仿棉共聚酯纖維的制備及其性能表征

吉 鵬，劉紅飛，王朝生，陳向玲，王華平

(東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620)

我國聚酯纖維經(jīng)過三十幾年的快速發(fā)展，目前已經(jīng)成為紡織最主要的原料。在聚酯生產(chǎn)規(guī)模迅速擴張的同時，聚酯行業(yè)面臨著嚴(yán)重的產(chǎn)品同質(zhì)化現(xiàn)象，常規(guī)產(chǎn)品利潤空間被壓縮，亟待開發(fā)滿足消費者需求的產(chǎn)品［1］。對于服用聚酯纖維，其改性研究從過去單一功能改性逐漸向綜合服用舒適性方向發(fā)展，仿棉系列產(chǎn)品是聚酯綜合服用舒適性的發(fā)展方向。仿棉聚酯主體的聚酯含量＞85%，經(jīng)過聚合、紡絲、織造、染整技術(shù)手段的組合，開發(fā)的產(chǎn)品既具有棉的外觀、光澤、手感、親水性能，又具有聚酯耐磨、高強、保型等優(yōu)點［2］。仿棉聚酯纖維的目標(biāo)是綜合棉纖維與聚酯纖維的優(yōu)良性能，賦予仿棉聚酯纖維具有良好的服用舒適性［3］。

本文通過對聚酯化學(xué)共聚改性及纖維的形態(tài)調(diào)控，實現(xiàn)對仿棉聚酯纖維的制備。在聚酯化學(xué)組分設(shè)計方面，結(jié)合已有的聚乙二醇［4］、季戊四醇改性單體對共聚酯的合成過程及品質(zhì)產(chǎn)生的影響，初步建立了纖維性能與多組分共聚酯結(jié)構(gòu)的關(guān)系相關(guān)工作［5］。選用聚醚為柔性鏈段，季戊四醇為支化單體，降低聚酯的線性排列規(guī)整度，細化晶粒［6］，二氧化鈦為光澤調(diào)節(jié)劑通過共聚合的方式制備共聚酯。多組分改性單體的引入實現(xiàn)了對氣態(tài)水分的吸附調(diào)控。共聚酯經(jīng)熔融紡絲，對纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，對仿棉共聚酯試紡制備得到具有細旦十字結(jié)構(gòu)的短纖維，從而實現(xiàn)對液態(tài)水分的調(diào)控。在對共聚酯短纖維進行親水性能測試基礎(chǔ)上，進一步綜合評價纖維的抗靜電性、染色性能。本文的研究為聚酯改性及纖維性能表征研究提供一些指導(dǎo)作用，同時說明聚酯仿棉是目前發(fā)展的一個重要方向。

1 實驗部分

1.1 原料

精對苯二甲酸(PTA)，恒力化纖有限公司，纖維級;乙二醇(EG)，江陰華宏化纖有限公司，纖維級;聚乙二醇(PEG-2000)，江蘇海安石油化工有限公司，化工級;季戊四醇，上海錦悅化工有限公司，化學(xué)純;乙二醇銻(Sb2(EG)3)，遼陽市合成催化劑廠，纖維級;熱穩(wěn)定劑磷酸三苯酯(TPP)，江陰華宏化纖有限公司，化學(xué)純;防醚劑醋酸鈉(NaAc)，江陰華宏化纖有限公司，化學(xué)純;特效去油紗劑，型號IF-106，浙江傳化股份有限公司;N，N-二甲基甲酰胺、冰醋酸，上海豪申化學(xué)試劑有限公司，分析純;分散染料，Dystar中國公司提供，工業(yè)級;皂片，泉州海天染整有限公司，工業(yè)級。

1.2 實驗儀器與設(shè)備

YG777A型全自動通風(fēng)式快速恒溫烘箱，南通三思機電科技有限公司生產(chǎn);SM-16/24A型全能染色試樣機，紹興縣威達機械有限公司;721型分光光度計，上海第三分析儀器廠;2XZ-2型真空泵，上海雙鶴制冷儀器設(shè)備有限公司。

1.3 共聚酯的制備

漿料釜中添加2.2 t PTA，854格EG(970 kg)，季戊四醇，催化劑醋酸銻1300 g，進料時間2 h，轉(zhuǎn)入第一酯化反應(yīng)器;在245～250℃下反應(yīng)，等酯化水達到98%酯化率出水量后，轉(zhuǎn)入第二酯化反應(yīng)器;加乙二醇溶解的PEG-2000，180 g醋酸鈷，穩(wěn)定劑:300 mL、硅油:200 mL、醋酸鈉:600 g、抗氧化劑:2000 g等，繼續(xù)進行酯化反應(yīng)。低真空與高真空都到0時，反應(yīng)溫度控制在275℃。制備出的共聚酯切片經(jīng)轉(zhuǎn)鼓干燥，干燥工藝設(shè)定為105℃干燥4 h后升到140℃干燥12 h。

1.4 熔融紡絲成型

設(shè)計短纖維的規(guī)格為1.56 dtex×38 mm，十字異形結(jié)構(gòu)，試生產(chǎn)的紡位數(shù)為16個。常規(guī)聚酯纖維、十字異形截面聚酯纖維及仿棉短纖維樣品記為1#、2#、3#。

1.5 表征方法

1.5.1 共聚酯切片的熔融與結(jié)晶性測試

將共聚酯在130～140℃的溫度下抽真空干燥24 h。氮氣氛圍，升溫速率為10℃/min，測試溫度由30℃升溫至300℃，保持3 min消除熱過程，再由300℃降溫至30℃，降溫速率為10℃/min，最后再以10℃/min速率從30℃開溫至300℃，記錄焓變隨溫度的變化曲線。

1.5.2 纖維基本指標(biāo)測試

纖維的強度、伸長率、超長、疵點等指標(biāo)測試按照GB/T 14337—2008《化學(xué)纖維 短纖維拉伸性能試驗方法》、GB/T 6503—2008《化學(xué)纖維 回潮率試驗方法》、GB/T 14342—2008《合成纖維比電阻試驗方法》、GB/T 14339—2008《化學(xué)纖維短纖維疵點試驗方法》等進行。

1.5.3 纖維親水性評價

采用表面接觸角測試?yán)w維的液態(tài)水分潤濕性能。將制備的纖維在活性劑中去油劑干燥后進行測試，排除油劑對實驗的影響。測試條件為20℃、65%，水滴5 s內(nèi)完成測試，每個樣品平行測試10次。

采用全自動通風(fēng)式快速恒溫烘箱測試回潮率。取去油劑的干燥纖維50 g，將其放在20℃，10% ～90%相對濕度環(huán)境下，分別平衡48 h后，記錄質(zhì)量為M1;在105℃干燥箱干燥至質(zhì)量恒定，記錄質(zhì)量為M2。不同相對濕度下的回潮率(H)為:

標(biāo)準(zhǔn)大氣條件(20℃，65%RH)下恒溫恒濕48 h，取出并將其放入烘箱中，校正質(zhì)量并以此為標(biāo)準(zhǔn)，記為M0，待烘箱內(nèi)溫度升至規(guī)定溫度(105℃)時記錄時間，烘至1 h后開始稱量，以后每隔10 min稱量1次，烘至質(zhì)量恒定，將后一次稱量的質(zhì)量記為烘后質(zhì)量M，稱量應(yīng)在關(guān)閉電源后約30 s進行，每次稱量8個試樣不應(yīng)超過5 min，脫濕率(T)為:

1.5.4 染色性能評價

精練過程中，親水共聚酯散纖維按照浴比為1∶100加水后，加入精煉處理劑。其中特效去油紗劑IF-106加入量為4.0%，純堿5.0%。在攪拌狀態(tài)下升溫至90℃，保溫30 min，然后用清水洗滌2次，擠干散纖維待用。散纖維染色在紅外線高溫高壓染樣機上進行。先配制一定濃度的分散染料溶液，用冰醋酸和醋酸鈉調(diào)節(jié)pH值至4.5左右，加入待染散纖維，分別在規(guī)定溫度下染色一定時間。染色結(jié)束后用熱水清洗，擠干，然后置于真空干燥箱內(nèi)于60℃下干燥24 h，浴比為1∶100。上染百分率的測試采用殘液法，測試液與DMF按一定的質(zhì)量比混合，以溶液中分散染料的最大吸收波長為基準(zhǔn)，在紫外可見分光光度計上測定分散染料的吸光度，按式(3)計算分散染料的上染百分率(E)。

式中:A0為染色原液的吸光度;A為殘液的吸光度。

2 結(jié)果與討論

2.1 仿棉共聚酯切片的性能

對制備的共聚酯進行熱性能測試，結(jié)果如圖1所示。從圖中可看出，制備的共聚酯具有較為明顯的2個熔融峰，為嵌段結(jié)構(gòu)。共聚酯具有1個明顯尖銳的冷卻結(jié)晶峰，結(jié)晶溫度為201.63℃，與常規(guī)聚酯結(jié)晶性基本一致，為后道的干燥、紡絲提供了基礎(chǔ)。

圖1 仿棉共聚酯DSC表征Fig.1 DSC characterization of cotton-like PET fiber

2.2 纖維基本性能

仿棉共聚酯短纖維強度為4.51 cN/dtex，纖維的伸長率為 36.8%，長度為 37.4 mm，倍長為0.1 mg/100 g，疵點為1.8 mg/100 g，相對于棉型聚酯短纖維偏長，這是由于共聚酯中引入的多組分使得纖維無定形區(qū)域含量增加。

2.3 親水與抗靜電性能分析

纖維的親水性主要體現(xiàn)在對液態(tài)水分與氣態(tài)水分的吸附、傳送及排濕。對于紡織品，液態(tài)水分的導(dǎo)濕一般通過織物的組織結(jié)構(gòu)進行調(diào)控，纖維的細旦異形化有利于液態(tài)水分的導(dǎo)濕傳遞過程。圖2示出制備的仿棉短纖維表面接觸角測試結(jié)果，為排除纖維表面雜質(zhì)對測試結(jié)果的影響，實驗中將油劑洗滌去除。從結(jié)果來看，未經(jīng)共聚改性的十字異形聚酯短纖維與常規(guī)聚酯短纖維相比表面潤濕性增強，說明形態(tài)結(jié)構(gòu)對液態(tài)水分的潤濕是有益的。經(jīng)共聚改性的仿棉短纖維表面接觸角僅為45.4°，小于其他2種纖維，這是由于仿棉共聚酯的化學(xué)組成已經(jīng)發(fā)生變化，引入的聚醚組分與季戊四醇增強了其潤濕性。

圖2 纖維的表面接觸角Fig.2 Surface contact angle of fibers.(a)PET fiber;(b)Cross shaped PET fiber;(c)Cotton-like PET fiber

本文著重對纖維氣態(tài)水分的吸附進行了研究，仿棉共聚酯短纖維在20℃下相對濕度從10%～90%環(huán)境下吸濕性測試，并與常規(guī)同規(guī)格的短纖、常規(guī)十字異形短纖維進行比較，結(jié)果如圖3所示。

由圖可知，常規(guī)的聚酯短纖與常規(guī)十字異形聚酯短纖維相比，仿棉共聚酯短纖維隨著相對濕度的增加變化更加明顯，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下仿棉聚酯短纖維的回潮率分別為0.927%、0.478%、0.398%，吸附量達到了常規(guī)聚酯纖維的2.5倍。這是由于引入的聚醚在共聚酯中主要分布在無定形區(qū)域，共聚酯無定形區(qū)域可富集所吸附的水分，表現(xiàn)出吸附容量較未改性的樣品有了明顯的改善。

圖3 不同相對濕度下纖維吸濕性Fig.3 Moisture absorption of fibers at different relative hamidity

圖4、5分別示出仿棉共聚酯短纖從干燥狀態(tài)到標(biāo)準(zhǔn)溫濕度環(huán)境吸濕過程，標(biāo)準(zhǔn)溫濕度平衡狀態(tài)下脫濕過程。吸附過程是一個吸附脫附動態(tài)平衡過程。根據(jù)菲克方程可推導(dǎo)出纖維在吸放濕過程中回潮率和時間的理論曲線為指數(shù)曲線，因此可將回潮率對時間的回歸方程通式表示為

式中:W吸為吸濕回潮率;W放為放濕回潮率;t為時間，a、b、c為常數(shù)。利用Origin軟件對實驗數(shù)據(jù)進行擬合，得到纖維回潮率對時間的回歸方程。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)式(5)可計算出纖維的吸放濕速率，其值代表了單位質(zhì)量纖維瞬間吸收(放出)水分的量，可表示為V=|dW/dt|，根據(jù)回潮率對時間的回歸方程得到吸放濕速率回歸方程［7］:

通過纖維的吸放濕速率回歸方程可看出，仿棉短纖維相比較常規(guī)聚酯纖維瞬間吸濕速率提高了2倍，同時具有聚酯纖維良好的排濕性能。

圖4 纖維吸濕平衡過程Fig.4 Moisture absorption of fibers

仿棉共聚酯纖維聚乙二醇含有大量的端羥基與醚鍵，為親水柔性大分子鏈，在與氣態(tài)水分子吸濕中將醚鍵官能團吸附水分子，形成結(jié)合力較弱的氫鍵。共聚酯中引入的季戊四醇等活性羥基形成支化結(jié)構(gòu)，降低聚酯分子鏈排列規(guī)整度，共聚酯所吸附的水分可在無定形區(qū)域迅速富集并傳遞。吸附平衡的共聚酯纖維微環(huán)境發(fā)生變化(高溫低濕)時，水分子與醚鍵形成的弱氫鍵可迅速的脫濕，從而維持人體皮膚與織物間的濕度平衡。

圖5 纖維脫濕過程Fig.5 Moisture desorption of fibers

表1示出仿棉共聚酯短纖維體積比電阻測試結(jié)果。由表可見，洗滌前3種短纖維都具有良好的抗靜電性，這是由于纖維中含有0.2%以上的油劑，這部分油劑在短纖維體積比電阻測試中起到了良好的電荷逸散作用，從而使得比電阻在106～107Ω·cm。對3種短纖維分別進行了1、3與5次洗滌，1次洗滌后短纖維的比電阻升高迅速，未改性的2種短纖維達到了 1010Ω·cm，仿棉短纖維亦達到了108Ω·cm，這主要是由于洗滌過程中活性劑將油劑去除，纖維表面因油劑逸散電荷效果逐漸下降。3次洗滌后纖維比電阻值與5次洗滌后一致，說明測試結(jié)果較為真實地反映因材料本身引起的抗靜電性。仿棉聚酯短纖維在5次洗滌后比電阻維持在108Ω·cm，符合國標(biāo)對紡織品抗靜電測試的要求。對于仿棉共聚酯短纖維抗靜電機制主要歸結(jié)于2個方面:1)聚醚、季戊四醇的引入改善共聚酯的吸濕性，纖維對氣態(tài)水分吸濕的增加，使得富集于纖維表面的電荷進行逸散［8－9］;2)仿棉共聚酯中引入的PEG分子鏈上具有能接受質(zhì)子的原子，即羰基上氧原子存在孤對電子，并且在室溫下接近熔點，能保證充分的鏈段運動，因此PEG分子中的電荷以內(nèi)部質(zhì)子傳導(dǎo)的方式輸出［10］。這2個方面相互協(xié)同從而賦予仿棉聚酯短纖維良好的抗靜電性。

表1 短纖維體積比電阻Tab.1 Volume resistivity of fibers Ω·cm

2.4 染色性能分析

圖6示出將纖維在不同溫度下染色60 min得到的上染率曲線。仿棉共聚酯纖維從70℃到100℃，染料上染率增加很快，特別是80～90℃，在90℃下染料上染率已達到了85%，在超過100℃后，升高染色溫度，染料上染率增加很少;而常規(guī)聚酯短纖維通常在90℃后才開始上色，到120℃后染料上染率才能達到90%以上。

圖6 溫度對染料上染率的影響Fig.6 Influence of temperature on dye up-take

圖7示出在100℃染色溫度下，不同染色時間下得到的染料上染率曲線。在100℃下染色10 min(不包括5℃/min的升溫時間)，2個染料上染率均超過95%以上，染色20 min后，2個染料上染率均達到97%以上;而常規(guī)聚酯短纖維在此溫度只有極其微量的分散染料上染纖維。染至60 min后，2個染料上染率均可達到99%以上。

圖7 時間對染料上染率的影響Fig.7 Influence of dye time on dye up-take process

圖8示出不同染料用量在100℃溫度染色60 min得到的染料上染率曲線?？煽吹?，染浴中染料用量越大，仿棉短纖維中染料濃度就越高，但它們之間并非成直線關(guān)系，隨著染浴中染料用量的提高，會有更大比例的染料留在殘液中。在染料用量達到6%(o.w.f)時，染料上染率仍能超過90%，說明該染料有很好的提升性，適合染深色。

圖8 染料濃度對染料上染率的影響Fig.8 Influence of dye concentration on dye up-take

仿棉短纖維從70℃到100℃，染料上染率增加很快，特別是80℃到90℃，在90℃下染料上染率已經(jīng)達到了85%，在超過100℃后，升高染色溫度，染料上染率增加很少;而常規(guī)滌綸通常在90℃后才開始上色，到120℃后染料上染率才能達到90%以上。

3 結(jié)論

通過化學(xué)組分與形態(tài)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，在聚酯中引入了聚乙二醇、季戊四醇及二氧化鈦進行共聚合得到多組分共聚酯，再經(jīng)熔融紡絲過程中纖維截面十字異形結(jié)構(gòu)的調(diào)控制備出仿棉共聚酯短纖維。對仿棉共聚酯短纖維進行了氣液水分的親水性測試，抗靜電及染色性能綜合評價，共聚酯具有良好的成纖性，力學(xué)強度在4.0 cN/dtex以上，其他指標(biāo)滿足后道的紡紗織造要求;制備出的短纖維對氣態(tài)水分具有快吸速干的特點，抗靜電性能耐洗牢度高，水洗5次后體積比電阻為4.23×108Ω·cm，可實現(xiàn)常壓沸染。共聚酯短纖維較常規(guī)聚酯綜合服用性能上有了明顯改善。

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