吉 鵬，劉紅飛，王朝生，陳向玲，王華平

(東華大學材料科學與工程學院，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。在聚酯化學組分設計方面，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)的關系相關工作［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，化學純;防醚劑醋酸鈉(NaAc)，江陰華宏化纖有限公司，化學純;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 實驗儀器與設備

YG777A型全自動通風式快速恒溫烘箱，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)入第一酯化反應器;在245～250℃下反應，等酯化水達到98%酯化率出水量后，轉(zhuǎn)入第二酯化反應器;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。低真空與高真空都到0時，反應溫度控制在275℃。制備出的共聚酯切片經(jīng)轉(zhuǎn)鼓干燥，干燥工藝設定為105℃干燥4 h后升到140℃干燥12 h。

1.4 熔融紡絲成型

設計短纖維的規(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 纖維基本指標測試

纖維的強度、伸長率、超長、疵點等指標測試按照GB/T 14337—2008《化學纖維 短纖維拉伸性能試驗方法》、GB/T 6503—2008《化學纖維 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纖維的液態(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:

標準大氣條件(20℃，65%RH)下恒溫恒濕48 h，取出并將其放入烘箱中，校正質(zhì)量并以此為標準，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，稱量應在關閉電源后約30 s進行，每次稱量8個試樣不應超過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，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。

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，在標準環(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)到標準溫濕度環(huán)境吸濕過程，標準溫濕度平衡狀態(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。可看到，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

通過化學組分與形態(tài)結(jié)構(gòu)的設計，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，力學強度在4.0 cN/dtex以上，其他指標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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