第一章  特种纤维概述

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第三节 纤维成形

 

芳香族聚酯的纺丝成形方法，与 PET的熔融纺丝法差不多。聚合好的共聚酯熔体可以直接进入纺丝机，也可制成切片，经过处理后再熔融挤出纺丝。一般纺丝速度在100～2000m/min，喷丝头拉伸倍数超过 10以上，有较大的流动伸长变形。挤出过程中，熔体温度控制在熔点稍高一些范围，低于分解温度以避免聚合物热分解。大多数芳香族聚酯的纺丝温度控制在 275～375 ，此时熔体呈熔致性液晶结构，通过喷丝孔时，受到剪切应力，大分子很容易沿着纤维轴向取向，还来不及热松弛，纺丝细流就冷却固化成形，分子取向几乎完全保持，使初生纤维有较高的力学性能。芳香族聚酯的熔体粘度和剪切速率的关系，比较 HBA/HNA共聚酯与 PET的熔体行为，见图 2-3所示。因为是向列型液晶性质，稍受外力大分子沿着力场取向，所以共聚酯的熔体粘度受剪切力影响比 PET大得多，粘度受剪切速率的增加而下降，有利于高$ 聚合物的熔融纺丝，和 PPTA液晶纺丝一样，相对分子质量越高，纺出的纤维强度越大，但是聚合物的相对分子质量也不能太高，因为熔融粘度会急剧上升，使纺丝发生困难强度反而降低（见图 2-3）。

 

图 2-3 熔体粘度与剪切速率关系

随着纺丝技术的进步，目前熔致性液晶纺丝有两种方法：

1、开始使用较低相对分子质量，即粘度较低的熔体纺丝，工艺条件容易控制，但初生纤维强度较低，要经过长时间的高温热处理，类似于固相缩聚反应的效果，使纤维的相对分子质量进一步提高，从而提高强度。

2、采用适当高的相对分子质量，熔体粘度在高温和高剪切速率下，仍处于熔融纺丝的范围内纺丝，所得初生纤维的强度为 9~ 18cN/dtex，用比较短的热处理时间，即可进一步提高纤维的强度和模量。

还有根据 Zimmerman研究报道，高相对分子质量的共聚酯其结晶熔融热△H在 10J/g以下时，也可在纺丝温度稍低于熔点而略微高于凝固点的范围里进行过冷纺丝，在比较低的纺丝速度下卷绕，可避免拉伸共振现象的发生，达到稳定纺丝，这样聚合物仅产生轻微的热分解，所得初生纤维强度可高达 13 2cN/dtex以上，只需要短时间的热处理，强度上升到 26 5cN/dtex左右，使人们很感兴趣。

一般情况下芳香族聚酯纺丝成形后，不需要延伸工序，这点与柔性链 PET纺丝不同。由于初生纤维的线密度就是最终成品纤维的线密度，所以为了得到线密度小的纤维，要用细小的喷丝孔径，大的纺丝剪切速率，从图 2-3可知大的剪切速率下，熔融粘度较低，有利于纺丝成形。图 2-4是纺丝细流冷却固化时纤维直径的变化情况，和 PET纤维相比，芳香族聚酯 HBA/HNA纤维在喷丝口下 10cm左右处急剧变细固化，直至卷绕，纤维的大分子取向和结构的形成都在这 10cm内完成。

热处理对于芳香族聚酯纤维的成形是相当关键的工序，要控制升温速率和丝束的张力，在惰性气氛保护下或减压下，加热到接近纤维熔点的温度，连续除去生成的小分子副产物，增加纤维的相对分子质量，提高纤维的强度，如表 2-3给出 H H Yang综合文献得到的数据。初生纤维经过热处理后性能变化的情况，图 2-5给出了 热处理纤维强度的关系。芳香族聚酯纤维经过热处理后，强度有大幅度的提高。目前认为由于热处理提供了分子末端运动的机会，发生进一步固相缩聚，同时后结晶使纤维的结晶更加完善，因此提高了纤维的强度。

 

热处理的机理比较复杂，许多认识还来自于经验的积累。经过多年的研究，芳香族聚酯的热处理时间，已经从过去的几十小时缩短到现在的几十分钟，但是热处理仍然是芳香族聚酯生产区别于普通合成纤维的地方，也是生产成本居高不下的原因，今后它的研究方向仍然是提高纤维的性能和进一步改进生产工艺技术，以提高成本效益。

 

第四节 纤维的结构和性能

芳香族聚酯纤维作为高科技纤维中重要的一个品种，研究开发历史还比较短，共聚酯中各种单体和配比种类繁多，结构比较复杂，能商品化开发成高性能纤维的还比较少，但从纤维的物理机械性能看，可与芳香族聚酰胺纤维相媲美，表 2-4是代表性纤维的性能比较。和 PPTA纤维一样，芳香族聚酯纤维的强度与聚合物的相对分子质量有关，随相对分子质量增大而增加，如图 2-6所示。

强度 2 65GPa，伸长 2 2%，模量 106 4GPa，以适应不同的用途需要。

从上面可知 Vectran纤维具有高强度、高模量，耐蠕变尺寸稳定性好，有极低的吸湿率和耐化学腐蚀性，在 200 干热和 100 湿热条件下收缩率为零，因此可与 PPTA纤维相媲美，在耐水性、耐酸碱性及耐磨损方面还优于 PPTA纤维，将在各个产业部门得到广泛应用。

 

第五节 用途

芳香族聚酯纤维有长丝、短纤维及纸张等形式，主要应用于产业部门。作为高科技纤维的一个品种将参与市场的竞争，以其独特的性能，在高性能船用缆绳、远洋捕鱼网、传送带及电缆增强纤维、新一代体育器材、防护用品以及高级电子仪器结构件等等方面得到应用。

作为增强纤维材料，在光缆、特种电线中起支撑保护作用，与橡胶复合可制造耐高

压软管、传送带、耐磨密封件及汽车用橡胶部件，和树脂复合可成为超薄型印刷电路基板。

纤维织物耐切割性好，是防护服、手套等安全用品的好材料，也是优秀的耐高温耐腐蚀的工业过滤布。

芳香族聚酯纤维特别适合编织渔网、养殖业围网、船用绳索，它不怕潮湿，强度大，使用寿命长，又可轻量化。

在体育器材方面，如网球板、头盔及雪橇等也在开始使用。总之随着芳香族聚酯纤维工业化进程的发展，各种用途正在不断开拓。新工艺、新的共聚物的研究成功以及工业技术的突破，预计芳香族聚酯纤维的性能会进一步提高，成本也会大幅度下降，因此是一种有发展前景的高科技纤维材料。