PBT/PBST长丝的结构与性能研究

黎 丹，赵明良，李发学，俞建勇

(东华大学纺织学院，上海201620)

聚丁二酸丁二醇-共-对苯二甲酸丁二醇酯(PBST)是一种脂肪族与芳香族的共聚酯，它是丁二酸丁二醇酯(BS)与对苯二甲酸丁二醇酯(BT)的无规共聚物，兼有脂肪族聚酯的生物可降解性能和芳香族聚酯的良好机械性能［1－3］。PBST大分子中含有软链段BS和硬链段BT结构，使其具有独特的弹性和柔软手感。这使得PBST长丝在纺织和服装领域具有较广阔的应用前景。但无规共聚的易变性及热收缩率较大的特点给织物的后整理及尺寸稳定性带来诸多问题。聚对苯二甲酸丁二醇酯(LPBT)纤维较PET纤维具有更好的染色性和卷曲性，且纤维在拉伸应变中存在α与β晶型的可逆转变而具有一定弹性，但PBT制品的手感较为粗糙，且产品价格显著高于 PET纤维［4］。因此，PBT的改性一直是人们关心的问题。基于此，作者针对PBST与PBT纤维的特性，研制出PBT/PBST共混长丝，通过分析研究3种纤维的结构和性能，探索制备出具有良好服用性能的纤维。

1 实验

1.1 原料

PBT，PBT/PBST，PBST 假捻变形丝(DTY):规格均为82.5 dtex/24 f。其中，PBT/PBST混合丝中PBST质量分数为20%，而PBST纤维中芳香族共聚单元BT摩尔分数为70%，均由江苏和时利新材料股份有限公司提供。

1.2 分析测试

力学性能:采用莱州市电子仪器有限公司的YG061型电子单纱强力仪测定纤维的拉伸性能。根据GB/T14344—1993设定测试条件。测试温度为20 2℃，相对湿度为(65±2)%。

热性能:采用美国Perkin-Elmer公司的Pyris-1型差示扫描量热仪(DSC)对试样的热性能进行测试。以铟(In)和正庚烷进行校正，氮气流速为20 mL/min。以10℃/min的升温速率加热至样品熔点以上约20℃，保温2 min，然后以相同的降温速率将试样降至室温。

晶体结构:采用日本 Rigaku公司 D/Max 2550 VB/PC型X射线衍射仪进行广角X射线衍射(WAXD)测试。测试条件为:CuKα靶(λ为0.154 nm)，电压 40 kV，电流 250 mA，扫描速度0.02(°)/min，扫描范围 5°～60°。

沸水收缩率:用绞纱测长仪绕取长丝5圈，每圈长为1 m。在0.02 cN/dtex张力下测得长丝原始长度，将丝绕成8字形，再对折，松弛状态下用纱布包好放入沸水中煮30 min，取出冷却晾干。在同样的张力下测得其收缩后的长度，计算得到沸水收缩率［5］。

干热收缩率:用绞纱测长仪绕取长丝5圈，每圈长为1 m。在0.02 cN/dtex张力下测得长丝原始长度，将丝绕成8字形，再对折，松弛状态下用纱布包好放入烘箱内。烘箱温度为100℃，加热时间为30 min，在恒温恒湿条件下平放晾干。在同样张力下测得其收缩后的长度，计算得到干热收缩率。

2 结果与讨论

2.1 晶体结构

从图1可以看出，PBT纤维衍射峰对应2θ分别为 16°，17°，20.9°，23°，25°，呈现出三斜晶型的晶体结构。PBT/PBST和PBST纤维的衍射特征峰与PBT纤维相似，表明3种纤维具有类似的晶体结构，即均为三斜晶型。

图1 PBT及PBT/PBST和PBST纤维的WAXD曲线Fig.1 WAXD curves of PBT，PBT/PBST and PBST fibers

对于PBST纤维而言，芳香族链段BT摩尔分数为70%，这表明脂肪族链段BS的引入并没改变聚合物的晶体结构;而对 PBT/PBST纤维，PBST树脂的质量分数为20%，这表明PBST树脂的添加也未改变纤维的晶体结构。晶体结构的保持不变有利于聚合物热力学性能的控制，从而有利于纤维的成形及纺织后加工。

2.2 力学性能

从图2可以看出:PBT纤维的断裂强度与初始模量均高于PBT/PBST和PBST纤维，但断裂伸长率则显著低于后二者，所以PBT纤维显现出脆性特征，手感较硬;PBST纤维的断裂强度最低，断裂伸长率最大，表现出良好的韧性，但这会导致其织物缺少骨架，保形性较差;而PBT/PBST纤维的应力应变曲线与PBT纤维走向趋势相似，其断裂强度和断裂伸长率处于PBT和PBST纤维之间，这表明在PBT纤维中引入PBST组分可显著改善其柔韧性。

图2 PBT和PBT/PBST及PBST纤维的拉伸曲线Fig.2 Tensile curves of PBT，PBT/PBST and PBST fibers

从表1可以看出，3种纤维的拉伸回复率都随着定伸长率和循环次数的增加而降低。这是因为随着定伸长率的增加，纤维的急弹性变形和缓弹性变形占总变形的比例降低，塑性变形增加，同时缓弹变形回复需要一定时间，所以3种纤维的拉伸回复率随着定伸长率的增加而降低。此外，随着循环次数的增加，纤维缓弹性变形和塑性变形占总变形的比例增加，同时塑性变形逐渐积累，因此3种纤维的弹性回复率相应降低。

表1 PBT与PBT/PBST和PBST纤维的拉伸回复率Tab.1 Stretch elastic recovery of PBT，PBT/PBST and PBST fibers

从表1还可发现，PBT纤维的拉伸回复率在不同定伸长下均低于PBT/PBST和PBST纤维。这是由于PBT在应变过程中产生α与β晶型的可逆转变，松弛状态下为α晶型，呈螺旋构象;拉伸状态呈β晶型。通常，α型为稳态，β型为非稳态，并具有向α型转变的趋势，因此PBT纤维具有弹性特性［6］。但α与β构型的转变，因苯环的位阻作用，所需的能量较大，因此其伸长所需的外界应力较大，而且当外界张力约束作用消失后，其弹性回复可能较慢且回复性较小。而PBST拥有软链段BS和硬链段BT的大分子结构，硬链段形成稳定的结晶区段，软链段具有一定分子柔性和构象自由度，使得PBST纤维具有一定弹性。此外PBST中BT链段有4个亚甲基，它的这个结构与PBT的结构相同，在应变过程中也产生α与β晶型的可逆转变，因此，使得PBST纤维的拉伸回复率高于PBT和PBT/PBST纤维。PBST的引入也导致PBT/PBST纤维的拉伸回复率高于PBT纤维，这表明共混改善了PBT纤维的耐疲劳性。

2.3 热性能

从图3可以看出，PBT和PBST纤维分别有一个熔融峰，对应温度为纤维熔点，分别是220.5℃和177.9℃，而 PBT/PBST纤维作为 PBT和PBST的共混物，存在两个熔融峰，分别为177.1℃和216.2℃。通过计算还可知，PBT，PBT/PBST，PBST 热焓分别为 45.93，41.64，30.02 J/g，依次降低，表明它们的结晶度相应降低。这是因为随着共聚链段BS的引入，破坏了以BT为主的晶体结构的规整性，从而导致纤维的结晶度降低。

图3 PBT及PBT/PBST和PBST纤维的DSC曲线Fig.3 DSC endotherm curves of PBT，PBT/PBST and PBST fibers

从表2可以看出，PBT作为均聚物具有相对较低的干热收缩率，而PBST作为共聚物干热收缩率最高，为44.42%。较高的干热收缩率会影响织物的尺寸稳定性，进而影响织物的服用性能。通过与PBT共混后制成的PBT/PBST纤维具有相对适中的干热收缩率(39.58%)，有利于制成具有较好尺寸稳定性的面料。对于沸水收缩率，3种纤维表现出同样的变化规律。

表2 PBT及PBT/PBST和PBST纤维的热收缩率Tab.2 Heat shrinkage of PBT，PBT/PBST and PBST fibers

3 结论

a.PBT/PBST长丝的拉伸曲线与PBT长丝的趋势相似，在性能上接近PBT长丝，断裂强度、初始模量和断裂伸长率处于PBT长丝和PBST长丝之间。PBST长丝软而强韧。这表明在PBT切片中加入PBST切片可以改善PBT的柔韧性。

b.PBT，PBT/PBST，PBST 长丝的拉伸回复率都随着定伸长率和循环次数的增加而降低;PBT长丝的拉伸回复率明显小于PBST长丝的拉伸回复率，略小于PBT/PBST长丝的拉伸回复率。

c.PBT，PBT/PBST，PBST 纤维的结晶度依次降低;PBT纤维和PBT/PBST纤维的沸水收缩率和干热收缩率均比PBST纤维的小很多;PBST纤维沸水收缩率和干热收缩率最大，PBT/PBST纤维的沸水收缩率和干热收缩率差异最大。

d.随着BS段成分的提高，PBT，PBT/PBST，PBST长丝衍射峰的位置和晶型与PBT纤维的相比并没有发生太大变化。

［1］顾晶君，李婷婷，张瑜，等.生物可降解共聚物PBST和PBS的结构与结晶性能［J］.合成纤维工业，2007，30(2):17 －19.

［2］刘杰英，钱竞芳，李发学.PBST/棉包芯纱的拉伸回复性能［J］.东华大学学报:自然科学版，2010，36(5):15 －17.

［3］Li Faxue，Luo Shengli，Yu Jianyong.Study on rheological properties of the biodegradable aliphatic-aromatic PBST copolyesters［C］//Proceedings of 2007 international conference on advanced fibers and polymer materials，2007:28 －31.

［4］陶杰.新型弹性纤维-PBT［J］.国外纺织技术，1987(1):1－4.

［5］王妮，孙润军，来侃.热处理对涤纶长丝热收缩率影响的研究［J］.东华大学学报:自然科学版，2003，29(2):88 －91.

［6］郭宝华，丁慧鸽，徐晓琳，等.生物可降解共聚物聚丁二酸丁二醇-共-对苯二甲酸丁二酯(PBST)的序列结构及结晶性研究［J］.高等学校化学学报，2003，24(12):2312 －2316.