1.6 PTT和PBT弹性纤维
PET纤维是最重要的合成纤维之一,具有许多优良的性能,也有适当的弹性。从其分子组成看,也可以分为硬组分和软组分两部分,表示如下:
由于软组分链不长,所以这种纤维易结晶,弹性一般。如果用丙二醇和丁二醇代替乙二醇,分子长链中软组分的2个亚甲基变成3个和4个,不仅软组分链长增长,更加柔顺,而且纤维的晶格结构和分子链平面性也相应变化,使分子链的变形回复性不同于PET纤维。例如PET纤维,其软组分中含有3个亚甲基,存在所谓“奇碳效应”。奇数亚甲基链使聚酯单元中的苯环不能与3个亚甲基单元处在同一平面,2个羰基只能以120o错开排列,由此使得P兀’长分子链成螺旋状排列。用X一射线和电子衍射研究m晶体中长分子链的构象,发现其分子结构中—O一CH2一CH2一CH2一O一单元呈能量最低的反式一旁式反式构象,分子链呈“z”字形构象(图6),使得PTT长分子链具有如同线圈弹簧一样的弹性,不仅纤维模量低,而且具有良好的内在回复性。在外力作用下,螺旋状结构中的“旁式”单元发生链旋转,容易转变成“反式”构象,分子链很容易伸长。而在这种键旋转过程中,分子链的构型并未发生变化。构象转变是可逆的,外力除去后又很快恢复原状。
PTT纤维的z字形构象分子链,在晶胞中沿C轴方向含有2个分子链重复单元,而PET和PBT纤维都只有1个,所以晶格尺寸较大,且不够完整,结晶度也较低,无定形区含量高,且易变形。“z”字形构象赋予其高弹性,但由于在晶相中,“z”字形构象的长分子链不可能在受力后很快发生构象变化,而且无定形区的分子链排列基本上是非取向的,所以构象变化并不能直接产生很高的弹性变形。因此,一般认为PTT纤维的良好弹性起源于“奇碳效应”,这有待进一步研究。但是,纤维的良好弹性赋予了纺织品良好的形态稳定特性,因此,这种纤维又被称为形状记忆纤维。
PBT纤维比PET多2个亚甲基,分子链内旋转增多,并在应变过程中产生a==B晶型的可逆转变。即在松弛状态下为晶型,呈螺旋构象,拉伸状态下呈B晶型。通常d型为稳态,型为非稳态,并具有向型转变的趋势,因此也具有弹性机制。但因苯环的位阻,B型向d型转变需较大的能量,故在张力约束下,亚甲基链段调整较难,张力下回复性较小,故其弹性虽比PET纤维好,但比m纤维差,主要是由于后者还存在如前所述“奇碳效应”。这3种聚酯纤维的急弹性回复性能比较见图7。