瓶片與切片級滌綸FDY的結構與性能對比

郭 亞，段建國，郭肖青,*，王耀村，馬建偉，陳韶娟

(1.青島大學紡織服裝學院，山東 青島 266071; 2.龍福環(huán)能科技股份有限公司，山東 濱州 256600)

瓶片與切片級滌綸FDY的結構與性能對比

郭 亞1，段建國2，郭肖青1,2*，王耀村2，馬建偉1，陳韶娟1

(1.青島大學紡織服裝學院，山東 青島 266071; 2.龍福環(huán)能科技股份有限公司，山東 濱州 256600)

采用掃描電鏡、傅里葉變換紅外光譜儀、差示掃描量熱儀、X射線衍射儀、熱失重分析儀、單纖維強力儀等對瓶片滌綸全拉伸絲(FDY)與切片滌綸FDY的結構與性能進行表征與比較。結果表明：纖維表面均比較光滑，但瓶片滌綸FDY表面存在少量顆粒凸起，在分子結構上兩者無明顯區(qū)別，瓶片滌綸FDY和切片滌綸FDY的結晶度分別為37.86%，37.24%；瓶片滌綸FDY的熔點為240 ℃，切片滌綸FDY的熔點為260 ℃；瓶片滌綸FDY的斷裂強度為3.638 cN/dtex，切片滌綸FDY斷裂強度為3.792 cN/dtex，其力學性能相差不大，但經熱處理和日曬后，瓶片滌綸FDY的斷裂強度下降程度略大于切片滌綸FDY；瓶片滌綸FDY和切片滌綸FDY都具有較好的染色性能，上染率分別為88%和90%。

聚對苯二甲酸乙二醇酯纖維 瓶用切片 再生纖維 全拉伸絲 結構 性能

塑料瓶應用于我們日常生產生活的各個領域，且使用量非常大，而廢棄塑料瓶的回收再利用率一直比較低，導致廢棄塑料瓶成為城鄉(xiāng)環(huán)境污染的重要污染源之一，對生態(tài)環(huán)境及經濟發(fā)展帶來的破壞和損失已成為亟待解決的社會問題。近幾年來，利用回收廢舊聚酯(PET)瓶進行紡絲獲取再生滌綸，以前所未有的速度迅猛發(fā)展，變廢為寶，給人類生產和生活帶來了便捷[1]。

再生瓶片滌綸是將廢舊PET經粉碎、熔融紡絲、拉伸等工藝處理后得到的纖維，主要為短纖維，而后成功紡制出了長絲[2-3]。瓶片滌綸長絲可用于毛毯、服裝、填充物等許多產品的生產，因其成本低、性能好，前景十分廣闊，能創(chuàng)造出很好的經濟和社會效益[4-5]。作者對瓶片滌綸全拉伸絲(FDY)與切片滌綸FDY的微觀結構特征、熱性能、物理機械性能以及染色性能[6-10]進行了測試、分析與比較，為瓶片滌綸長絲新產品的開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 實驗

1.1 原料

瓶片滌綸FDY：規(guī)格為82.5 dtex/36 f，龍福環(huán)能科技股份有限公司產；切片滌綸FDY：規(guī)格為82.5 dtex/36 f，儀征化纖股份有限公司產。

1.2 儀器

S-3000N掃描電鏡：日本Hitachi公司制；Nicolet 6700紅外光譜儀：美國Thermo Fisher Scientific公司制；D/max-B型X射線衍射儀：日本理學電機制；DSC 200F3差示掃描量熱儀：德國Netzsch公司制；TG/DTA7300熱失重分析儀：日本日立公司制；YG061電子單紗強力儀：萊州市電子儀器公司制；Spectrumlab22pc可見分光光度計：上海分析儀器總廠制。

1.3 測試方法

表觀形貌：使用S-3000N掃描電鏡觀察纖維的表面形態(tài)，獲得掃描電鏡(SEM)照片。

紅外光譜：使用Nicolet 6700紅外光譜儀記錄試樣的紅外光的透射率或吸光度隨波數(shù)的變化。測試波數(shù)為400～4 000 cm-1，掃描次數(shù)為32，分辨率為4 cm-1。

X射線衍射(XRD)：采用D/max-B型X射線衍射儀測試纖維的結晶性能。測試條件：管電壓為40 kV，管電流為50 mA，銅靶鎳過濾，2θ為5°～80°。

結晶度(Xc)：按照GB/T13464—1992《物質熱穩(wěn)定性的熱分析試驗方法》測試，Xc計算公式如下[11]：

Xc=Sc/(Sc+Sa)

(1)

式中：Sc為結晶峰面積；Sa為非結晶峰面積。

差示掃描量熱(DSC)分析：使用DSC200F3差示掃描量熱儀測試，在氮氣保護下，升溫速率10 ℃/min，從20 ℃升溫到300 ℃。

熱重(TG)分析：使用TG/DTA7300熱失重分析儀測試，在氮氣氣氛下，升溫速率20 ℃/min，從30 ℃升溫到100 ℃，保持5min，然后從100 ℃升溫到800 ℃。

拉伸斷裂性能：根據(jù)國家標準GB/T3916—1997《紡織品 卷裝紗 單根紗線斷裂強力和斷裂伸長率》，采用等速伸長(CRE)型YG061電子單紗強力儀測試，拉伸速度500mm/min，夾持距離500mm，測試20次，取平均值。

抗老化性能：根據(jù)國家標準GB/T16991—2008《紡織品 色牢度試驗 高溫耐人造光色牢度及抗老化性能 氙弧》進行測試。

耐日曬性能：根據(jù)紡織行業(yè)標準FZ/T98012—2014《日曬氣候色牢度試驗儀》測試。

染色性能：瓶片滌綸與切片滌綸試樣各取5g、分散紅玉0.1g、擴散劑0.25g、磷酸二氫銨0.5g、水250mL，用醋酸調節(jié)pH值為4～5，染浴以2 ℃/min速度升溫到90 ℃，再以1 ℃/min升溫至125 ℃，保溫30min；然后經過冷水洗、皂洗、水洗、烘干；用分光光度儀在最大吸收波長下測定殘液吸光度(A)，計算染料上染率(E)。

(2)

式中：B為標準染液吸光度；N為標準染液和染色殘液的稀釋倍數(shù)之比。

2 結果與討論

2.1 表面形貌

從圖1a可以看出，切片滌綸FDY表面平整光滑，纖維在紡絲中未受損傷，纖維成形良好。從圖1b可以看出，瓶片滌綸FDY表面大多數(shù)比較平滑，少量纖維表面含有部分顆粒凸起，這表明瓶片級PET的可紡性較切片級PET差。

圖1 瓶片滌綸和切片滌綸FDY的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM images of PET FDY from bottle-grade chip and fiber-grade chip

2.2 紅外光譜

由圖2可以看出，瓶片滌綸與切片滌綸的主要官能團幾乎相同，所以二者的微觀分子結構并無明顯區(qū)別。在1 717cm-1處有酯類CO伸縮振動吸收峰，2 965cm-1處有CH2伸縮振動吸收峰，在1 100～1 300cm-1區(qū)間有C—O—C伸縮振動強吸收帶，在700～900cm-1區(qū)間有豐富的吸收峰，說明大分子結構中存在苯環(huán)，721cm-1處強烈的特征吸收峰是由對位雙取代苯環(huán)上—CH2面內搖擺所形成的。

圖2 瓶片滌綸與切片滌綸FDY的紅外光譜Fig.2 IR spectra of PET FDY from bottle-grade chip and fiber-grade chip 1—瓶片滌綸；2—切片滌綸

2.3 XRD光譜

由圖3可看出，瓶片滌綸與切片滌綸的XRD光譜基本相似，均在2θ為17.2°,22.7°,25.2°左右出現(xiàn)3個強衍射峰，對應滌綸的(010)，(110)，(100)晶面的衍射峰。經計算，瓶片滌綸與切片滌綸的Xc分別為37.86%和37.24%，Xc比較接近，證明二者纖維內部大分子的規(guī)整程度相似。

圖3 瓶片滌綸與切片滌綸FDY的XRD光譜Fig.3 XRD patterns of PET FDY from bottle-grade chip and fiber-grade chip 1—瓶片滌綸；2—切片滌綸

2.4 熱性能

從圖4可以看出，瓶片滌綸與切片滌綸FDY的熱轉變溫度差異很小，表明瓶片級PET經過熔融再生后其物性與切片級PET基本一致。瓶片滌綸的熔點為240 ℃,切片滌綸的熔點為260 ℃,這是因為：一方面瓶片PET原料可紡性存在少許差異(與SEM分析結果一致)；另一方面瓶片PET在熔融過程中發(fā)生降解，使分子鏈規(guī)整性相應變差所致[12]。

圖4 瓶片滌綸與切片滌綸FDY的DSC曲線Fig.4 DSC curves of PET FDY from bottle-grade chip and fiber-grade chip 1—瓶片滌綸；2—切片滌綸

由切片滌綸與瓶片滌綸的TG曲線(圖5)可以看出，瓶片滌綸與切片滌綸均在起始分解溫度400 ℃開始有質量損失，500 ℃基本分解完畢，430 ℃左右達到最大分解速率，分解后質量殘余率為17%，證明二者熱性能基本相同。

圖5 瓶片滌綸與切片滌綸FDY的TG曲線Fig.5 TG curves of PET FDY from bottle-grade chip and fiber-grade chip 1—瓶片滌綸；2—切片滌綸

2.5 力學性能

由表1可知，瓶片滌綸的斷裂強度為3.638 cN/dtex，比切片滌綸(3.792 cN/dtex)略低，斷裂伸長率略高，斷裂強度與斷裂伸長率的變異系數(shù)(CV)都要高于切片滌綸，這是由于瓶片PET在熔融過程中會發(fā)生降解且原料質量不均勻，因而導致部分纖維成形不良，強度不均勻。

表1 試樣的拉伸斷裂性能Tab.1 Tensile mechanical properties of samples

2.6 抗老化性能

由表2可以看出，瓶片滌綸FDY與切片滌綸FDY的斷裂強度均隨著溫度的提高而下降，溫度升高到120 ℃左右時，瓶片滌綸FDY的斷裂強度下降不大，而切片滌綸FDY的斷裂強度下降較大，由此可以說明在120 ℃之前，瓶片滌綸FDY的耐老化性能要優(yōu)于切片滌綸FDY，而120 ℃之后，切片滌綸FDY的耐老化性能要好于瓶片滌綸FDY。

表2 試樣的抗老化性能Tab.2 Anti-aging properties of samples

2.7 耐日曬性能

由表3可看出，日曬10 h后，瓶片滌綸與切片滌綸FDY的斷裂強度都有所下降，但瓶片滌綸FDY下降明顯，其耐日曬能力相比切片滌綸FDY差。這是由于瓶片滌綸FDY在熔融過程中易發(fā)生降解所致。

表3 試樣的耐日曬性能Tab.3 Light fastness properties of samples

2.8 染色性能

由表4可知，瓶片滌綸FDY與切片滌綸FDY都對染料有良好的吸附率，但是瓶片滌綸對染料的E(88%)略低于切片滌綸的E(90%)，這是由于瓶片滌綸的Xc比切片滌綸略高，分子鏈比較規(guī)整，染料難以進入結晶區(qū)所致。

3 結論

a. 瓶片滌綸FDY與切片滌綸FDY相比，纖維的表面和內部存在些許差異，導致纖維的Xc、耐熱性與切片滌綸有所不同，且因此對瓶片滌綸的染色性能產生一定的影響。

b. 瓶片滌綸FDY與切片滌綸FDY的斷裂強度在常溫下相差不大，但是經熱處理和日曬后，瓶片滌綸FDY的斷裂強度下降程度略大于切片滌綸FDY。

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Contrast of structure and properties of PET FDY from bottle-grade and fiber-grade chips

Guo Ya1, Duan Jianguo2, Guo Xiaoqing1,2, Wang Yaocun2, Ma Jianwei1, Chen Shaojuan1

(1.CollegeofTextileandGarment,QingdaoUniversity,Qingdao266071;2.LongfuRecyclingEnergyScientechCo.,Ltd.,Binzhou256600)

The structure and properties of polyethylene terephthalate (PET) fully drawn yarn (FDY) from bottle-grade chip and fiber-grade chip were characterized and compared by scanning electron microscopy, Fourier transform infrared spectrometry, differential scanning calorimetry X-ray diffraction analysis, thermogravimetric analysis, single fiber tensile strength test. The results showed that PET FDY from fiber-grade chip had smooth surface when PET FDY from bottle-grade chip had the surface with a little particle projection, and no obvious difference was observed between their molecular structure; the PET FDY from bottle-grade chip and fiber-grade chip exhibited the crystallinity of 37.86% and 37.24%, the melting point of 240 ℃ and 260 ℃, the breaking strength of 3.638 cN/dtex and 3.792 cN/dtex, dye up-take of 88% and 90%, respectively, but they were similar in mechanical properties; the breaking strength of PET FDY from bottle-grade chip was decreased more profoundly than that of PET FDY from fiber-grade chip after heat treatment and insolation.

polyethylene terephthalate fiber; bottle-grade chip; recycled fiber; fully drawn yarn; structure; properties

2016-10- 09； 修改稿收到日期：2016- 02-22。

郭亞(1992—)，女，碩士在讀，研究方向為紡織材料與紡織品設計。E-mail：2429401407@qq.com。

* 通訊聯(lián)系人。E-mail：gxiaoqing@163.com。

TQ342.21

A

1001- 0041(2017)02- 0070- 04