新型仿棉共聚酯和纖維的制備及結(jié)構(gòu)性能研究.pdf

1、棉花具有良好的吸濕性、柔軟的手感、易染色和不易產(chǎn)生靜電等性能，因此棉織物既舒適又環(huán)保。棉纖維是紡織和服裝工業(yè)的重要原料。但是我國(guó)棉花供需矛盾相當(dāng)突出，求遠(yuǎn)大于供，每年都要從國(guó)外進(jìn)口大量的棉花。聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)具有強(qiáng)度高、熱性能好等優(yōu)點(diǎn)，但其手感硬，吸濕性低，可染性差?，F(xiàn)在我國(guó)的聚酯行業(yè)存在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)單一，聚酯產(chǎn)能過(guò)剩等問(wèn)題。在此背景下，基于PET的新型仿棉共聚酯和纖維的研發(fā)，可以有效利用我國(guó)聚酯過(guò)剩的產(chǎn)能，提高PET產(chǎn)品的附

2、加值。若能形成對(duì)棉花的一定規(guī)模的替代，可一定程度上緩解國(guó)內(nèi)棉花的供需矛盾，因此，本課題的研究具有一定的實(shí)用價(jià)值和重要意義。
　　本文通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)篩選出合成仿棉共聚酯的第三、第四和第五單體。第三單體為間苯二甲酸乙二醇酯-5-磺酸鈉(SIPE);第四單體用聚乙二醇(PEG)，且PEG的數(shù)均分子量(M)n分別選用2000、4000和6000;第五單體是1，2-丙二醇(1，2-PDO)。確定了合成共聚酯的催化劑、投料順序、醇酸比、反應(yīng)溫

3、度、反應(yīng)時(shí)間和真空度等關(guān)鍵工藝條件。在1L和10L的聚合裝置中，采用直接酯化法，成功合成了所有系列的樣品。通過(guò)核磁共振氫譜(1H-NMR)，對(duì)共聚酯的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，絕大部分的SIPE、PEG和1，2-PDO，都成功地嵌入聚合物的大分子鏈中;而且各自的投料比與其在共聚物中的實(shí)際含量基本一致。還對(duì)所有樣品的特性粘度[η]進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果顯示，所有樣品的特性粘度值大小適中。
　　利用一維廣角X射線衍射(1D-WAXD

4、)，分析了共聚酯的晶體結(jié)構(gòu)。嵌入了第四單體PEG和第五單體1，2-PDO后，共聚酯的晶體結(jié)構(gòu)和PET的晶體結(jié)構(gòu)幾乎完全相同，說(shuō)明引入PEG和1，2-PDO，沒(méi)有引起晶體結(jié)構(gòu)的變化。隨著PEG質(zhì)量比和1，2-PDO摩爾比的增加，共聚酯的結(jié)晶度在總體上不斷降低。當(dāng)PEG的質(zhì)量比相同（以10％為例)，而數(shù)均分子量降低時(shí)，結(jié)晶度在不斷減小。還通過(guò)部分樣品加熱拉伸后的二維廣角X射線衍射(2D-WAXD)和二維小角X射線散射(2D-SAXS)，研究

5、取向度的變化規(guī)律。結(jié)果表明，剛開(kāi)始沿軸向的應(yīng)變適度變大時(shí)，2D-WAXD的衍射條紋和2D-SAXS的散射條紋都會(huì)逐漸增強(qiáng)，分子鏈的取向度提高;當(dāng)應(yīng)變?cè)黾拥揭欢ǔ潭龋倮^續(xù)增加時(shí)，二維WAXD的衍射條紋和二維SAXS的散射條紋，總體上反而都變?nèi)?，說(shuō)明分子鏈的取向度降低了。從一維WAXD和SAXS曲線的推算出的晶粒尺寸、結(jié)晶度和長(zhǎng)周期等晶體參數(shù)的變化規(guī)律與上面類(lèi)似。
　　利用差示掃描量熱法(DSC)，研究了共聚酯的熱性能。隨著PEG和

6、1，2-PDO含量的增加，樣品的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）、冷結(jié)晶溫度（Tcc）和熔點(diǎn)(Tm)總體上呈下降態(tài)勢(shì)。當(dāng)PEG的質(zhì)量百分比相同（以10％為例），PEG的數(shù)均分子量降低時(shí)，Tg、Tcc和Tm不斷下降。采用Jeziorny法，分析部分樣品的非等溫結(jié)晶動(dòng)力學(xué)，發(fā)現(xiàn)共聚酯的結(jié)晶過(guò)程比Avrami模型要復(fù)雜;當(dāng)數(shù)均分子量相同時(shí)，隨著第四單體PEG6000含量的增加，半結(jié)晶周期t1/2的值減小，冷結(jié)晶速率增快。還利用Mo法，對(duì)部分樣品在不同升

7、溫速率下的非等溫結(jié)晶動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究。發(fā)現(xiàn)升溫速率提高時(shí)，冷結(jié)晶溫度（Tcc）升高;隨著相對(duì)結(jié)晶度的增加，F(xiàn)(T)值變大，而α值卻近似于一個(gè)常數(shù)。
　　通過(guò)熱重分析儀(TGA)，詳細(xì)研究了共聚酯的熱穩(wěn)定性。氮?dú)庵?，TGA曲線出現(xiàn)一個(gè)熱失重平臺(tái);空氣里，TGA曲線都有兩個(gè)熱失重平臺(tái)。在氮?dú)夂涂諝饫?，隨著PEG和1，2-PDO含量的增加，熱降解溫度均下降?？諝庵械臒峤到獗鹊?dú)庵械臒峤到飧菀装l(fā)生。當(dāng)PEG的質(zhì)量百分比相同時(shí)（如10％），

8、在氮?dú)夂涂諝饫?，隨著PEG的數(shù)均分子量的降低，共聚酯熱穩(wěn)定性變差。隨著升溫速率提高，在氮?dú)夂涂諝庵?，TGA和dTGA曲線均向高溫方向移動(dòng)。利用Friedman法研究了熱降解動(dòng)力學(xué)。在氮?dú)庵?，?dāng)升溫速率相同（以10k/min為例），而改性組份PEG6000的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)變化時(shí)，Ln(dα/dt)對(duì)1/T曲線和Ln(1-α)對(duì)1/T曲線的線性關(guān)系較好。而且PEG6000含量增加時(shí)，熱降解活化能(E)變低，表明共聚酯的熱穩(wěn)定性變差;熱降解反應(yīng)級(jí)

9、數(shù)（n）下降，說(shuō)明熱降解速率加快。還發(fā)現(xiàn)，在氮?dú)庵袑?duì)同一個(gè)樣品，當(dāng)升溫速率變化時(shí)，Ln(dα/dt)和Ln(1-α)對(duì)1/T曲線的線性關(guān)系較好。E、n、頻率因子(Z)等熱降解參數(shù)隨升溫速率等測(cè)試條件的變化而變化。此外，通過(guò)特性粘度的變化，對(duì)熱穩(wěn)定性能進(jìn)行了分析。研究發(fā)現(xiàn)，PEG和1，2-PDO的含量越高，烘燥溫度越高，烘燥時(shí)間越長(zhǎng)，則特性粘度下降越快，說(shuō)明熱降解越容易發(fā)生。
　　通過(guò)靜態(tài)接觸角(contactangle)的測(cè)試，詳

10、細(xì)研究了共聚酯的親水性能。隨著第四單體PEG和第五單體1，2-PDO含量的增大，接觸角逐漸地減小，共聚酯的親水性增強(qiáng)。PEG的質(zhì)量比相同時(shí)(如10％)，當(dāng)PEG分子量降低，樣品的接觸角變小，親水性增強(qiáng)。
　　選擇部分共聚酯切片進(jìn)行熔融紡絲，制備成仿棉纖維。確定了干燥溫度、紡絲溫度和速度、牽伸倍數(shù)等主要工藝參數(shù)。利用縷紗測(cè)長(zhǎng)儀，結(jié)合稱(chēng)重法，推算出纖維的纖度。通過(guò)WAXD法測(cè)試?yán)w維結(jié)晶度，結(jié)果顯示，當(dāng)?shù)谖鍐误w1，2-PDO含量增加時(shí)，

11、結(jié)晶度變小。采用WAXD法和聲波傳播法測(cè)定了纖維取向度，隨著1，2-PDO含量增加，纖維取向因子(fs）和取向度下降。利用電子單紗強(qiáng)力測(cè)試儀，測(cè)試了纖維力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)1，2-PDO摩爾百分?jǐn)?shù)增加，斷裂強(qiáng)度和初始模量總體上呈減小趨勢(shì)，但斷裂伸長(zhǎng)率卻增大?；爻甭实臏y(cè)試結(jié)果表明，1，2-PDO的含量增大，纖維的回潮率變大，吸濕性能提高。沸水收縮率的測(cè)試結(jié)果顯示，1，2-PDO的含量越大，纖維的沸水收縮率越大。利用接觸冷暖感測(cè)定儀，分析了仿棉