笔用聚酯纤维及其笔头的制备和性能研究

发布时间：2020-06-18 19:57

【摘要】：聚酯纤维因具有断裂强度高、弹性好、热稳定性优异、耐溶剂性及耐水洗性好等优异的性能而被广泛应用于各个领域,生活中常见的记号笔头所用的纤维大多是聚酯纤维。美国、日本等制笔强国已具有一套完整的记号笔匹配、设计、制造及评价标准体系,而我国无论是在生产工艺还是理论研究方面,同美日欧等制笔强国都有较大差距。因聚酯分子链中无亲水基团,导致用聚酯纤维制备的纤维笔头与环保型的水性墨水的亲和性较差。目前,国产聚酯纤维笔头普遍存在饮水时间长、吸水率低、书写稳定性较差、墨水残留量大等问题,而纤维笔头是决定记号笔性能最为关键的一个部件,因此对于高品质聚酯纤维笔头的开发及记号笔工作机理的研究对提升国产记号笔的品质具有重要意义。本课题设计了不同卷曲收缩率、纤度的聚酯拉伸变形丝(DTY),研究了加工工艺对纤维卷曲收缩率的影响;分析了纤维热性能对笔头棒料加工温度的影响;同时,采用表面活性剂对纤维笔头进行亲水改性,运用模型分析了笔头的饮水过程,构建了墨水在记号笔中的流动模型;分析了纤维结构、性能与笔头性能之间的关系。为高品质记号笔头的开发提供研究基础。(1)笔头用聚酯DTY的制备及性能研究:以聚酯纤维为研究对象,设计了不同卷曲收缩率及纤度的聚酯纤维。研究了加弹过程中加工温度对纤维卷曲收缩率的影响,分析了纤维的物理机械性能,探讨了纤维热性能对笔头定型温度的影响;同时使用胶黏剂和表面活性剂对聚酯纤维进行表面改性,研究了聚酯纤维在改性前后与水的接触角变化。研究表明:加弹时变形温度的增大及定型温度的降低会使纤维的卷曲收缩率增大;胶黏剂的使用会增大纤维与水的接触角,而表面活性剂的使用可以降低纤维与水的接触角,经表面活性剂AEO-5处理后的浸胶纤维的接触角从85.6°下降到了63.8°。(2)聚酯纤维笔头的制备及性能研究:以聚酯DTY为原料,设计并制备了尺寸规格为φ4.1×30.5 mm的聚酯纤维笔头。借助单毛细管垂直芯吸模型描述了笔头的饮水过程;研究了表面活性剂对聚酯纤维笔头饮水时间的影响,分析了不同种类表面活性剂在笔头内的耐水洗性能;探讨了不同种类笔头内部的最可几孔径及孔径分布情况;研究了纤维卷曲收缩率、纤维纤度、纤维并股数、胶黏剂含量对笔头饮水时间、吸水率、表面硬度及笔头横截面形貌的影响。研究表明:经单毛细管垂直芯吸模型分析发现,笔头的饮水时间随着笔头内毛细孔径的增大先减小后增大,在理论临界当量半径R~*处,笔头的饮水时间达到最小,实验制备的笔头的理论R~*在84μm左右;随纤维卷曲收缩率及纤维纤度的增加,笔头内部整体孔径变大,笔头的饮水时间缩短,实验制备的笔头样品饮水时间最短的低至3.02 s,笔头吸水率随纤维卷曲收缩率的增大而增大,纤维卷曲收缩率为41%时,笔头吸水率高达69%;随纤维并股数的减小,笔头内孔径增大,当笔头内毛细孔当量半径超过实际临界当量半径R~#后,饮水时间随并股数的减小而增大,同时笔头吸水率增大;笔头内胶黏剂含量的增多,使笔头吸水率下降、饮水时间增大、硬度增大、耐磨性能增强。(3)纤维笔头匹配卷包芯后的书写性能研究:在毛细管垂直芯吸模型的基础上,构建了墨水在记号笔中的流动模型;分析了实验所用卷包芯内部的最可几孔径及孔径分布情况;系统研究了笔头纤维卷曲收缩率、纤维纤度、纤维并股数、胶黏剂含量以及卷包芯纤维密度对记号笔出墨量、书写线迹、墨水残留量以及笔头耐磨性能的影响。研究表明:随着所用卷包芯密度的增大,记号笔的出墨量减小,墨水残留量增大。记号笔的出墨量同时受墨水在笔头内的流速、笔头毛细孔数及孔径等多个因素的影响。笔头内毛细孔径越小,笔头与卷包芯形成的毛吸压强差越大,墨水的残留量就越少。随着纤维纤度及卷曲收缩率的减小、纤维并股数的增大,记号笔的墨水残留量减少。
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TS951.1
【图文】：

记号笔,剖析图,内部结构

图 1-1 记号笔内部结构剖析图在用于制备记号笔纤维笔头的纤维中消耗量最大的是聚酯纤维，聚酯纤维耐溶剂性能好，可适用于匹配各类墨水。聚酯纤维又称涤纶，是由二元酸和二元醇或二元醇和 ω-羟基酸等通过缩合聚合反应成高聚物后，经纺丝工艺形成。自 20世纪五十年代起，由于其在作为纺织用品上耐磨、易吸易干、热稳定性好等优势，发展极其迅速。1960 年全球涤纶的产量超过了丙纶，到 1972 年其产量超过了腈纶，成为世界上产量最大的化学纤维。我国涤纶工业丝的产量自 2007 年来增长迅猛，从 2007 到 2010 年，国内涤纶年产量从 1917.7 万吨增加到 2513.3 万吨，产品生产技术日益成熟，成品质量日益提高。迫于生产成本的压力，国外涤纶化纤产品市场份额在逐步减小。截止到 2017 年底，我国聚酯纤维产量大约在 4000万吨/年，占据了全球涤纶工业丝产量的 80%以上。且我国是涤纶出口第一大国，近年出口量在 300 万吨/年左右[6~8]。随着人们生活水平的提高，消费结构的复杂化，人们对纺织产品的要求也越来越高，这要求企业制造的产品具有多样性、功能性。国内一些在化纤产品上较有实力的公司，如浙江古纤道公司近年来根据市场的需求，一直致力于开发各种

分子结构图,聚酯,聚酯纤维,亲水基团

聚酯分子结构图

【参考文献】