8 DISCOVER型X—射線衍射儀,將中空復合纖維平行繞成束進行赤道反射連續掃描,掃描范圍2O=5~50⁰,對最強衍射峰進行方位角透射掃描，測取方位角方向強度分布曲線圖。

 

2結果與討論

2.1聲速法測中空復合纖維取向度

纖維的取向度是表征纖維材料超分子結構和力學性質的重要參數。聲速法是通過測定聲波在材料中傳播速度來計算材料的取向度。其原理是基于纖維材料中因大分子鏈的取向而導致聲波傳播的各向異性。在聲波傳遞時，發生的任何形變都是分子內和分子間形變的加和^[1、2]。

 

 

本實驗以0.1gf/dtex的要求計算應加張力,該張力是使纖維伸直的最低負荷,在15cm、20cm、25cm、30cm、35cm、40cm處分別連續記錄聲波傳播時間的10個數字,分別求出其平均值,即該長度纖維內聲波的傳播時間T根據L—T線求得的斜率即為聲波在試樣中的實際傳播速度C,代入公式求得

f

 

s。

 

由表1可以看出，在同一溫度下，隨著拉伸倍數的增加，分子的取向度單調增大。纖維的拉伸屬于單軸拉伸，在此過程中分子排列發生很大變化，分子都在與拉伸方向相平行的方向取向。對于未拉伸的高分子材料來說，其中鏈段是隨機取向的，材料呈現各向同性。而經拉伸后的纖維，鏈段在某些方向上是擇優取向的，拉伸倍數越大，大分子沿軸向排列程度越大，取向度越大。

2.2  X—射線分析

WAXD測定結晶度的所有方法的理論基礎都是Vainshtein強度守恒律。該定律指出：任何相同的原子體系，當以恒強的X—射線入射時，則不論該體系是不完善的次晶、完善的結晶、非晶或多相共存系，該體系在全倒易空間里相關散射的總強度守恒。故對于纖維這種由晶區和非晶區組成的兩相體系，其總衍射強度是晶區與非晶區衍射強度之和^[10-12]。

圖1為中空復合纖維的X—射線衍射譜圖，從圖可以看出其特征峰2O為14⁰,16.8⁰和18.4⁰，因此結晶結構為a晶型。由于晶粒高度取向，位于21.2⁰和22.1⁰的（131）、

（111）衍射峰主要出現在與拉伸軸45⁰的方向，因此赤道方向沒有衍射出現。纖維的WAXD圖譜可以分解為EVA和PP各自的譜圖,PP組分的特征峰并未由于EVA的存在而發生改變,說明EVA和PP以各自的結晶結構結晶。

 

本實驗采用分峰法測定纖維的結晶度。采集衍射圖后，先大致確定非晶峰及各衍射峰的峰位和半高寬，假設峰形函數，經扣除衍射花樣的背底，然后用迭代法分離出非晶峰和各個結晶峰。結晶度即試樣中結晶部分所占的質量或體積分數，是表征纖維結構的重要指標。測定晶態聚合物結晶度是根據：總的相干散射強度等于晶區和非晶區相干散射強度之和，即：

 

從表2可以看出，隨著EVA含量的增加，纖維的表觀結晶度逐漸降低，主要是由EVA趨向”塑化效應”，同時增加了聚合物鏈之間的距離，而EVA共聚物中固有的CH₃COO基團形成的空間障礙這一極其重要的因素,以上因素共同作用使纖維的結晶度明顯降低。

 

圖2顯示的是拉伸倍數對纖維結晶度的影響。從表3可以看出，在合適的拉伸比范圍內，纖維的結晶度隨著拉伸比的增大而增大。拉伸比過高或過低時，結晶度變小^[10]。初生纖維的拉伸過程是破壞初生纖維的原有結構形態，生成新的序態結構，在拉伸應力和熱效應的作用下，使大分子鏈段的活動性增加，各種結構單元滑著纖維軸向取向聚集，重新排列、增加新結合點，使纖維的更多分子鏈處于最佳的應力承受狀態，并產生三維結構的規整性（即結晶）。在熱拉伸過程中，由于應力和溫度的作用，PP組分部分結晶尤其是球晶受到破壞，無定形區鏈分子沿軸取向，部分分子鏈段可能因高度有序排列砌入晶格而結晶，在適當的拉伸比范圍內，結晶的成核速率和生長速率比結晶破壞速率大；當拉伸比過高時，結晶破壞速率大于生長速率，使結晶度變??；拉伸比過低時，沒有應力誘導結晶，使結晶生長速率減緩，而引起結晶度變小。

 

3結論

3.1隨著EVA含量的增加，纖維的結晶度明顯降低；合理的拉伸大大提高纖維的結晶度和取向度。

3.2中空復合纖維中EVA/PP共混物晶體結構中EVA晶區和PP晶區是獨立存在的,不能形成混晶。

 

 

 

參考文獻

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