www.fibreinfo.com 中国丙纶网 常州网优信息技术有限公司 常州新北区通江大道 398-1 号 2231 室 Tel :(86-519)85126892 Fax:(86-519) 85157580e-mail:servicefibreinfo.com http:/www.fibreinfo.com http:/www.canseo.cn 纳米碳酸钙增强聚丙烯纤维的研究 北京服装学院 郑楠 高绪珊 童俨 聚丙烯（pp）纤维是一种综合性良好且应用广泛的纤维。对 PP 纤维进行改性，可以更加拓展其应用领域。纳米粒子具有体积效应、表面效应、量子尺寸效应等独特性质，已广泛应用于材料、电子、光学、生物、染料、医学和催化等高技术领域。纳米碳酸钙（CaCo3）作为纳米粒子的一种，同其它类似功能型产品相比具有原料易得、价廉、白度高、着色力强、对生物体无害、表面处理剂选择范围广等特点。作者通过共混纺丝法将纳米碳酸钙表面处理后加入到 PP 纤维中，并对改性纤维的结构与性能进行了分析。 1 实验 1 实验 1.1 原料原料 PP 切片：熔体流动指数（10min） ，35g，中国科学研究院产；纳米 CaCO3：北京化工大学教育部超重力工程研究中心产；分散剂：自行配制；溶剂：无水乙醇 北京化工厂产。 1.2 仪器设备仪器设备 模拟纺丝机：将 XRZ400 型熔体流动速率仪（吉林大学科学仪器厂）改装后自制的模拟纺丝机，用电动搅拌器自制的卷绕辊；拉伸仪器：将丝杠拉伸机放在电加热器中制得模拟拉伸机。 1.3 实验方法实验方法 1.3.1 纳米碳酸钙的表面处理纳米碳酸钙的表面处理 将分散剂放入无水乙醇中，加热搅拌，使分散剂完全溶解。再将纳米碳酸钙加入分散剂的乙醇溶液中，充分搅拌。将所得物烘干后放在研钵中研成细粉末，即得到处理好的纳米碳酸粉末。 1.3.2 螺杆挤出造粒螺杆挤出造粒 将 PP 切片和处理好的纳米碳酸钙粉末按照一定比例预先混合均匀， 然后通过单螺杆挤出www.fibreinfo.com 中国丙纶网 常州网优信息技术有限公司 常州新北区通江大道 398-1 号 2231 室 Tel :(86-519)85126892 Fax:(86-519) 85157580e-mail:servicefibreinfo.com http:/www.fibreinfo.com http:/www.canseo.cn 机熔融，挤成细条，剪成约 2mm 长的小粒子。 1.3.3 纺丝及后处理纺丝及后处理 使用全造粒纺丝法，将一定配比的分散剂、纳米 CaCO3和 PP 切片通过单螺杆挤出机造粒后得到的混合粒子，再经模拟纺丝机进行纺丝。 纺丝温度为 210， 拉伸温度为 7075， 拉伸倍数为 5.77.9， 紧张热定型温度为 130，时间为 10s。 1.4 测试测试 纤维力学性能：在 YG7004N 型单纤维强力仪上进行测试，结果取 15 次数据的平均值。 取向度：采用色那蒙补偿法，用 XPL-1 型偏光显微镜进行测定。 结晶度：采用差热分析法，用 PCR-1 型差热分析仪进行测定。 纤维结构及纳米粒子分散性：利用 H-800 型透射电子显微镜观察纳米粒子的分散情况。 2 结果与讨论 2 结果与讨论 2.1 分散剂分散剂 由表 1 可知， 在纺丝条件相同的情况下， 纺制的含纳米 CaCO3的 PP 纤维的强度比 PP 纤维都有明显提高，而且经过表面处理的纳米 CaCO3比未经表面处理的纳米 CaCO3的增强幅度大。这说明用分散剂处理纳米 CaCO3是非常必要的，使纳米 CaCO3减少团聚，分散更加均匀，有利于 PP 纤维的增强。 表 1 改性 PP 纤维的力学性能 Tab.1 Mechanical properties of modified pp fiber 试样 断裂强度/ （cN.dtex-1） 断裂伸长，% PP 纤维 4.43 89.65 改性 PP1) 4.57 80.85 改性 PP2) 5.70 90.74 1） 含未表面处理的 1%纳米 CaCO3。 2） 含表面处理的 1%纳米 CaCO3。 2.2 分散剂与纳米分散剂与纳米 CaCO3 的配比的配比 固定纤维中纳米 CaCO3的质量分数为 1%，改变分散剂与纳米 CaCO3的比例，由表 2 可见，www.fibreinfo.com 中国丙纶网 常州网优信息技术有限公司 常州新北区通江大道 398-1 号 2231 室 Tel :(86-519)85126892 Fax:(86-519) 85157580e-mail:servicefibreinfo.com http:/www.fibreinfo.com http:/www.canseo.cn 用分散剂处理纳米 CaCO3，有利于纳米 CaCO3 在 PP 纤维中的分散和提高 PP 纤维的力学性能，但也不是分散剂越多越好。当分散剂与纳米 CaCO3比例为 1：3 时，纤维断裂强度最大。 表 2 分散剂与 CaCO3配比对纤维力学性能的影响 Tab.2 Effect of mass ratio of dispersant and nano-CaCO3 on mechanical properties of the resulted fiber 分散剂：纳米 CaCO3 （质量比） 断裂强度/ （cN.dtex-1） 断裂伸长，% 1:1.0 4.02 87.31 1:1.5 4.14 106.74 1:1.7 4.42 100.89 1:2.0 5.70 90.74 1:2.5 6.18 85.22 1:3.0 6.44 96.15 1:4.0 4.25 69.70 2.3 纳米纳米 CaCO3 含量含量 从表 3 中看出，在分散剂与纳米 CaCO3的质量比为 1：3，改性 PP 纤维断裂强度都比 PP纤维高，而当纳米 CaCO3质量分数为 0.3%时，纤维的断裂强度是最大的，比 PP 纤维增强了75.85%。初始模量的变化趋势与断裂强度变化趋势相同，纳米 CaCO3质量分数为 0.3%的纤维初始模量最高，比 PP 初始模量增加 75.05%。 在纺丝时发现，当纳米 CaCO3质量分数为 2.0%，3.0%，5.0%时，会经常出现断丝现象，纺出的丝也不均匀；而等于或小于 1.0%时，纺丝情况较好。所以纤维中的纳米 CaCO3质量分数以 0.3%为宜，不仅可纺性好，而且可以达到增强的目的。 表 3 不同纳米 CaCO3含量的 PP 纤维的力学性能 Tab.3 Mechanical properties of pp fibers containing different amounts of nano- CaCO3 PP 纤维中的 CaCO3 质量分数，% 断裂强度/ （cN.dtex-1） 初始模量/ （cN.dtex-1） 0 4.43 51.62 0.3 7.79 90.36 0.5 5.92 67.37 0.8 6.10 64.63 www.fibreinfo.com 中国丙纶网 常州网优信息技术有限公司 常州新北区通江大道 398-1 号 2231 室 Tel :(86-519)85126892 Fax:(86-519) 85157580e-mail:servicefibreinfo.com http:/www.fibreinfo.com http:/www.canseo.cn 1.0 6.44 74.81 2.0 5.51 71.54 3.0 5.46 68.22 5.0 5.16 66.10 2.4 取向度和结晶度取向度和结晶度 由表 4 可知，加入纳米 CaCO3后，改性 PP 纤维的取向度与 PP 纤维相比，变化不大甚至降低，这说明改性 PP 纤维力学性能的改善，不是由取向度的提高得到的。 表 4 PP 及改性 PP 纤维的取向度和结晶度 Tab.4 Orientation degree and crystallinity of pp and modified pp fibers PP 纤维的 CaCO3质量分数，% 双折射率103 结晶度，% 0 32.75 50.00 0.3 30.54 60.43 1.0 30.43 61.07 2.0 31.26 48.18 3.0 31.88 35.03 注：纤维中分散剂与纳米 CaCO3的质量比为 1:3。 由表 4 还可以看出，纳米 CaCO3质量分数小于等于 1.0%时，结晶度随纳米 CaCO3含量的增加而增加，这是因为纳米 CaCO3在 PP 结晶过程中，起到了明显的异相成核作用；当纳米 CaCO3质量分数大于等于 2.0%时，其结晶度降低，这是纳米 CaCO3含量过多会形成团聚粒子而扰乱了大分子规整排列结晶所致。 2.5 透射电子显微镜观察分散性透射电子显微镜观察分散性 对分散剂：纳米 CaCO3(质量比)为 1：3，纳米 CaCO3质量分数为 0.3%的改性 PP 纤维用透射电子显微镜结果如图 2 所示。通过投射电子显微镜，可以观察到纳米 CaCO3粒子在 PP 基质中分散比较均匀，没有出现大的团聚体，而且可以测算出分散于纤维中的纳米粒子的粒径在4080nm。 通过电镜，还可以观察到纳米 CaCO3粒子一般都沿着纤维轴向方向分布，这是由于纺丝，拉伸过程中粒子受到了沿轴向方向的拉伸力，所以会产生沿轴向方向的排列。 www.fibreinfo.com 中国丙纶网 常州网优信息技术有限公司 常州新北区通江大道 398-1 号 2231 室 Tel :(86-519)85126892 Fax:(86-519) 85157580e-mail:servicefibreinfo.com http:/www.fibreinfo.com http:/www.canseo.cn 3 结论 3 结论 a.当分散剂与纳米 CaCO3的质量比为 1：3，加入纳米 CaCO3改性的 PP 纤维断裂强度和初始模量均比 PP 纤维高，纳米 CaCO3质量分数为 0.3%的改性 PP 纤维最大。 b.与 PP 纤维相比，含纳米 CaCO3PP 纤维的取向度变化不大；当纳米 CaCO3质量分数小于等于 1.0%时，结晶度有所提高；而当纳米 CaCO3质量分数大于等于 2.0%时，结晶度则下降。因此 PP/纳米 CaCO3纤维断裂强度、初始模量等的提高并不取决于取向度和结晶度，而与其新形成的结构有关。 C.纳米 CaCO3粒子在纤维基质中分散比较均匀，纳米粒子径为 4080nm。 原载： 合成纤维工业2007 年第 2 期