堿、雙氧水及熱處理對(duì)氨綸絲力學(xué)性能的影響

周方穎, 張一心(1.西安交通大學(xué) 材料學(xué)院, 西安 710049; 2.江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院 化學(xué)紡織工程系, 江蘇 江陰 214405;.西安工程大學(xué) 紡織與材料學(xué)院, 西安 710048)

研究與技術(shù)

堿、雙氧水及熱處理對(duì)氨綸絲力學(xué)性能的影響

周方穎1,2, 張一心3(1.西安交通大學(xué) 材料學(xué)院, 西安 710049; 2.江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院 化學(xué)紡織工程系, 江蘇 江陰 214405;3.西安工程大學(xué) 紡織與材料學(xué)院, 西安 710048)

采用堿處理、雙氧水處理、熱處理三種方式對(duì)氨綸絲進(jìn)行處理，并對(duì)處理前后的氨綸絲分別進(jìn)行拉伸斷裂性能、重復(fù)拉伸性能、應(yīng)力松弛性能測(cè)試。結(jié)果表明，試驗(yàn)條件下的堿處理、雙氧水處理和熱處理不會(huì)破壞氨綸絲內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但是經(jīng)過(guò)濕熱處理會(huì)使氨綸絲的應(yīng)力松弛指標(biāo)發(fā)生變化，宏觀表現(xiàn)為柔軟性和保形性的改變。因此，在對(duì)氨綸絲及其制品進(jìn)行相應(yīng)的染整加工時(shí)，應(yīng)注重力學(xué)性能變化帶來(lái)的產(chǎn)品服用性能的變化。

氨綸絲; 力學(xué)性能; 堿處理; 雙氧水處理; 熱處理

良好的彈性性能是氨綸的顯著特征，因此氨綸成為生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)彈性織物的重要紡織原料之一。但據(jù)有關(guān)資料報(bào)道，氨綸絲優(yōu)異的拉伸及回復(fù)性能會(huì)受到溫度、化學(xué)作用和作用方式的影響[1]。對(duì)此，結(jié)合對(duì)氨綸絲使用較為廣泛的包芯紗、包覆紗的染整加工工藝，選擇堿處理、雙氧水處理、熱處理幾種方式對(duì)氨綸絲進(jìn)行處理，并對(duì)處理前后的氨綸絲進(jìn)行拉伸斷裂性能、重復(fù)拉伸性能、應(yīng)力松弛性能的測(cè)試，以分析不同的處理方式對(duì)氨綸絲彈性力學(xué)性能的影響。

1 試 驗(yàn)

1.1 材 料

試樣：采用33.3 dtex的氨綸絲(江蘇雙良氨綸有限公司)，在實(shí)驗(yàn)室條件下平衡24 h。從每個(gè)卷裝上以至少2 m的間隔等量剪取，試樣長(zhǎng)約1.25 m，制成試驗(yàn)樣本。

藥品：NaOH(分析純，市售)，H2O2(分析純，H2O2含量30.0%，市售)。

儀器：HD009N電子單絲強(qiáng)力儀及配套電腦(南通宏大實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)，KASEN汽蒸定形機(jī)(廣東順德瑞邦機(jī)電設(shè)備廠)。

1.2 方 案

氨綸及其制品在染整加工過(guò)程中，一般會(huì)遇到煮練及定形加工，對(duì)氨綸絲進(jìn)行堿處理、雙氧水處理及熱處理，具體工藝如表1所示[3-4]。

表1 堿處理、雙氧水處理及熱處理工藝Tab.1 Processing technical of alkali treatment, hydrogen peroxide treatment and heat treatment

1.3 力學(xué)性能測(cè)試

在HD009N電子單絲強(qiáng)力儀上進(jìn)行的3項(xiàng)試驗(yàn)中，上下夾持器隔距為50 mm，拉伸速度為500 mm/min，預(yù)加張力按照(0.01±0.001) cN/tex設(shè)置為0.03 cN。對(duì)于重復(fù)拉伸試驗(yàn)，定伸長(zhǎng)率為300%，重復(fù)拉伸次數(shù)6次，拉伸停頓時(shí)間設(shè)置20 s，松弛停頓時(shí)間設(shè)置20 s；對(duì)于應(yīng)力松弛試驗(yàn)，定伸長(zhǎng)率300%，松弛時(shí)間3 h[5]。

1.4 指標(biāo)定義

1.4.1 重復(fù)拉伸性能指標(biāo)

圖1為纖維重復(fù)拉伸彈性曲線，其中E1為第一次拉伸達(dá)到的預(yù)加張力點(diǎn)，E2為第一次拉伸達(dá)到的定伸長(zhǎng)點(diǎn)，E3為最后一次拉伸達(dá)到定伸長(zhǎng)并松弛一段時(shí)間后的終點(diǎn)，E4為最后一次拉伸結(jié)束回到的負(fù)荷零點(diǎn)，E5為循環(huán)結(jié)束后達(dá)到的預(yù)加張力點(diǎn)，L0為氨綸絲的拉伸起點(diǎn)?？色@得指標(biāo)：

圖1 纖維重復(fù)拉伸彈性曲線Fig.1 Repeated stretch elastic curve of fibre

(1)

(2)

1.4.2 應(yīng)力松弛性能指標(biāo)

圖2為纖維應(yīng)力松弛曲線，其中E1為拉伸達(dá)到的預(yù)加張力點(diǎn)，E2為應(yīng)力松弛的起點(diǎn)，E3為終點(diǎn)，t0為應(yīng)力松弛起點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，t1為應(yīng)力松弛終點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻?？色@得指標(biāo)：

定伸長(zhǎng)負(fù)荷/N=E2

(3)

應(yīng)力松弛/N=E2-E3

(4)

(5)

圖2 纖維應(yīng)力松弛曲線Fig.2 Stress relaxation curve for fibre

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)33.3 dtex氨綸絲試樣分別按照表1的工藝進(jìn)行堿處理、雙氧水處理和熱處理，每種處理方式測(cè)試9個(gè)試樣，共27個(gè)試樣，并對(duì)處理前后的試樣在HD009N電子單絲強(qiáng)力儀上分別完成拉伸斷裂強(qiáng)力、重復(fù)拉伸、應(yīng)力松弛測(cè)試。

處理前試樣的斷裂強(qiáng)力為49.20 cN，斷裂伸長(zhǎng)率為564.16%，彈性回復(fù)率93.29%，塑性變形率為20.20%，應(yīng)力松弛的定伸長(zhǎng)負(fù)荷為12.33 cN，應(yīng)力松弛率為63.83%。處理后試樣的斷裂強(qiáng)力及拉伸率、重復(fù)拉伸指標(biāo)、應(yīng)力松弛指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果分別見(jiàn)表2、表3和表4。

表2 處理后氨綸絲斷裂強(qiáng)力及伸長(zhǎng)率Tab.2 Breaking strength and rate of elongation of treated polyurethane filament

表3 處理后氨綸絲重復(fù)拉伸測(cè)試指標(biāo)Tab.3 Test values of cycle extension of treated polyurethane filament

表4 處理后氨綸絲應(yīng)力松弛測(cè)試指標(biāo)Tab.4 Test values of stress relaxation of treated polyurethane filament

從表2的結(jié)果看出，氨綸絲經(jīng)過(guò)堿、雙氧水及熱處理后，斷裂強(qiáng)力幾乎沒(méi)有變化，但是斷裂伸長(zhǎng)率卻出現(xiàn)差異——熱處理后該指標(biāo)下降，而經(jīng)堿及雙氧水處理后有了明顯的提高。

從表3可以看出，經(jīng)過(guò)3種方式處理后，重復(fù)拉伸指標(biāo)基本沒(méi)有發(fā)生變化。

從表4的應(yīng)力松弛情況看，經(jīng)過(guò)堿、雙氧水及熱定形的處理后，氨綸絲的定伸長(zhǎng)負(fù)荷，即氨綸絲在最初的拉伸應(yīng)力明顯降低；同時(shí)，應(yīng)力松弛率也較處理前有了一定程度的降低。

2.2 分析討論

氨綸絲的斷裂強(qiáng)力和重復(fù)拉伸性能的兩項(xiàng)指標(biāo)變化最小，表明經(jīng)過(guò)表1所示的堿處理、雙氧水處理及熱處理，沒(méi)有破壞氨綸絲的大分子結(jié)構(gòu)，其軟硬鏈段的比例、結(jié)合方式與未處理前相比沒(méi)有變化。因此，氨綸絲的斷裂強(qiáng)力、重復(fù)拉伸性能幾乎沒(méi)有受到什么影響，氨綸絲依然保持良好的拉伸回復(fù)性能。

2.2.1 堿處理及雙氧水處理作用分析

氨綸絲經(jīng)過(guò)3種工藝處理后，其大分子結(jié)構(gòu)并沒(méi)有發(fā)生改變，說(shuō)明堿處理及雙氧水處理中的堿及弱酸未對(duì)分子結(jié)構(gòu)造成破壞。因此，3種處理方式可以統(tǒng)一理解為在濕熱條件下對(duì)氨綸絲的處理。

由于3種處理工藝的差異，導(dǎo)致表2、表4中氨綸絲斷裂伸長(zhǎng)率及應(yīng)力松弛指標(biāo)變化，其中，經(jīng)過(guò)堿處理和雙氧水處理的氨綸絲，氨綸絲的斷裂伸長(zhǎng)率有所增加，而熱處理后的斷裂伸長(zhǎng)率總體有所降低；經(jīng)過(guò)3種方式的處理，氨綸絲的應(yīng)力值、應(yīng)力松弛率均有所降低。在堿處理及雙氧水處理中，由于處理時(shí)間長(zhǎng)達(dá)幾十分鐘，因此氨綸絲大分子在分子熱運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，應(yīng)力松弛作用進(jìn)行較為充分，使大分子尋找到應(yīng)力較低點(diǎn)，并建立新的平衡。在這個(gè)過(guò)程中，大分子沒(méi)有被破壞，但結(jié)構(gòu)得到調(diào)整，內(nèi)部折疊鏈增加，引起纖維收縮[6]，如圖3所示。在圖3(a)中，大分子基本呈伸直狀態(tài)，中間也有一些折疊鏈；經(jīng)過(guò)充分的濕熱處理，圖3(b)中大分子中的折疊鏈數(shù)量明顯增加。

圖3 氨綸結(jié)構(gòu)變化模型Fig.3 Model of structure change of polyurethane filament

經(jīng)過(guò)堿處理和雙氧水處理的氨綸絲，大分子內(nèi)部新增了一些折疊鏈。在拉伸斷裂過(guò)程中，氨綸絲內(nèi)部應(yīng)力作用強(qiáng)度快速增加，這種作用方式可以將大分子折疊鏈拉伸并至斷裂，因此，氨綸絲的斷裂伸長(zhǎng)率明顯增加。其中，試驗(yàn)中采用的堿處理方式獲得的效果更為明顯一些。

表4的結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)堿、雙氧水處理后，氨綸絲的定伸長(zhǎng)負(fù)荷降低，表明氨綸絲在被拉伸到同樣的300%定伸長(zhǎng)時(shí)，處理后的氨綸絲變得容易被拉伸，剛性較處理前有明顯降低，氨綸絲表現(xiàn)出比較柔軟的性能。同時(shí)，應(yīng)力松弛率也較處理前有了一定程度的降低，表明此時(shí)氨綸絲內(nèi)部大分子處在一種應(yīng)力較低的狀態(tài)，可以釋放應(yīng)力的大分子數(shù)量減少，應(yīng)力釋放的能力下降。因此，大分子活動(dòng)較少，使氨綸絲保形性較處理之前有了明顯的提高。

上述分析表明，試驗(yàn)條件下的堿處理及雙氧水處理沒(méi)有對(duì)氨綸絲造成分子結(jié)構(gòu)的破壞，但在濕熱條件下的處理可以使氨綸絲大分子由于熱運(yùn)動(dòng)，使應(yīng)力松弛并產(chǎn)生鏈的折疊，從而使氨綸絲的彈性力學(xué)性能發(fā)生一定變化，氨綸絲及其制品的柔軟性更好，同時(shí)又具有良好的保形性。

2.2.2 熱處理作用分析

試驗(yàn)中，熱處理是將氨綸絲放置在汽蒸定形機(jī)中，分別進(jìn)行溫度為160、180、200 ℃，時(shí)間為30、60、90 s的處理過(guò)程。表4熱處理中160 ℃和180 ℃的數(shù)據(jù)表明，雖然作用時(shí)間只有幾十秒，但在這個(gè)過(guò)程中，大分子通過(guò)熱運(yùn)動(dòng)的方式，大分子鏈沿纖維軸向進(jìn)行伸展，應(yīng)力得到較好的松弛；而從表2的結(jié)果看，斷裂伸長(zhǎng)率指標(biāo)甚至低于未處理絲，表明此時(shí)大分子的軸向伸展作用占據(jù)主導(dǎo)地位，折疊鏈增加的數(shù)量非常少，大分子鏈被拉伸了。在200 ℃的溫度條件下處理氨綸絲，大分子鏈熱運(yùn)動(dòng)的效果明顯，大分子似乎越過(guò)了能量勢(shì)壘，沿分子軸向有較大程度的伸展，特別是在時(shí)間較短的情況下，大分子鏈快速伸展，但由于氨綸大分子中軟硬鏈段的結(jié)構(gòu)，快速的伸展又會(huì)被彈簧結(jié)構(gòu)的軟鏈段拉回，這樣，其中的應(yīng)力剛剛得到松弛釋放，很快又被緊張?zhí)嵘Ｕ沁@種拉回作用，使氨綸絲大分子結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生一定數(shù)量的折疊鏈，因此該溫度下氨綸絲的斷裂伸長(zhǎng)率有了一定的提高。

由此可見(jiàn)，對(duì)于氨綸絲，熱處理中的溫度存在一個(gè)“閾值”——超過(guò)該值，氨綸絲大分子鏈表現(xiàn)為：快速熱運(yùn)動(dòng)沿纖維軸向伸展→受軟鏈段拉力快速返回，這樣在較短時(shí)間內(nèi)，反而使纖維內(nèi)部的應(yīng)力松弛效果較差。因此，高溫、快速熱處理的方式反而不利于氨綸絲內(nèi)部應(yīng)力的松弛。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，這個(gè)溫度閾值范圍應(yīng)在180 ℃左右。在進(jìn)行氨綸絲制品的熱定形時(shí)，應(yīng)注意控制溫度。

相比其他兩種處理方式，熱處理的溫度最高，但處理的時(shí)間卻非常短，只有幾十秒；同時(shí)氨綸絲所處環(huán)境不同，熱處理是在高溫干燥環(huán)境中進(jìn)行的，而其他兩種處理方式則是在高溫水浴或汽蒸的條件下進(jìn)行的。從測(cè)試結(jié)果看，熱處理由于沒(méi)有在水浴環(huán)境中，處理時(shí)間比較短，其定伸長(zhǎng)率、應(yīng)力松弛指標(biāo)都不及其他兩種方式。這是由于水分的介入，破壞大分子的原有結(jié)構(gòu)，反而使大分子的運(yùn)動(dòng)阻力減弱，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，應(yīng)力松弛作用充分。因此，高溫、短時(shí)間的熱處理對(duì)氨綸絲的應(yīng)力松弛效果不及較高溫度下、較長(zhǎng)時(shí)間的水浴處理效果。

3 結(jié) 論

1)拉伸斷裂強(qiáng)力、重復(fù)拉伸性能的指標(biāo)幾乎沒(méi)有變化，表明試驗(yàn)中采用的處理方式?jīng)]有對(duì)氨綸絲內(nèi)部分子鏈結(jié)構(gòu)造成破壞?？梢?jiàn)，一般的染整加工不會(huì)造成氨綸絲內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞。

2)堿處理、雙氧水處理及熱處理后氨綸絲性能上的差異，主要是處理方式和處理時(shí)間的差異造成氨綸絲的柔軟性、保形性產(chǎn)生差異。

3)熱處理后氨綸絲的應(yīng)力松弛效果不及水浴環(huán)境下應(yīng)力松弛效果；同時(shí)，高溫、快速熱定形的方式不利于氨綸絲及其產(chǎn)品的應(yīng)力松弛，熱定形溫度閾值應(yīng)控制在180 ℃左右。

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Influences of Alkali, Hydrogen Peroxide and Heat Treatment on Mechanical Properties of Polyurethane Filament

ZHOU Fangying1,2, ZHANG Yixin3

(1.School of Materials Science & Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 2.Chemistry & Textile Engineering Department, Jiangyin Polytechnic College, Jiangyin 214405, China; 3.College of Textiles and Materials, Xi’an Polytechnic University, Xi’an 710048, China)

Alkali treatment, hydrogen peroxide treatment and heat treatment were used to treat polyurethane filament. Besides, tensile breaking property, repeated tensile property and stress relaxation property of the treated polyurethane filament were rested. The results show that under the experimental conditions, alkali treatment, hydrogen peroxide treatment and heat treatment will nit destroy internal structure of polyurethane filament, but stress relaxation index of polyurethane filament after heat-moisture treatment will alter. In other words, flexibility and dimension stability change. Thus, in the process of dyeing and finishing polyurethane filament and the products, the change in product wearability caused by mechanical property change should be focused on.

polyurethane filament; mechanical properties; alkali treatment; hydrogen peroxide treatment; heat treatment

10.3969/j.issn.1001-7003.2014.06.003

2014-03-03

周方穎(1970-)，女，副教授，主要從事紡織生產(chǎn)與質(zhì)量控制的教學(xué)與研究。

TS151.9

A

1001-7003(2014)06-0011-05