熱處理對PBST纖維聚集態結構和力學性能的影響

高佳佳，李發學，俞建勇

（東華大學 紡織學院，上海 201620）

由于脂肪族（共）聚酯良好的生物降解性和生物相容性，在過去幾十年中有許多針對此內容的相關研究[1－3].自 CAROTHERS[4]最早提出將二元醇和乙二酸縮合反應以來，種類繁多的脂肪族聚酯開始被大量合成應用，例如，聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、聚乙二酸丁二醇酯（PES）、聚己二酸丁二醇（PBA）等[5－8].盡管脂肪族聚酯的應用范圍很廣，但它們有個共同的缺點，即較差的熱學性能和物理加工性能及較高的生產成本，因而制約了由其制成的纖維在紡織加工中的應用.相反，芳香族聚酯雖不具備生物降解性能，但卻具有優良的熱力學性能和加工性能，能被制成塑料、纖維等不同形式的產品可廣泛應用于各個行業，例如目前已經大量投入生產應用的聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）材料[9].在前人的研究工作中，相關研究人員通過縮聚反應合成了生物可降解的聚丁二酸丁二醇－共－對苯二甲酸丁二醇酯（PBST）[10－11]，它既具有脂肪族聚酯的生物降解性能，又具備芳香族的物理加工性能，具有廣泛的應用前景.本文旨在通過對PBST纖維在不同的溫度、牽伸倍數和熱定型時間條件下進行熱處理，研究其經熱處理后力學性能和聚集態結構的變化.

1 試驗部分

1.1 樣品制備

首先將PBST纖維理順成束狀放在自制的瓦楞紙溝槽中，放入烘箱加熱至200℃，保溫3min以消除熱歷史，然后將其迅速冷卻至室溫.將退火后的纖維固定在自制的長方形鐵架上，設定初始張力為0cN，在不同的牽伸倍數、溫度和熱定型時間條件下進行牽伸.

1.2 測試部分

1.2.1 力學性能測試

使用萬能材料試驗機（XQ-2型）得到PBST纖維的應力應變曲線，并測試其彈性回復率.夾持距離為50mm，定伸長為纖維原長度的20%，預加張力為0.2cN，循環3次，停留時間為0s，拉伸速度為250mm／s，每個樣品測3組數據取平均值.

1.2.2 取向度測試

采用日本奧林巴斯Polarizing Optical Microscope BX51型熱臺偏光顯微鏡（POM），測得PBST纖維的直徑D和光程差R，然后由Δn＝R／D計算出雙折射率，以描述經過熱處理后PBST纖維的取向度.1.2.3 結晶度測試

采用美國Perkin-Elmer公司的Pyris-1型差示掃描量熱儀（DSC）對PBST的熱學性能進行測試，以銦和正庚烷進行校正，整個測試過程中以氮氣流保護，氣流流速為50mL／min.稱取5mg左右樣品，置于鋁坩堝中密封，用密封的空坩堝作參考物，先以10℃／min的升溫速率加熱至200℃，保溫3min，然后以10℃／min的降溫速率降至室溫.在試驗所得DSC曲線的基礎上，先計算出試樣完全熔融所需吸收的熱量，再求出對應的熱焓，最后計算出試樣的結晶度XC，計算式為XC＝，其中，ΔHC為試樣的熱焓，J／g，ΔHC為一個完全結晶試樣的熔融熱焓，其值為144.5J／g[12].

2 結果與討論

2.1 牽伸倍數對PBST纖維結構性能的影響

圖1為PBST纖維在烘箱溫度為140℃、不同牽伸倍數條件下熱定型3min后其力學性能的變化曲線.由圖1可以看出，隨著牽伸倍數的增加，PBST纖維的斷裂強度增加，彈性回復率整體呈下降趨勢.為了揭示這一變化的內在原因，圖2給出了不同牽伸倍數條件下PBST纖維的結晶度和取向度變化曲線.由圖2可以看出，熱牽伸對纖維的取向度和結晶度變化有積極的影響，隨著牽伸倍數的增大，纖維的取向度和結晶度增大.這主要是由于熱牽伸過程中，大分子鏈在縱向重新排列所致.纖維取向度和結晶度的增大，使得其斷裂強度呈現出比較明顯的上升趨勢.同時，這也可以解釋熱處理會對PBST纖維的彈性回復率產生消極影響的原因，即隨著牽伸倍數的增大，纖維的取向度和結晶度增大，纖維受到外力牽伸時，晶片在纖維縱向上的滑移變得越來越困難，因而PBST纖維的彈性回復率降低[13].

2.2 熱處理溫度對PBST纖維結構性能的影響

圖3所示為PBST纖維在不同熱處理溫度條件下牽伸倍數為1.25、熱定型5min后的力學性能變化曲線.由圖3可以看出，與牽伸倍數相比，熱處理溫度對PBST纖維的力學性能有類似的影響，即隨著熱處理溫度的升高，纖維的斷裂強度增加而彈性回復率整體呈下降趨勢.圖4給出了不同熱處理溫度條件下PBST纖維的結晶度和取向度變化曲線.由圖4可以看出，PBST纖維的取向度隨著熱處理溫度的升高而逐漸增加，但纖維的結晶度整體呈下降趨勢.這同樣可以歸因于熱處理過程中分子鏈在纖維縱向結構上的重組和晶區結構的破壞.隨著熱處理溫度的升高，大分子鏈運動加劇，有利于其重新排列，因此，纖維的取向度增加；但溫度過高，晶區結構遭到破壞，纖維的結晶度降低.同時，結合牽伸倍數及熱處理溫度對PBST纖維結構性能影響的試驗結果可以得知，與結晶度相比，PBST纖維的取向度變化是其力學性能變化的主導因素.

2.3 熱處理時間對PBST纖維結構性能的影響

圖5所示為PBST纖維在烘箱溫度為140℃、牽伸倍數為1.25和不同熱處理時間條件下力學性能的變化曲線.由圖5可以看出，纖維的斷裂強度和彈性回復率隨熱處理時間的改變未呈現出明顯的變化規律，這與圖6纖維結晶度和取向度結構隨熱處理時間的無規變化是一致的.造成這種結果的原因可能是在加熱的初始階段，大分子鏈的重新排列占主導地位，這有利于纖維斷裂強度的增加，而彈性回復率降低；隨著熱處理時間的延長，晶區結構逐漸遭到破壞，這對纖維的力學性能產生消極影響.由于在熱處理過程中，大分子鏈的重排和晶區破壞這兩個過程同時發生，因此，PBST纖維的力學性能呈現出不規律的變化.

3 結 語

本文通過試驗研究了生物可降解PBST纖維在不同熱處理條件下力學性能和聚集態結構的變化規律.研究結果表明，牽伸倍數和熱處理溫度對纖維的彈性回復率有消極影響，但對其斷裂強度有積極影響，即隨著牽伸倍數的增加和溫度的升高，纖維的彈性回復率整體呈下降趨勢，而斷裂強度增加，這歸因于PBST纖維在熱處理過程中取向度和結晶度的變化，且取向度變化是PBST纖維力學性能變化的主導因素.試驗同時也表明，熱處理時間對纖維的力學性能和聚集態結構影響無顯著規律，這還有待于進一步的研究.

參 考 文 獻

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