瓶片与切片级涤纶FDY的结构与性能对比

郭 亚，段建国，郭肖青,*，王耀村，马建伟，陈韶娟

(1.青岛大学纺织服装学院，山东 青岛 266071; 2.龙福环能科技股份有限公司，山东 滨州 256600)

瓶片与切片级涤纶FDY的结构与性能对比

郭 亚1，段建国2，郭肖青1,2*，王耀村2，马建伟1，陈韶娟1

(1.青岛大学纺织服装学院，山东 青岛 266071; 2.龙福环能科技股份有限公司，山东 滨州 256600)

采用扫描电镜、傅里叶变换红外光谱仪、差示扫描量热仪、X射线衍射仪、热失重分析仪、单纤维强力仪等对瓶片涤纶全拉伸丝(FDY)与切片涤纶FDY的结构与性能进行表征与比较。结果表明：纤维表面均比较光滑，但瓶片涤纶FDY表面存在少量颗粒凸起，在分子结构上两者无明显区别，瓶片涤纶FDY和切片涤纶FDY的结晶度分别为37.86%，37.24%；瓶片涤纶FDY的熔点为240 ℃，切片涤纶FDY的熔点为260 ℃；瓶片涤纶FDY的断裂强度为3.638 cN/dtex，切片涤纶FDY断裂强度为3.792 cN/dtex，其力学性能相差不大，但经热处理和日晒后，瓶片涤纶FDY的断裂强度下降程度略大于切片涤纶FDY；瓶片涤纶FDY和切片涤纶FDY都具有较好的染色性能，上染率分别为88%和90%。

聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维 瓶用切片 再生纤维 全拉伸丝 结构 性能

塑料瓶应用于我们日常生产生活的各个领域，且使用量非常大，而废弃塑料瓶的回收再利用率一直比较低，导致废弃塑料瓶成为城乡环境污染的重要污染源之一，对生态环境及经济发展带来的破坏和损失已成为亟待解决的社会问题。近几年来，利用回收废旧聚酯(PET)瓶进行纺丝获取再生涤纶，以前所未有的速度迅猛发展，变废为宝，给人类生产和生活带来了便捷[1]。

再生瓶片涤纶是将废旧PET经粉碎、熔融纺丝、拉伸等工艺处理后得到的纤维，主要为短纤维，而后成功纺制出了长丝[2-3]。瓶片涤纶长丝可用于毛毯、服装、填充物等许多产品的生产，因其成本低、性能好，前景十分广阔，能创造出很好的经济和社会效益[4-5]。作者对瓶片涤纶全拉伸丝(FDY)与切片涤纶FDY的微观结构特征、热性能、物理机械性能以及染色性能[6-10]进行了测试、分析与比较，为瓶片涤纶长丝新产品的开发提供理论依据。

1 实验

1.1 原料

瓶片涤纶FDY：规格为82.5 dtex/36 f，龙福环能科技股份有限公司产；切片涤纶FDY：规格为82.5 dtex/36 f，仪征化纤股份有限公司产。

1.2 仪器

S-3000N扫描电镜：日本Hitachi公司制；Nicolet 6700红外光谱仪：美国Thermo Fisher Scientific公司制；D/max-B型X射线衍射仪：日本理学电机制；DSC 200F3差示扫描量热仪：德国Netzsch公司制；TG/DTA7300热失重分析仪：日本日立公司制；YG061电子单纱强力仪：莱州市电子仪器公司制；Spectrumlab22pc可见分光光度计：上海分析仪器总厂制。

1.3 测试方法

表观形貌：使用S-3000N扫描电镜观察纤维的表面形态，获得扫描电镜(SEM)照片。

红外光谱：使用Nicolet 6700红外光谱仪记录试样的红外光的透射率或吸光度随波数的变化。测试波数为400～4 000 cm-1，扫描次数为32，分辨率为4 cm-1。

X射线衍射(XRD)：采用D/max-B型X射线衍射仪测试纤维的结晶性能。测试条件：管电压为40 kV，管电流为50 mA，铜靶镍过滤，2θ为5°～80°。

结晶度(Xc)：按照GB/T13464—1992《物质热稳定性的热分析试验方法》测试，Xc计算公式如下[11]：

Xc=Sc/(Sc+Sa)

(1)

式中：Sc为结晶峰面积；Sa为非结晶峰面积。

差示扫描量热(DSC)分析：使用DSC200F3差示扫描量热仪测试，在氮气保护下，升温速率10 ℃/min，从20 ℃升温到300 ℃。

热重(TG)分析：使用TG/DTA7300热失重分析仪测试，在氮气气氛下，升温速率20 ℃/min，从30 ℃升温到100 ℃，保持5min，然后从100 ℃升温到800 ℃。

拉伸断裂性能：根据国家标准GB/T3916—1997《纺织品 卷装纱 单根纱线断裂强力和断裂伸长率》，采用等速伸长(CRE)型YG061电子单纱强力仪测试，拉伸速度500mm/min，夹持距离500mm，测试20次，取平均值。

抗老化性能：根据国家标准GB/T16991—2008《纺织品 色牢度试验 高温耐人造光色牢度及抗老化性能 氙弧》进行测试。

耐日晒性能：根据纺织行业标准FZ/T98012—2014《日晒气候色牢度试验仪》测试。

染色性能：瓶片涤纶与切片涤纶试样各取5g、分散红玉0.1g、扩散剂0.25g、磷酸二氢铵0.5g、水250mL，用醋酸调节pH值为4～5，染浴以2 ℃/min速度升温到90 ℃，再以1 ℃/min升温至125 ℃，保温30min；然后经过冷水洗、皂洗、水洗、烘干；用分光光度仪在最大吸收波长下测定残液吸光度(A)，计算染料上染率(E)。

(2)

式中：B为标准染液吸光度；N为标准染液和染色残液的稀释倍数之比。

2 结果与讨论

2.1 表面形貌

从图1a可以看出，切片涤纶FDY表面平整光滑，纤维在纺丝中未受损伤，纤维成形良好。从图1b可以看出，瓶片涤纶FDY表面大多数比较平滑，少量纤维表面含有部分颗粒凸起，这表明瓶片级PET的可纺性较切片级PET差。

图1 瓶片涤纶和切片涤纶FDY的SEM照片Fig.1 SEM images of PET FDY from bottle-grade chip and fiber-grade chip

2.2 红外光谱

由图2可以看出，瓶片涤纶与切片涤纶的主要官能团几乎相同，所以二者的微观分子结构并无明显区别。在1 717cm-1处有酯类CO伸缩振动吸收峰，2 965cm-1处有CH2伸缩振动吸收峰，在1 100～1 300cm-1区间有C—O—C伸缩振动强吸收带，在700～900cm-1区间有丰富的吸收峰，说明大分子结构中存在苯环，721cm-1处强烈的特征吸收峰是由对位双取代苯环上—CH2面内摇摆所形成的。

图2 瓶片涤纶与切片涤纶FDY的红外光谱Fig.2 IR spectra of PET FDY from bottle-grade chip and fiber-grade chip 1—瓶片涤纶；2—切片涤纶

2.3 XRD光谱

由图3可看出，瓶片涤纶与切片涤纶的XRD光谱基本相似，均在2θ为17.2°,22.7°,25.2°左右出现3个强衍射峰，对应涤纶的(010)，(110)，(100)晶面的衍射峰。经计算，瓶片涤纶与切片涤纶的Xc分别为37.86%和37.24%，Xc比较接近，证明二者纤维内部大分子的规整程度相似。

图3 瓶片涤纶与切片涤纶FDY的XRD光谱Fig.3 XRD patterns of PET FDY from bottle-grade chip and fiber-grade chip 1—瓶片涤纶；2—切片涤纶

2.4 热性能

从图4可以看出，瓶片涤纶与切片涤纶FDY的热转变温度差异很小，表明瓶片级PET经过熔融再生后其物性与切片级PET基本一致。瓶片涤纶的熔点为240 ℃,切片涤纶的熔点为260 ℃,这是因为：一方面瓶片PET原料可纺性存在少许差异(与SEM分析结果一致)；另一方面瓶片PET在熔融过程中发生降解，使分子链规整性相应变差所致[12]。

图4 瓶片涤纶与切片涤纶FDY的DSC曲线Fig.4 DSC curves of PET FDY from bottle-grade chip and fiber-grade chip 1—瓶片涤纶；2—切片涤纶

由切片涤纶与瓶片涤纶的TG曲线(图5)可以看出，瓶片涤纶与切片涤纶均在起始分解温度400 ℃开始有质量损失，500 ℃基本分解完毕，430 ℃左右达到最大分解速率，分解后质量残余率为17%，证明二者热性能基本相同。

图5 瓶片涤纶与切片涤纶FDY的TG曲线Fig.5 TG curves of PET FDY from bottle-grade chip and fiber-grade chip 1—瓶片涤纶；2—切片涤纶

2.5 力学性能

由表1可知，瓶片涤纶的断裂强度为3.638 cN/dtex，比切片涤纶(3.792 cN/dtex)略低，断裂伸长率略高，断裂强度与断裂伸长率的变异系数(CV)都要高于切片涤纶，这是由于瓶片PET在熔融过程中会发生降解且原料质量不均匀，因而导致部分纤维成形不良，强度不均匀。

表1 试样的拉伸断裂性能Tab.1 Tensile mechanical properties of samples

2.6 抗老化性能

由表2可以看出，瓶片涤纶FDY与切片涤纶FDY的断裂强度均随着温度的提高而下降，温度升高到120 ℃左右时，瓶片涤纶FDY的断裂强度下降不大，而切片涤纶FDY的断裂强度下降较大，由此可以说明在120 ℃之前，瓶片涤纶FDY的耐老化性能要优于切片涤纶FDY，而120 ℃之后，切片涤纶FDY的耐老化性能要好于瓶片涤纶FDY。

表2 试样的抗老化性能Tab.2 Anti-aging properties of samples

2.7 耐日晒性能

由表3可看出，日晒10 h后，瓶片涤纶与切片涤纶FDY的断裂强度都有所下降，但瓶片涤纶FDY下降明显，其耐日晒能力相比切片涤纶FDY差。这是由于瓶片涤纶FDY在熔融过程中易发生降解所致。

表3 试样的耐日晒性能Tab.3 Light fastness properties of samples

2.8 染色性能

由表4可知，瓶片涤纶FDY与切片涤纶FDY都对染料有良好的吸附率，但是瓶片涤纶对染料的E(88%)略低于切片涤纶的E(90%)，这是由于瓶片涤纶的Xc比切片涤纶略高，分子链比较规整，染料难以进入结晶区所致。

3 结论

a. 瓶片涤纶FDY与切片涤纶FDY相比，纤维的表面和内部存在些许差异，导致纤维的Xc、耐热性与切片涤纶有所不同，且因此对瓶片涤纶的染色性能产生一定的影响。

b. 瓶片涤纶FDY与切片涤纶FDY的断裂强度在常温下相差不大，但是经热处理和日晒后，瓶片涤纶FDY的断裂强度下降程度略大于切片涤纶FDY。

[1] 徐祥华，曹庆波.再生PET纤维生产技术的探讨[J].聚酯工业,2013,26(4):32-34.

Xu Xianghua, Cao Qingbo.Discussion on the production technology of recycled PET fiber [J].Polyest Ind, 2013,26(4):32-34.

[2] 胡长虹，蔡晓翔，于轶. 用回收PET瓶片生产预取向丝的探讨[J].聚酯工业,2012，25(2):19-21.

Hu Changhong, Cai Xiaoxiang, Yu Yi. Discussion on the production of pre oriented yarn with recycled PET bottles [J].Polyest Ind, 2012,25(2):19-21.

[3] 潘婉莲，胡盼盼，刘兆峰.用瓶片涤纶回收料试纺涤纶长丝[J].合成纤维工业，2002，25(3)：58-59.

Pan Wanlian, Hu Panpan, Liu Zhaofeng.PET filament production with PET bottle scraps as raw material[J].Chin Syn Fiber Ind,2002,25(3):58-59.

[4] 林金平.碳酸饮料瓶用PET结构与性能的研究[D].厦门:厦门大学，2008.

Lin Jinping.Study on structure and properties of PET for carbonated beverage bottles[D].Xiamen: Xiamen University,2008.

[5] 何曼君，陈维孝，董西侠.高分子物理[M].上海:复旦大学出版社，1990:261-293.

He Manjun, Chen Weixiao, Dong Xixia. Polymer physics[M].Shanghai: Fudan University Press,1990:261-293.

[6] 程醉.再生涤纶行业：只要方向对，路就不会远[J].中国纤检，2015(19):48-51.

Cheng Zui. Regenerated polyester industry: as long as the right direction,the road will not be far [J].Chin Fiber Insp,2015(19):48-51.

[7] Li Hongliang, Zhang Shangduo, Li Ping, et al. The research and development of 32 ends spinning PET FDY[J]. Polyest Ind, 2012,25(3):28-31.

[8] Yang Bin. Analysis on the spinning process parameters effected on the structure and performance of PET FDY[J]. Shandong Text Sci Tech, 2013,54(5):5-9.

[9] 江崃，沈一峰，黄晴.新型改性涤纶的染色性能研究[J].染料与染色,2012,49(2):11-14.

Jiang Lai, Shen Yifeng, Huang Qing. Study on dyeing properties of a new modified polyester [J].Dyest Color,2012,49(2):11-14.

[10] 郁秀峰.FDY染色性能测试影响因素探讨[J].合成技术及应用,2002,17(1):42-44.

Yu Xiufeng.Study on effects of FDY dyeing behaviour test[J].Syn Tech Appl,2002,17(1):42-44.

[11] 任烨华,楼利琴,占海华.异形异捻涤纶DTY的结构与性能研究[J].合成纤维工业,2014,37(2):48-50.

Ren Yehua,Lou Liqin,Zhan Haihua.Structure and properties of special-shaped differentially-twisted polyester DTY[J].Chin Syn Fiber Ind,2014,37(2):48-50.

[12] 陈重酉,郭宪英,李志国，等.工业用涤纶纤维的熔融行为与某些结构参数关系的研究[J].高分子学报,1999(2):134-140.

Chen Zhongyou,Guo Xianying,Li Zhiguo,et al.Studies on the some structure parameters dependence of melting behavior of industrial ploy(ethylene tereohthalate) fibers[J]. Acta Polym Sin,1999(2):134-140.

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。

郭亚(1992—)，女，硕士在读，研究方向为纺织材料与纺织品设计。E-mail：2429401407@qq.com。

* 通讯联系人。E-mail：gxiaoqing@163.com。

TQ342.21

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1001- 0041(2017)02- 0070- 04