高性能聚芳酯液晶纤维的成形与热处理

　　液晶聚合物（LCP）是一类性能优异的工程塑料，20世纪70年代后期人们开始对其进行基础研究，到了80年代已有工业化生产。由于热致性液晶聚合物相对于溶致性液晶聚合物，具有加工性好的特性，现在已成为开发新型的高强高模有机纤维和增强塑料的引人注目的研究对象，尤其是以TLCP开发成的纤维其应用领域非常宽广。本文介绍了热致液晶芳香族聚酯的合成方法，并对聚酯液晶纤维的纺丝成形、热处理及工艺条件对纤维性能的影响进行了综述。

　　热致性液晶芳香族聚酯的合成不仅沿用了聚酯的传统合成方法，近年来许多研究者开拓了以下新的合成方法，从而促进了热致性液晶芳香族聚酯的飞速发展。热致性液晶芳香族聚酯的合成包括酰氯法、苯酯法、乙酰基化法、硅烷基化法和直接酯交换法。

　　在一般的高聚物熔体纺丝中，丝条中形成的分子取向对其质量有重要意义，显然对于液晶熔体纺丝尤其有特别实际意义。在高分子熔体纺丝过程中熔体丝条从喷丝孔挤出，经卷绕装置拉伸。喷丝孔管道内高分子熔体分子的取向，在离开喷丝孔口的非常短的距离内开始解取向，以后在轴向拉伸作用下分子又重新获得取向。主链或侧链型液晶高分子的显著特点是在外力场作用下容易形成分子链取向。实验证明，当液晶高分子流体通过喷丝孔、模口或流道，即使在低剪切速率下获得取向，不进行后拉伸也能达到一般高分子经拉伸后所达到的取向度。液晶高分子材料生产高强度高模量纤维的机制有待进一步研究，就一般的熔融纺丝来说，影响原丝强度的因素主要有温度、剪切速率和喷头拉伸比。

　　纺丝温度是影响液晶高分子力学性能的重要因素之一，必须设定在液晶温度范围内。在此范围内温度的改变也会影响成品的力学性能，关键在于应保证液晶共聚酯的高熔点微粒充分熔融而又不使其丧失液晶性。

　　随着成形过程中拉伸比和剪切速率的增加，将使液晶共聚酯熔体的线性膨胀系数减小，流道取向有所提升，从而导致力学性能上升。研究证明剪切速率太高时对力学性能改善不明显，因为此时液晶熔体本身已经具有很高的取向度。

　　在熔纺过程中，速度通常为每分钟数百米到上千米，喷头拉伸比从几到十几。由于纺丝过程中，不需要脱溶剂，纤维强度几乎不受纤度的影响，容易得到粗纤度的纤维。挤出拉伸比的增加将明显提高液晶共聚酯的取向度，从而提高其力学性能。

　　纤维的热处理受到氛围、温度、时间的影响。众所周知，常规集合物的热定形主要是以结晶、取向等超分子结构变化为特征的物理过程，而热增强过程却是一个伴随着物理变化的化学过程，其实质是既有一定取向的热致性液晶聚合物在连续惰性氛围中的固相聚合。不断通入气体有利于及时除去各种副产物并推动反应进行。所用气体必须是惰性的或在真空中进行，以减少各种副反应。在不同的温度下停留不同的时间，发现如果在整个过程热处理中单纯采用惰性介质，则所得纤维强度最大；如果整个过程中单纯采用干热空气，纤维强度最低；如果在该过程中先用惰性介质，后阶段改用干燥空气，则纤维强度介于二者之间。

　　最佳的热处理温度鹰接近但略低于熔点。由于受副产物扩散控制，加热时间常常会持续数小时，在应力下纤维可能会发生断裂或相互熔融，这都不利于提高强度，因此，纤维最好处于松弛状态。取向对于提高强度十分关键，刚性伸直链具有极好的尺寸稳定性，在松弛状态下的热处理时，其取向结构几乎不发生太大的变化。

　　在热处理过程中，时间和温度同样非常关键，它们都存在一个最佳值。温度应尽可能高，但又不能使纤维黏结融化。时间尽可能长，但又不能使纤维发生热降解。实际上，在热处理的过程中，纤维的熔点和分解温度在不断提高，因此可以采用逐步提高温度的方法来缩短热处理时间，达到提高热处理效率的目的。

　　液晶高分子材料生产高强度高模量纤维的机制还有待进一步研究，随着合成工艺及纺丝热处理技术的改进，纤维性能会进一步提高，成本会逐渐降低，预计热致性聚酯液晶纤维将在未来会占有日益重要的地位，很值得开发应用。

　　（王桦 覃俊 四川省纺织科学研究院）