聚烯烴彈性纖維耐化學(xué)性能研究

謝婉晨 干林麗 張尚勇

武漢紡織大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430200

聚烯烴彈性纖維耐化學(xué)性能研究

謝婉晨 干林麗 張尚勇

武漢紡織大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430200

為研究聚烯烴(POE)彈性纖維的耐化學(xué)性能，使用武漢紡織大學(xué)自制研究的39 dtex POE彈力絲，測試經(jīng)150 kGy輻照處理前后的POE彈力絲的力學(xué)性能及耐化學(xué)性能，并與傳統(tǒng)彈性纖維——氨綸進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明，POE彈性纖維在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿及氯漂條件下都能保持相對穩(wěn)定的性能，具有良好的彈性回復(fù)性和優(yōu)異的耐化學(xué)性能。

聚烯烴彈性纖維，氨綸，耐酸性，耐堿性，耐氯漂性

彈性纖維是指具有較高斷裂伸長率、接近100%的彈性回復(fù)能力，以及很低初始模量的一種合成纖維[1]。世界上最早應(yīng)用于服裝的彈性纖維是橡膠絲，但其存在強(qiáng)度與回縮率低、熱穩(wěn)定性差、耐氧化穩(wěn)定性不足、上染率低等缺點。后來德國、美國等研制出新型聚氨酯彈性纖維——氨綸，并迅速代替了橡膠絲，大大拓寬了彈性纖維在服裝中的使用[2-3]，成為了一種高附加值的紡織纖維材料。

如今，隨著人們消費需求的不斷提升，彈性纖維在面料中出現(xiàn)得也越來越多。在國內(nèi)外陸續(xù)研制出的很多各具特色的新型彈性纖維中，聚烯烴(POE)彈性纖維較傳統(tǒng)彈性纖維具有較強(qiáng)的耐化學(xué)腐蝕性和較好的柔軟性，其與天然纖維或化學(xué)纖維混合后制成的產(chǎn)品都具有柔軟的手感，不會表現(xiàn)出僵硬的化纖感[4-5]。

1 POE彈性纖維的制備

POE彈性纖維是由聚烯烴熱塑性彈性體通過熔融紡絲制備而成的，其具備良好彈性，原料價格較氨綸便宜，生產(chǎn)工藝較為簡單，生產(chǎn)過程幾乎不產(chǎn)生污染，且易于回收利用。

本文研究的POE彈性纖維是39 dtex POE彈性絲，其生產(chǎn)配方(表1)由武漢紡織大學(xué)自制研究，由江蘇紡科新復(fù)合材料有限公司紡制，所用主要設(shè)備見表2。

表1 39 dtex POE彈力絲生產(chǎn)配方

表2 39 dtex POE彈力絲紡制的主要設(shè)備

圖1 CYPE -001紡絲機(jī)

圖2 SHJ -20同向雙螺桿擠出機(jī)

此外，武漢愛邦高能技術(shù)有限公司對紡制出的39 dtex POE彈力絲進(jìn)行了150 kGy高能電子束真空輻照處理，用于后續(xù)的性能比較。

2 力學(xué)性能測試及分析

2.1 材料、儀器及測試條件

試驗材料：48 dtex氨綸絲，未輻照的39 dtex POE彈力絲(1#試樣)，經(jīng)150 kGy輻照的39 dtex POE彈力絲(2#試樣)。

試驗儀器：萬能型全自動單纖物性分析儀FAVIMAT-AIROBOT2(圖3)。

測試條件：恒溫(溫度20.2 ℃)、恒濕(相對濕度64.4%)。

圖3 萬能型全自動單纖物性分析儀FAVIMAT-AIROBOT2

2.2 拉伸斷裂性能

將3種試樣放在上、下夾鉗中央，先夾緊上夾鉗；再利用纖維夾夾持試樣下端，對試樣施加(0.100±0.010)cN/dtex的預(yù)張力；確定夾持距離為10 mm，夾緊下夾鉗，去除預(yù)加張力。設(shè)定拉伸速度為10 mm/min。3種試樣的拉伸斷裂性能測試結(jié)果見圖4。

注：圖中斷裂伸長率值縮小了1/10，斷裂強(qiáng)度值擴(kuò)大了10倍圖4 3種試樣的拉伸斷裂性能

圖4中，48 dtex氨綸絲的斷裂強(qiáng)度為10.12 cN/tex、斷裂伸長率為1 065.52%；1#試樣的斷裂強(qiáng)度為5.95 cN/tex、斷裂伸長率為654.39%；2#試樣的斷裂強(qiáng)度為2.86 cN/tex、斷裂伸長率為609.51%?？梢?，1#和2#試樣的斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長率均低于48 dtex氨綸絲；2#試樣的斷裂強(qiáng)度明顯低于1#試樣，但斷裂伸長率僅略低于1#試樣。

2.3 彈性回復(fù)性能

將試樣放置于上、下夾鉗中央，先夾緊上夾鉗；再利用纖維夾夾持試樣下端，對試樣施加(0.010±0.001)cN/dtex的預(yù)張力；確定夾持距離為2 mm，夾緊下夾鉗，去除預(yù)加張力。設(shè)定拉伸速度為2 mm/min，則

式中： ∑l——回復(fù)30s時試樣伸長量總和；L——伸直狀態(tài)下試樣長度；n——測試次數(shù)。

3種試樣的彈性回復(fù)性能測試結(jié)果見圖5。

注：圖中彈性回復(fù)率值縮小了1/10圖5 3種試樣的彈性回復(fù)性能

圖5中，48dtex氨綸絲的彈性回復(fù)率高達(dá)99.00%左右，1#和2#試樣的彈性回復(fù)率都在85.00% 左右(其中1#試樣的彈性回復(fù)率稍高于2#試樣)，說明POE彈力絲在彈性回復(fù)性能方面與氨綸存在一定差距；在彈性損失方面，48dtex氨綸絲的彈性損失最小(不到1.00%)，而1#和2#試樣的彈性損失高達(dá)12.00%～16.00%，其中1#試樣的彈性損失較2#試樣小。

此外，自制的POE彈力絲只經(jīng)過初步加工，未進(jìn)行后續(xù)的牽伸整理，因此在伸長率較大時，其彈性回復(fù)率達(dá)不到令人滿意的程度，且容易出現(xiàn)纖維抽長、拉細(xì)、不回復(fù)的現(xiàn)象；但在小變形的情況下，其彈性回復(fù)率還是很可觀的。

3 耐化學(xué)性能測試及分析

3.1 耐強(qiáng)酸性

將3種試樣分別放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98.0%的濃硫酸溶液中浸泡10 min，取出清洗并晾干，測試試樣的拉伸斷裂性能及彈性回復(fù)率。傳統(tǒng)彈性纖維——氨綸的主要成分是聚氨基甲酸酯，可與酸反應(yīng)，加之濃硫酸具有強(qiáng)氧化性，故氨綸經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98.0%的濃硫酸浸泡后會全部溶解。因此，圖6和圖7的測試結(jié)果中只體現(xiàn)了1#和2#試樣。

注：圖中斷裂伸長率值縮小了1/10，斷裂強(qiáng)度值擴(kuò)大了10倍圖6 試樣經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98.0%的濃硫酸處理后的拉伸斷裂性能

注：圖中彈性回復(fù)率值縮小了1/10圖7 試樣經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98.0%的濃硫酸處理后的彈性回復(fù)性能

圖6中，經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98.0%的濃硫酸處理后，1#試樣的斷裂強(qiáng)度為6.00 cN/tex、斷裂伸長率為468.89%，2#試樣的斷裂強(qiáng)度為2.83 cN/tex、斷裂伸長率為350.43%。未經(jīng)輻照處理的POE彈力絲即1#試樣的各項拉伸性能指標(biāo)都優(yōu)于經(jīng)過輻照處理的POE彈力絲即2#試樣。

圖7中，經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98.0%的濃硫酸處理后，1#和2#試樣的彈性回復(fù)率都保持在85.00%左右，彈性損失也在12.00%～16.00%的范圍內(nèi)。

對比圖4～圖7可以發(fā)現(xiàn)，無論是否經(jīng)過輻照處理，POE彈力絲的斷裂伸長率與酸處理之前相比都有所下降，但POE彈力絲的平均斷裂強(qiáng)力和彈性回復(fù)率幾乎不發(fā)生變化。這說明POE彈力絲整體表現(xiàn)出良好的耐強(qiáng)酸性能，較適合酸性環(huán)境的應(yīng)用。

3.2 耐強(qiáng)堿性

將3種試樣分別放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40.0%的氫氧化鈉溶液中浸泡30 min，取出清洗并晾干，測試試樣的拉伸斷裂性能及彈性回復(fù)率，結(jié)果見圖8和圖9。

注：圖中斷裂伸長率值縮小了1/10，斷裂強(qiáng)度值擴(kuò)大了10倍圖8 試樣經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40.0%的氫氧化鈉溶液處理后的拉伸斷裂性能

注：圖中彈性回復(fù)率值縮小了1/10圖9 試樣經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40.0%的氫氧化鈉溶液處理后的彈性回復(fù)性能

圖8中，經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40.0%的氫氧化鈉溶液處理后，48 dtex氨綸絲的斷裂強(qiáng)度為10.34 cN/tex、斷裂伸長率為554.17%；1#試樣的斷裂強(qiáng)度為5.17 cN/tex、 斷裂伸長率為383.18%；2#試樣的斷裂強(qiáng)度為6.15 cN/tex、斷裂伸長率為 955.50%。

圖9中，48 dtex氨綸絲的彈性回復(fù)率最高(達(dá)96.69%)，1#和2#試樣的彈性回復(fù)率均在85.00%～ 90.00%之間，且1#試樣稍高于2#試樣。

比較圖4和圖8可以發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)堿處理后的48 dtex 氨綸絲和1#試樣，與強(qiáng)堿處理前相比，兩者的斷裂強(qiáng)度幾乎不變，但其斷裂伸長率幾乎都降低了一半；2#試樣經(jīng)強(qiáng)堿處理后，其拉伸斷裂性能較強(qiáng)堿處理前大大改善，斷裂強(qiáng)度從原先的2.86 cN/tex提升至6.15 cN/tex，斷裂伸長率從原先的609.51%提升至955.50%。

比較圖5和圖9可以發(fā)現(xiàn)，48 dtex氨綸絲經(jīng)強(qiáng)堿處理后，彈性損失從原先的0.86%增大到3.26%， 彈性回復(fù)率從原先的99.08%略微下降到96.69%； 而POE彈力絲(1#和2#試樣)經(jīng)強(qiáng)堿處理后，其彈性損失都有所減少，彈性回復(fù)率都有所增大。

可見，在強(qiáng)堿處理的條件下，氨綸絲的拉伸斷裂性能及彈性回復(fù)性能均有所下降，而POE彈力絲的相關(guān)性能則有所提升。POE彈力絲的耐堿腐蝕性能在一定程度上優(yōu)于氨綸絲，且輻照后的POE彈力絲即2#試樣的耐堿腐蝕性能更加明顯優(yōu)于氨綸絲。

3.3 耐氯漂性

將3種試樣分別放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.2%的次氯酸鈉溶液中浸泡30 min，取出清洗并晾干，測量試樣的拉伸斷裂性能及彈性回復(fù)率，結(jié)果見圖10和圖11。

注：圖中斷裂伸長率值縮小了1/10，斷裂強(qiáng)度值擴(kuò)大了10倍圖10 試樣經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.2%的次氯酸鈉溶液處理后的拉伸斷裂性能

注：圖中彈性回復(fù)率值縮小了1/10圖11 試樣經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.2%的次氯酸鈉溶液處理后彈性回復(fù)性能

圖10中，經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.2%的次氯酸鈉溶液處理后，48 dtex氨綸絲的斷裂強(qiáng)度為10.52 cN/tex、斷裂伸長率為613.81%；1#試樣的斷裂強(qiáng)度為5.24 cN/tex、斷裂伸長率為417.70%；2#試樣的斷裂強(qiáng)度為5.06 cN/tex、斷裂伸長率為662.82%。

圖11中，經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.2%的次氯酸鈉溶液處理后，48 dtex氨綸絲的彈性回復(fù)率最高(達(dá)97.74%)，1#和2#試樣的彈性回復(fù)率均在85.00%～ 90.00%之間，其中1#試樣稍高于2#試樣。

對比圖4和圖10發(fā)現(xiàn)，次氯酸鈉處理后的48 dtex 氨綸絲和1#試樣，分別與處理前相比，兩者的斷裂強(qiáng)度幾乎未變，而其斷裂伸長率都明顯降低；2#試樣經(jīng)次氯酸鈉處理后，其斷裂強(qiáng)度從原先的2.86 cN/tex提升至5.06 cN/tex，斷裂伸長率也較處理前不減反增。

對比圖5和圖11可以發(fā)現(xiàn)，48 dtex氨綸絲的彈性損失從次氯酸鈉處理前的0.86%增大到2.21%，彈性回復(fù)率也從原先的99.08%下降到97.74%；而POE彈力絲(1#和2#試樣)的彈性損失較次氯酸鈉處理前都有所減少，彈性回復(fù)率都有所增大。

可見，在氯漂處理的條件下，48 dtex氨綸絲的性能有所下降，而POE彈力絲的性能有所提升。這說明POE彈力絲的耐氯漂性能在一定程度上優(yōu)于氨綸絲，其中，輻照處理后的POE彈力絲的耐氯漂性能更加明顯優(yōu)于氨綸絲。

4 結(jié)語與展望

自制的新型POE彈性纖維是采用高科技、立體交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)變性聚烯烴原料生產(chǎn)的一種特殊彈性纖維，其化學(xué)結(jié)構(gòu)式為[(C2H4)x(C8H16)y]n，由乙烯和辛烯共聚而成。POE彈性纖維的原料聚烯烴的化學(xué)性能相當(dāng)穩(wěn)定，其主要由C—C和C—H單鍵組成，呈立體網(wǎng)狀分子結(jié)構(gòu)，如同正六面體碳結(jié)構(gòu)的鉆石一樣穩(wěn)定。POE彈性纖維能在常溫條件下耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿的長時間腐蝕而不變性，所以它的耐化學(xué)性能相當(dāng)穩(wěn)定，且不會像氨綸一樣易產(chǎn)生老化、斷裂等。因此，POE彈性纖維有著抗強(qiáng)酸、強(qiáng)堿的優(yōu)越性能，劇烈的染整處理也不會對它的彈性造成很大影響，其耐洗性能好。

150 kGy輻照前后的新型POE彈性纖維在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿及氯漂條件下的耐化學(xué)性能都較好，因而其作為一種新型彈性纖維具有非常可觀的優(yōu)勢。氨綸不耐強(qiáng)酸，而POE彈性纖維經(jīng)過強(qiáng)酸、強(qiáng)堿或氯漂處理后仍能保持相對穩(wěn)定的耐化學(xué)性能。新型POE彈性纖維不僅可滿足人們對舒適性和耐洗滌性等方面的需求，還可應(yīng)用于酸性環(huán)境中，部分代替?zhèn)鹘y(tǒng)彈性纖維——氨綸在彈性織物中的運用。

新型POE彈性纖維具有良好的彈性、彈性回復(fù)性和耐化學(xué)性能。含有POE彈性纖維的織物在后整理方面具有很大的優(yōu)勢，其對提高織物的功能具有很大幫助，市場前景廣闊。

[1] 姚穆.紡織材料學(xué)[M].3版.北京:中國紡織出版社，1990：128-154

[2] 尹繼亮.彈性纖維及其在服用織物中的應(yīng)用[J].紡織導(dǎo)報，1999(6)：8-12.

[3] 沈鳳娟，任信. 紡織面料中彈性纖維的種類及比較[J]. 中國科技博覽，2010(23)：71.

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Research on chemical resistance of polyolefin elastic fibers

XieWanchen,GanLinli,ZhangShangyong

School of Textile Science and Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan 430200, China

In order to research the chemical resistance of polyolefin(POE) elastic fibers, 39 dtex stretch POE yarns self-made by Wuhan Textile University were used. The mechanical properties and chemical resistance of the stretch POE yarns before and after 150 kGy irradiation treatment were tested, and the comparative analysis was done with those of the traditional elastic fibers, spandex. The results showed that the POE elastic fibers could keep relatively stable performance under the condition of strong acid, strong alkali and chlorine bleaching, and had good elastic resilience and excellent chemical resistance.

polyolefin elastic fiber, spandex, acid resistance, alkali resistance, chlorine bleaching resistance

2016-11-29

謝婉晨，女，1991年生，在讀碩士研究生，主要研究方向為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

張尚勇，E-mail：313598106@qq.com

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1004-7093(2017)04-0028-05