仿棉聚酯纖維及其制品的開發(fā)與研究

趙明良 寧新 邢明杰

摘要：? 針對我國棉花存在的價格偏高，供需矛盾突出，但聚酯產(chǎn)能過剩，產(chǎn)品附加值低等問題，本文對聚酯纖維（PET纖維）進行技術(shù)手段改性，運用化學方法從分子鏈的化學結(jié)構(gòu)上對PET纖維改性，并對其結(jié)構(gòu)和性能進行綜合分析。聚合過程中添加含多親水基團（如羥基）的單體，可提高PET纖維親水性能。在纖維大分子鏈的適當位置引入親染料基團（如磺酸鹽）的單體共聚，利用磺酸基團結(jié)合染料分子，從而改善纖維的可染性。在苯二甲酸（PTA）和乙二醇（EG）聚合過程中，將柔性鏈段引入PET纖維分子鏈段，可改善手感。同時，在紡絲過程中，加入功能性組份，可改善纖維的功能性。通過分析仿棉PET纖維的四大性能（吸濕、染色、外觀、功能性），探究纖維結(jié)構(gòu)與性能的關系。研究結(jié)果表明，化學方法改性PET纖維，性能較優(yōu)良，效果較持久;由仿棉PET纖維制得的滌綸仿棉織物的導濕性、透氣性優(yōu)于純棉織物，抗靜電性能優(yōu)良，在懸垂性、抗皺性、尺寸穩(wěn)定性等方面有明顯改善。該研究對后續(xù)新型仿棉聚酯產(chǎn)品的研發(fā)提供了理論依據(jù)。

關鍵詞：? 仿棉聚酯纖維; 結(jié)構(gòu)性能; 纖維改性; 應用領域

中圖分類號： TS102.52+2;TS105.1? 文獻標識碼： A

棉纖維具有吸濕透氣性良好、易染色、柔軟保暖的性能特點，因此由它制成的棉紡織品吸濕性良好、光澤柔和、手感柔軟，受到消費者的廣泛青睞[1]。而對于我國龐大的紡織工業(yè)，棉花的需求量較大。近年來，國內(nèi)外棉價差異明顯、價格波動幅度較大，我國愈加依賴進口棉花資源。嚴峻的經(jīng)濟形勢和資源壓力，使開發(fā)新型可替代棉纖的纖維原料訴求日益強烈。開發(fā)仿棉聚酯纖維，使聚酯纖維具備較高的附加值和良好的服用性能[2]，為緩解國內(nèi)棉花資源壓力提供了可行的技術(shù)方法。聚酯纖維（PET纖維）的商品名為滌綸，目前我國已經(jīng)成為滌綸生產(chǎn)和消費的第一大國。聚酯產(chǎn)業(yè)大規(guī)模的快速發(fā)展，為合成纖維及其相關產(chǎn)品的開發(fā)和應用提供了重要機遇，促進了棉紡織行業(yè)開發(fā)和推廣仿棉纖維及其制品的進程，巨大的市場空間使仿棉產(chǎn)品應運而生。仿棉PET纖維及其紡織品的研發(fā)，可引導PET纖維向新的功能化、差別化方向發(fā)展，使棉和其它類合成纖維相互組合，形成新一代紡織產(chǎn)品，不僅適合紡織市場的發(fā)展需求，達到更高的性價比，而且能降低產(chǎn)品綜合成本。對于聚酯仿棉，其產(chǎn)品要同時具備棉纖和滌綸的優(yōu)良特性，將“仿棉似于棉，仿棉勝過棉”作為目標，以達到在特定領域可以部分乃至全部代替棉纖維。通常早期的滌綸仿棉產(chǎn)品是將滌綸短纖作為原料，利用短纖維的特點來仿制棉纖的毛感，在外觀上呈現(xiàn)出一定的蓬松性和柔軟性。在化纖行業(yè)合成和紡絲技術(shù)的持續(xù)發(fā)展下，采用復合化、細旦化、納米技術(shù)等多種手段對PET纖維原料進行處理，使纖維的特性發(fā)生相應的改變，經(jīng)過聚合、紡絲、織造等生產(chǎn)工序，各種新型功能性PET纖維被開發(fā)出來[34]。因此，仿棉PET纖維一方面要具備天然棉纖維的某些優(yōu)良特性，如棉的色澤、良好的吸濕保暖性、手感柔軟等，另一方面又要保留滌綸耐磨、耐高溫、懸垂性、速干等自身的優(yōu)良特性。此外，開發(fā)PET纖維的附加功能也受到了重視，通過加入有機的或無機的添加劑制得功能性材料，其所含纖維自身具備抗菌消臭、抗靜電、遠紅外、防紫外線等性能，提升了面料的健康舒適性，滿足了消費者的不同需求。仿棉PET纖維在外觀、性能、功能等方面可達到甚至超越棉纖維和滌綸纖維[5]。目前，國內(nèi)外對PET纖維改性的研究主要是集中改善PET纖維的某一特定性能上，且用物理方法對其改性的偏多，但是運用共聚方法從分子鏈的化學結(jié)構(gòu)上對PET纖維進行改性，對其結(jié)構(gòu)和性能進行綜合分析，且在親水性、染色性、手感和光澤等多種性能上進行綜合仿棉的研究很少。因此，本文在總結(jié)已有研究成果的基礎上，重點從分子鏈的化學結(jié)構(gòu)上對PET纖維改性，對其結(jié)構(gòu)和性能進行詳盡研究，為最終制備綜合性能優(yōu)良的仿棉PET纖維產(chǎn)品進行探索。

1 仿棉材料的改性研究

1.1 棉纖維的結(jié)構(gòu)與性能

棉纖維有天然的扭轉(zhuǎn)，即“轉(zhuǎn)曲”，其截面常態(tài)呈現(xiàn)為不規(guī)則腰圓形，有中腔結(jié)構(gòu)，棉纖維橫截面如圖1所示。棉纖維的主要組成成分為纖維素，約占94%～95%，在纖維素大分子中含有多個對水分子有親和力的羥基基團，吸濕能力較高，公定回潮率為8.5%，回潮率最高限度可達10%左右。目前，我國最主要的棉花品種是細絨棉，細絨棉長25～35 mm，細1.5～2.0 dtex，斷裂伸長率3%～7%左右，斷裂強度20～25 cN/tex，初始模量0.27～0.62 N/dtex[6]。纖維細長柔軟，吸濕性好，易染色，耐強堿。但棉纖維及其制品具有彈性差、彈性恢復性差、抗皺性差、易發(fā)霉、不耐酸蝕等缺點。細絨棉如圖2所示。

1.2 聚酯纖維的結(jié)構(gòu)與性能

PET纖維是由對苯二甲酸（PTA）和乙二醇（EG）脫水縮聚后生成的聚對苯二甲酸乙二酯，PET纖維分子鏈的化學結(jié)構(gòu)如圖3所示。由PET纖維的分子組成來看，它包括端醇羥基、苯環(huán)、酯基、短脂肪烴鏈。其中，短脂肪族烴鏈使滌綸分子具有一定的柔曲性，不能內(nèi)旋轉(zhuǎn)的苯環(huán)使其具有一定的剛性，因此滌綸大分子是典型的剛?cè)岵?，且以剛性為?大分子鏈中缺乏親染色基團和親水性基團，因此纖維的吸濕性低，公定回潮率只有0.4%，且染色性能差。常規(guī)滌綸短纖的截面呈正無限多邊形，纖維表面光滑，纖維斷裂伸長率在

20%～30%左右，斷裂強度約為50 cN/tex，初始模量為1.1 N/dtex[7]。PET纖維是目前合成纖維的首要品種，該纖維及其制品具有強度高、回彈性適中、耐磨、耐腐蝕、耐熱性高、洗可穿等優(yōu)點，但也有染色性差、吸濕性差、不抗靜電、易起球等明顯缺點。

1.3 聚酯仿棉的方法

目前，國內(nèi)外仿棉技術(shù)已有多種方法，可歸納為化學改性和物理改性?；瘜W改性是通過化學方法（如共聚、接枝等）改變聚纖的大分子鏈結(jié)構(gòu)，則其化學性能等得以改善;物理改性是采用物理方法（如共混、截面異形化等）使纖維的形態(tài)（如截面的形狀、纖維的細度、卷曲度等）和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)（如結(jié)晶度、取向度等）改變，則纖維性能改善[8]。

1.3.1 化學改性的基本手段

1） 分子結(jié)構(gòu)改性。在聚酯切片合成的過程中，引入改性單體。常用方法有嵌段聚合、交替共聚、無規(guī)共聚等。其效果是分子結(jié)構(gòu)上發(fā)生根本改性，獲得持久的改性效果，但纖維會失去原來部分優(yōu)良性能。

2） 接枝改性。在一定外部條件激發(fā)下，聚合物表面通過支鏈形式引入改性單體。常用方法有化學接枝法和輻射接枝法，常用含親水性基團的化合物作接枝單體。輻射法可用γ射線、紫外線等誘導接枝。其效果是分子結(jié)構(gòu)上發(fā)生根本改性，獲得持久的改性效果，但纖維會失去原部分優(yōu)良性能。

3） 表面改性?？稍诶w維或織物表面進行，即將一層改性的化合物加在其表面。常用方法有堿減量處理法、表面活性劑處理、等離子體處理等。其工藝簡單，具有明顯的改性效果，其缺點是耐洗滌性差，改性效果不太持久。

化學改性的實質(zhì)是在PTA與EG縮聚時加入其他單體進行聚合反應，使聚酯大分子的結(jié)構(gòu)和組分發(fā)生改變，通過分子間的化學反應達到纖維改性目的[9]。滌綸改性常用化學方法，由此得到的改性纖維性能優(yōu)良，效果持久。

1.3.2 物理改性的基本手段

1） 復合改性。在紡絲時進行多組份復合，兩種或以上性質(zhì)的紡絲熔體，經(jīng)過特殊結(jié)構(gòu)的紡絲裝置，制得的每根纖維中均含有兩種或以上的性質(zhì)成分，通常有海島型和芯鞘型等，紡絲成型過程較麻煩，要求復合組份間的相容性較好。

2） 共混改性。軟化或熔融狀態(tài)下，均勻混合聚酯高聚物和改性組份，然后采用擠壓等物理方法，使其成型。常見的異形截面形狀有十字形、三角形、三葉形、星形、W形和異形中空等。操作簡單易行，但共混時要保證均勻，共混物質(zhì)的熔融條件應相近。

3） 纖維截面異形化。通過調(diào)整紡絲工藝參數(shù)，改變噴絲孔的形狀，制備出多種非圓形截面纖維。常見的異形截面形狀有十字形、三角形、三葉形、星形、W形和異形中空等。特殊截面形態(tài)可使纖維表面呈現(xiàn)大量溝槽，利用芯吸效應可提高吸濕性，也可改善透氣性、抗起毛起球性等。而多孔中空、三葉變形中空、四管狀等截面形態(tài)模擬了棉纖中腔結(jié)構(gòu)，進一步提高吸濕性能。

4） 纖維表面粗糙化。纖維表面被特殊試劑處理，表面光滑度降低、粗糙度增大。比表面積增加，吸附性能提高，多應用于親水性和吸附性的提高。顯著改善纖維的吸濕性，纖維的觀感和手感似棉勝棉。

2 仿棉聚酯纖維的性能研究

2.1 吸濕性能的研究

織物的濕傳遞性能關系到織物的吸濕排汗特性。吸濕性是指織物吸收氣態(tài)水的能力，纖維材料的化學組成和結(jié)構(gòu)會對其產(chǎn)生影響。液態(tài)水分潤濕在纖維表面，由纖維內(nèi)部吸收保持。纖維的親水性能包括吸濕和吸水兩方面[1011]。人體著裝狀態(tài)時產(chǎn)生的汗液，經(jīng)織物傳導至外界，以氣態(tài)和液態(tài)形式完成，一種形式是液態(tài)水與織物能夠直接接觸，通過紗線和纖維結(jié)構(gòu)中毛細管的毛細作用，從織物內(nèi)表面?zhèn)鬟f至織物外表面;另一種形式是人體汗液在皮膚表面蒸發(fā)出水汽，皮膚與織物內(nèi)表面的水蒸氣壓力大于周圍環(huán)境中水蒸氣壓力時，氣態(tài)水通過紗線間和纖維間的空隙從高壓一面向低壓一面擴散[12]。

提高PET纖維親水性能的方法如下：

1） 添加含親水基團（如羥基）的單體，在聚合過程中進行共聚，控制反應率。

2） 將醚鍵類基團引入纖維大分子鏈上，進行親水接枝改性，則其吸濕快干性能提高，同時易去污和抗靜電效果優(yōu)異。

3） 采用低聚體聚乙二醇進行共聚，使纖維表面獲得永久的親水化，同時具備一定程度的抗靜電性[1315]。

改善其吸濕速率的方法主要有截面異形化、細旦化或超細旦化和中空化。截面異形化是在紡絲時改變噴絲板形狀，紡纖維的截面呈現(xiàn)出異形，某些會使纖維表面形成溝槽，利于吸濕導濕，吸濕速度加快;細旦化或超細旦化是采用細旦、超細旦絲使纖維比表面積增加，芯吸速率提高;中空化，即將仿棉PET纖維做成中空狀結(jié)構(gòu)[1617]。以上方法使PET纖維發(fā)生表面狀態(tài)的改變，纖維及其織物的芯吸效應明顯改善，導濕性能提高。仿棉PET纖維的異型橫截面如圖4所示。

2.2 染色性能研究

通常纖維經(jīng)過一系列加工工序制成織物后，需要對其進行染色。棉纖維的分子鏈段較為柔軟，染料分子易于進入，且分子結(jié)構(gòu)中含有大量的羥基，容易結(jié)合染料分子，故棉纖維的染色性能較好。而PET纖維的分子鏈段以剛性為主，染料分子進入較難，分子結(jié)構(gòu)中含有極少數(shù)量的羥基，更缺乏親染料基團，故其染色性能較差[18]。改善染色性一般采用如下3種方式：

1） 在纖維大分子鏈的適當位置引入親染料基團的單體進行共聚，如磺酸鹽等，利用磺酸基團結(jié)合染料分子，從而改善纖維的可染性。

2） 直接將著色劑添加進聚合物熔體中，使著色劑能夠在纖維中永久存在，并在纖維內(nèi)均勻分布。

3） 通過引入柔性鏈段和親水基團，PET纖維分子結(jié)構(gòu)的規(guī)則性被破壞，結(jié)晶度降低，纖維的染色性能有所提高。在不同染色時間、不同染色溫度下，仿棉PET纖維結(jié)合染料的能力不同。例如染色溫度為變量時，將纖維染色60 min，當溫度由70 ℃升至100 ℃時，仿棉PET纖維的染料上染率快速增加，可達90%以上，當溫度超過100 ℃后，繼續(xù)提高染色溫度，染料上染率幾乎不再增加，對于聚酯短纖材料，溫度達到90 ℃后才開始上色，到120 ℃后上染率才能達到90%以上。

2.3 外觀性能研究

1） 手感。棉纖維橫截面為不規(guī)則的腰圓形，有中腔結(jié)構(gòu)，纖維縱向呈扁平帶狀，有螺旋形的扭曲，即為“天然轉(zhuǎn)曲”，是在棉纖維生長過程中自然形成，且棉纖維的模量小，這些特性使其具有蓬松柔軟的手感。而PET纖維中含有苯環(huán)，不能內(nèi)旋，分子鏈段剛性較大，因此手感發(fā)硬。對纖維的橫截面、分子鏈段和纖維模量進行調(diào)控，使仿棉PET纖維表面獲得類似棉纖維的手感和蓬松性，PTA與EG聚合過程中，將柔性鏈段引入PET纖維分子鏈段，減弱其剛性，改善手感;在紡絲階段，改變噴絲板形狀，通過使用U形、十字、中空等制得異形纖維，使其手感接近于棉纖維[19];采用空氣網(wǎng)絡變化的方式，長絲被吹成相互纏連的凹凸狀態(tài)，呈現(xiàn)出卷曲膨松、稍顯彎曲立體;調(diào)節(jié)原料的混合比例，將種類、收縮比各異的仿棉滌綸原料合理組合后進行染整處理，纖維以不同比例收縮，則會呈現(xiàn)出一定的毛感效果;對滌綸織物表面進行磨毛處理，織物的外觀風格發(fā)生改變，在織物表面產(chǎn)生細密短小的絨毛，更接近于棉織物的蓬松手感。

2） 光澤性能。棉纖維光澤柔和，而PET纖維光澤度高。通過改性技術(shù)對PET纖維的光澤進行調(diào)控，達到近似棉纖的自然光澤效果，觀感似棉。影響纖維光澤的因素主要有纖維橫截面形狀、纖維表面狀態(tài)、纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)等。目前，減弱PET纖維光澤的常用方法主要有添加無機消光劑材料使其均勻消光。通過在聚合過程中添加無機粒子，作用于分子的取向度和結(jié)晶度，即破壞內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)的規(guī)整程度，削弱纖維反射光，纖維表面光澤減弱。此外，無機粒子的用量應根據(jù)實際生產(chǎn)情況來控制調(diào)整，避免破壞熔體的可紡性，保證纖維在后加工時具有良好性能。采用添加無機粒子方法，諸如在聚合過程中添加TiO2母粒，使其均勻分布于纖維內(nèi)，改善纖維光澤。另外可添加呈液態(tài)的納米級TiO2，這適用于超細纖維的全消光聚酯產(chǎn)品。將纖維材料細旦或超細旦化，表面漫反射的能力得到提高，纖維表面呈現(xiàn)柔和光澤[20]。

2.4 功能性研究

功能性是指加入添加劑（有機或無機），使纖維本身具備防紫外線、遠紅外、抗菌等性能?？刹捎脤⑻砑觿┡c反應單體一起紡絲或產(chǎn)品后整理的方法實現(xiàn)，以提高PET纖維的附加功能[21]。其中，防紫外線PET纖維制成的織物可以將輻射到人體的紫外線屏蔽掉，保護人體不受傷害。將聚酯和紫外線屏蔽劑進行皮芯復合紡絲或共混紡絲來制備防紫外線PET纖維。在該種纖維研發(fā)方面，日本的可樂麗公司處于領先地位，其產(chǎn)品的紫外線屏蔽劑為氧化鋅[22]。遠紅外PET纖維具有將吸收到的人體自身體熱或者外界能量再次輻射給人體的效能，有利于新陳代謝，可促進血液循環(huán)。一般可通過3種技術(shù)生產(chǎn)，即在紡絲過程中，加入遠紅外輻射物質(zhì);在聚合過程中，加入遠紅外輻射物質(zhì);聚酯和遠紅外母粒進行復合紡絲。遠紅外PET纖維目前被廣泛應用于一系列保健產(chǎn)品中[23]?？咕衾w維能夠抑制細菌的產(chǎn)生，同時加速分解惡臭物質(zhì)。廣泛應用在毛巾、鞋墊、襪子及長期臥床人群的用品上?？咕鷦┓N類繁多，目前常添加在PET纖維中的種類主要有含Zn、Ag等離子的陶瓷微粉末和泡沸石，日本多家公司包括鐘紡、帝人、東麗在內(nèi)均有該種產(chǎn)品。此外，日本生產(chǎn)出的AUSR纖維具有良好的抗菌除臭性，它以海底火山噴發(fā)出的3種天然礦石為原料，將其超微?；⒒烊刖埘ブ羞M行紡絲制得[24]。為提高抗起毛起球性，紡絲時可采用低聚合度的聚酯，為提高抗靜電性能，在聚合過程中可添加具備抗靜電性能的單體[25]。

3 應用領域

仿棉PET纖維開發(fā)前景廣闊，符合市場需求。仿棉PET纖維廣泛應用于棉織、毛織、針織、家紡織物生產(chǎn)加工中，涵蓋了織造的多類產(chǎn)品，如各類混紡織物、牛仔織物、色織物等[2627]。其中，家紡床上用品與皮膚的接觸較多，故可將滌綸仿棉吸濕排汗紗線作為織物原料，制品的吸濕速率快，舒適性良好，外觀具有棉型感。其次，仿棉滌綸長絲也普遍用于經(jīng)編運動面料，該產(chǎn)品在運動服中一般有3類，即運動面料的里布（全是經(jīng)編網(wǎng)眼布），春夏季運動面料（有經(jīng)編網(wǎng)眼布和平布兩種，網(wǎng)眼布多用于背心、籃球服等）和秋季運動面料（以絨布為主）。

南京東華纖維公司對PET纖維改性，得到輕柔蓬松、親膚性良好的Porel纖維，其紡制的紗線可用于貼身穿著織物或毛巾織物，其吸濕速干和柔軟性均優(yōu)于全棉毛巾。再者是功能性產(chǎn)品的開發(fā)，進一步提高了滌綸纖維的附加性能，普遍應用在醫(yī)學、生物學、衛(wèi)生學等領域[28]，如免燙仿棉聚酯襯衣、防紫外線PET纖維制品、遠紅外PET纖維服裝、抗菌防臭聚酯制品。另外，在產(chǎn)業(yè)用領域中，開發(fā)具有綠色環(huán)保、可降解類聚酯產(chǎn)品安全性能的產(chǎn)品，可極大降低對環(huán)境的破壞和污染，而且仿棉聚酯纖維吸濕性較好，可以用于高檔內(nèi)衣和運動衣等制作中;仿棉聚酯纖維具有較好的吸濕排汗功能，可應用于襯衣和運動服等制作中;仿棉聚酯纖維有較好的手感和舒適性，可應用于牛仔、時裝、休閑服、西褲等行業(yè)。

4 結(jié)束語

本文對仿棉PET纖維及其制品的制備、改性、結(jié)構(gòu)、性能、應用進行了綜合研究。通過化學方法和物理方法對PET改性后，仿棉PET纖維的染色性能得到明顯改善;仿棉PET纖維的吸濕性能、導濕性能、回潮率得到明顯提升;仿棉PET纖維在外觀性能方面得到明顯改善，纖維呈現(xiàn)棉型感和蓬松性，手感似棉，光澤觀感似棉;仿棉PET纖維的抗靜電性能明顯提高。另外，利用改性的仿棉PET纖維制備的仿棉織物，其導濕性、透氣性、抗皺性均優(yōu)于純棉織物，其親水性比普通的沒有改性的PET織物有明顯提高。本文對仿棉聚酯纖維及其仿棉產(chǎn)品的研究和探索，提高了產(chǎn)品的附加值，拓展了應用領域。該研究對后續(xù)新型仿棉聚酯產(chǎn)品的研發(fā)乃至產(chǎn)業(yè)化提供了理論參考。

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Development and Research of the CottonLike Polyester Fibers and its Products

ZHAO Minglianga，b，c， NING Xina，b，c， XING Mingjiea，b，c

（a. College of Textiles & Clothing; b. Shandong Center for Engineered Nonwovens; c. Industrial Research Institute of Nonwovens & Technical Textiles， Qingdao University， Qingdao 266071， China）

Abstract：? Cotton price is high in China， and the contradiction between supply and demand is prominent. But polyester is overcapacity， and its added value is low. It is very necessary to develop imitation cotton fiber and its products. In this paper， polyester fiber was modified by technical means. Chemical methods were used to modify the PET from the chemical structure of the molecular chains， and structure and properties were comprehensively analyzed. It is found that adding monomers containing many hydrophilic groups （such as hydroxyl groups） can improve the hydrophilicity of polyester fibers in the polymerization process. It is found that monomers with dyefriendly groups （such as sulfonate） are introduced into the proper position of the fiber macromolecular chain to copolymerize. Sulfonic acid groups are used to bind dye molecules. It can improve the dyeability of the fibers. The results show that the flexible segment is introduced into the PET molecular segment during the polymerization of PTA and EG， which can improve the fiber handle. It is found that adding functional components in spinning process can improve the function of fibers. By analyzing the four properties （moisture absorption， dyeing， appearance and function） of imitation cotton polyester fiber， the understanding of the relationship between fiber structure and performance is deepened. The results show that the modified polyester fiber has better wettability and permeability than that of pure cotton fabric， and its antistatic property is excellent. Drape， wrinkle resistance， dimensional stability and other aspects have been improved significantly.

Key words： cottonlike polyester fiber; structure and property; modified fiber; application field