聚酯纤维物性与结构相关性之探讨.docx

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聚酯纤维物性与结构相关性之探讨

聚酯纖維物性與結構相關性之探討

黃彥智、陳亭秀、柯文謙

工業技術研究院　化學工業研究所

摘　　要

　　本文針對不同強伸度特性的六種聚酯纖維，比較複折射率（△n）、結晶度（Xc）及伸直縛結分子鏈比率（FractionofTautTieMolecules,TTM值）等纖維結構參數與機械物性的相關性。

實驗結果顯示△n、Xc與強度、楊氏係數之相關性符合文獻資料的趨勢，而且本研究對應力-應變數據進一步分析，求出完整的模數-應變曲線，以探討伸直縛結分子鏈對楊氏係數之影響。

關鍵字：

伸直縛結分子鏈比率，楊氏係數，纖維結構

CharacterizationofProperty/Structure

Relationships

inPoly（ethyleneterephthalate）

Y.J.HUANGT.S.CHENW.C.KO

INDUSTRIALTECHNOLOGYRESEARCHINSTITUTE

UNIONCHEMICALLABORATORIES,HSINGCHU,TAIWAN,R.O.C

ABSTRACT

　　Inthisstudy,wecomparedifferenttensilepropertieswithrespecttobirefringence（△X）,crystalline（Xc）,fractionoftauttiemolecules（TTM）forsixpoly（ethelyleneterephthalate）（PET）fibers,asrelatedtothesestructuralparametersandmechanicalproperties.Inthisexperiment△X、Xc、Strength、Young'smodulusconformtotrendsinpublishedliteratures.Moreover,stress-straindataanalysisisperformedtoobtaincompletemodulus-straincurve.Consequently,fractionoftauttiemoleculesaffectYoung'smodulusValue.

Keywords:

fractionoftauttiemolecules,Young'smodulus,fiberstructure

一、前　言

　　應力-應變曲線起始段直線部份的斜率為楊氏係數，它是纖維抵抗外力作用時形變能力的量度，是纖維剛度的表徵[1]。

相對地國內短纖在下游業界如紡紗、不織布、複合材料等對楊氏係數要求，往往因用途不同，使用產品物性相對不一樣。

本篇是將聚酯短纖以強伸度儀求得基本物性後，深入探討楊氏係數及TTM值之關係性，與傳統方式求得之值比較，更為客觀，以提供國內業界之參考。

二、理　論

　　探討纖維微細構造中，非結晶區（A）和結晶區（C）間分子鏈分佈曲線及機械連結模式，一般有下列四種連結方式來考慮[2,3]：

2-1AC串聯模式（見圖一）

AC串聯模式的複數張力模數

表示公式如下：

（1）

2-2AC並聯模式（見圖二）

AC並聯模式的複數張力模數

表示公式如下：

（2）

2-3AC並串聯複合模式（見圖三）

公式（3）的複數張力模數E*表示如下：

（3）

AC並串聯機械模式是以高結晶聚合物粘彈行為來解析，非結晶區（A）先與結晶區（C）並聯模式後，再與1-

之結晶區（C）進行串聯模式。

2-4AC串並聯複合模式（見圖四）

公式（4）的複數張力模數

表示如下：

（4）

AC串並聯機械模式是另種以高結晶聚合物粘彈行為來解析

三、實　驗

3-1實驗材料

A）樣品1：

高結晶度聚酯短纖，dpf=1.2（D）

B）樣品2：

低結晶度聚酯短纖，dpf=2.6（D）

C）樣品3：

一般用聚酯短纖，dpf=1.2（D）

D）樣品4：

異常聚酯短纖，dpf=2.6（D）

E）樣品5：

高模數聚酯短纖，dpf=3.8（D）

F）樣品6：

高模數聚酯短纖，dpf=3.3（D）

3-2實驗方法

（1）細度測定

　　根據ASTMD1577利用基本共振頻率（fundamentalresenantfrequency）和纖維本身的自然頻率產生共振，以100mg及300mg荷重最佳測試範圍是1.00～1.50dtex與2.55～10.50dtex。

（2）DSC測定

升溫速率30℃/min，求出纖維熔點（Tm）及熔化熱△H°值。

（3）強伸度測定

　　德國Zwick1445強伸度儀測定纖維的強度、伸長率和楊氏係數，測定纖維夾持長度25.4mm，拉伸速度為200mm/min。

（4）測定複折射率（△n）

　　德國Leitz公司偏光顯微鏡，使用光源之波長λ=546mm，利用最大折射值nγ和最小折射值nα的差距（nγ-nα）此項數值之測定需依相位差來決定，而相位差的測定需要適當的補償器（Compensator）與被測定體厚度，代入下列公式：

（5）密度測定

　　以CCl4/Heptane溶劑配製，其密度範圍是1.30～1.50g/cm3間之密度梯度溶液。

密度及結晶度計算方法D=a+（X-Y）（a-b）／（Z-Y）

　Y,Z：

標準密度球之距離

　a,b：

標準密度球之密度

　X：

待測樣品之距離

結晶佔有體積Vc=（ρ-ρa）／（ρc-ρa）

　ρ：

待測樣品之密度

　ρa=1.335g/cm3

　ρc=1.455g/cm3

四、結果與討論

4-1聚酯纖維結構之研究

4-1-1對物性之影響

　　由樣品之物性可知（如表一），強度與伸度是纖維物性在巨觀上最明顯的表現，許多纖維內部微細構造的變因皆會在纖維上顯示出來。

由表一可看出結晶度愈高者，強度、楊氏係數與密度相對提高。

其中樣品1與樣品3物性較為接近，其產品屬於硬而強特性，用途適合於紡紗、衣料類。

而樣品2產品者屬於軟而韌特性，因伸度較高，用途適合於不織布類產品。

樣品4產品屬於軟而弱為瑕疵品，較不為業界所接受。

最後樣品5和6產品者屬於剛而強聚酯工業用纖維楊氏係數要求特別強。

　　圖五、圖六相互比較二種不同樣品結果，由強伸度儀獲得應力-應變數據，進一步分析求出完整之模數-應變曲線，並可精確算得楊氏係數值，圖上看出初現波頂其相對模數座標值，即是楊氏係數。

而曲線中段、後段因不同物性可以顯現出不同特性變化過程，兩者在出現第二次波峰之差異極大提供比較及參考。

4-1-2以並串聯模式和串聯模式探討TTM值

結晶區以C表示，非結區以A表示，兩者機械模式可從圖一～圖四看出以並串聯模式而言，將實測初始模數、結晶度值代入公式求出伸直縛結分子鏈之值[4,5]，其公式如下：

（5）

其中，Ef=纖維之初始模數（GPa）；Ec=110（GPa），Ea=2.1（GPa）

.....公式（6），

Va=1-Vc公式（7）

ρ=纖維密度（g/cm3），ρa=1.335g/cm3，ρc=1.455g/cm3，

縛結分子（tie-molecule）是將分子結構模型內連接兩個晶區的長鏈分子。

　　可從表二得知，以串並聯模式求得TTM值中，樣品2、4之值幾乎沒有貢獻，兩種產品由於結晶度，楊氏係數偏低不適合探討伸直縛結分子鏈對纖維微細構造之影響。

從圖七、八可看出TTM值與楊氏係數間關係，兩者成正比之趨勢，TTM值愈大對初始模數之貢獻愈大。

4-2以DSC法求纖維結晶度（XDSC）值

　　從文獻上[6,7]可知，完全結晶之熔化熱△H°=140J/g，△Hexp值為從DSC實測熔融值，做公式為XDSC（%）=△Hexp/△H°×100從圖九中可獲得實測值。

結果可從表一看出樣品1、5、6皆屬高結晶度，與密度法求得之結晶度值趨勢接近。

五、結　論

1.聚纖維結構上結晶與結晶區間空隙是藉著縛結分子鏈的連接，在未拉伸前尚屬彎曲，一旦開始拉伸時結晶度愈高者，伸直縛結高分子鏈對纖維楊氏係數貢獻愈多，相反地，結晶度愈低者對纖維楊氏係數貢獻愈少。

2.柔而韌與剛而強兩種纖維材質屬極大不同用途之產品，其物性差異甚大。

可從屈伏點後模數值與TTM值之間相關性是成正比。

可得証，聚酯纖維在剛而強材質上顯示在拉伸度變化過程中，楊氏係數是很重要參考依據，相對地屈伏點後之模數值對伸直縛結分子鏈貢獻亦相當影響。

3.以密度法求出聚酯纖維之結晶度後，代入串聯模式公式

（1）可得串聯模式之預測值，與實測值相比較結果，纖維結晶度低者，兩者楊氏係數較為接近。

相對地結晶度高者，與實測楊氏係數差距很大，較適合以串並聯或並串聯模式探討纖維構造。

參考文獻：

1.吳宏仁、吳立峰，紡織纖維的結構和性能，第123～133頁，紡織工業出版社（北京）（1983）

2.T.ThistlethwaiteandR.Jakeways,"Thecrystalmoduluaandstructureoforientedpoly（ethyleneterephthalate）",POLYMER,Vol.29,January,PP.66-69（1988）

3.M.Takayanagi,etal.,"MechanicalPropertiesandFineStructurofDrawnPolymers",J.ofPolymerSci.,C,No.15,PP.263-281（1966）

4.M.Kamezawa,K.Yamada,andM.Takayanagi,"PreparationofUltrahighModulusIsotacticPolypropylenebyMeansofZoneDrawing",J.ofAppl.PolymerScience,Vol.24,PP.1227-1236（1979）

5.A.Peterlin,"PlasticDeformationandStructureofExtrudedPolymerSolids",PolymerEngineeringandScience,September,Vol.14,No.9,PP.627-632（1974）

6.G.Groeninckx,etal.,"MorphologyandMeltingBehaviorofSemicrystallinePoly（ethyleneTerephthalate）.I.IsothermallyCrystallizedPET,J.ofPolymerScience:

PolymerPhysicsEdition,Vol.18,PP.1311-1324（1980）

7.A.Mehta,etal.,"EquilibriumMeltingParametersofPoly（ethyleneTerephthalate）",J.ofPolymerScience:

PolymerPhysicsEdition,Vol.16,PP.289-296（1978）

圖一　聚酯纖維非結晶區與結晶區結構之串聯連結模式

圖二　聚酯纖維非結晶區與結晶區結構之並聯連結模式

圖三　聚酯纖維非結晶區與結晶區結構之並串聯連結模式

圖四　聚酯纖維非結晶區與結晶區結構之串並聯連結模式

表一纖維產品之特性

樣品

物性

樣品1

樣品2

樣品3

樣品4

樣品5

樣品6

強度（GPa）

1.10

0.50

1.14

0.38

1.02

1.00

伸度（%）

16.8

78.1

15.5

17.7

14.1

14.0

密度（g/cm3）

1.3973

1.3818

1.3882

1.3873

1.3884

1.3959

結晶度

密度法

51.93

39.01

44.33

43.58

44.45

50.79

（%）

DSC法

40.72

31.43

32.22

30.73

40.32

39.73

複折射率（△n）

251.72

196.26

252.43

249.81

208.79

197.03

表二串並聯模式與串聯模式之預測值比較

資料名稱

樣品1

樣品2

樣品3

樣品4

樣品5

樣品6

楊氏係數之實測值（GPa）

10.1

5.6

7.8

2.3

14.8

15.2

串聯模式之預測值（GPa）

4.28

3.40

3.71

3.67

3.72

4.18

串並聯模式之TTM值

0.064

0.031

0.056

0.023

0.100

0.091

屈伏點後之TTM值

0.109

0.009

0.088

0.034

0.111

0.111

圖五　樣品2聚酯纖維拉伸過程中應力-應變與模數-應變之曲線變化關係

圖六　樣品5聚酯纖維拉伸過程中應力-應變與模數-應變之曲線變化關係

圖七　聚酯纖維與TTM值之關係比較

圖八聚酯纖維從屈伏點後模數與TTM值之關係比較

圖九不同聚酯纖維產品之DSC曲線