何 崎， 李軍令， 靳高嶺， 劉 津， 柯福佑， 陳 燁， 王華平

1. 東華大學(xué) 纖維材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201620； 2. 東華大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 201620； 3. 中國(guó)化學(xué)纖維工業(yè)協(xié)會(huì)， 北京 100020)

消費(fèi)者生活品質(zhì)日益提高，對(duì)紡織品的要求也在滿足舒適度的基礎(chǔ)上，向著高附加值方向發(fā)展[1-2]。高卷曲纖維具有良好的蓬松性、彈性、柔軟性、穩(wěn)定性和透氣性，是功能舒適性產(chǎn)品中的重要產(chǎn)品之一。對(duì)于內(nèi)衣、運(yùn)動(dòng)服和夏裝來(lái)說(shuō)，除良好的舒適性外，還要具有優(yōu)良的吸濕排汗性能[3]。并列復(fù)合纖維是利用2種相容性較好的高聚物之間的收縮率差和應(yīng)力差，形成穩(wěn)定的三維螺旋卷曲結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的卷曲彈性及保形性能，在服用纖維上得到廣泛的應(yīng)用。

并列型聚酯基復(fù)合纖維的2個(gè)組分一般具有相容性好、熱收縮差值大等特點(diǎn)。聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚對(duì)苯二甲酸丙二醇酯(PTT)是應(yīng)用最廣泛的復(fù)合雙組分彈性纖維的原料，2個(gè)組分在牽伸及后處理過(guò)程中產(chǎn)生的熱收縮差及應(yīng)力差，使復(fù)合纖維形成具有永久穩(wěn)定的三維螺旋卷曲結(jié)構(gòu)[4-6]，其優(yōu)異的卷曲彈性，在女士?jī)?nèi)衣、絲襪、織帶等彈性織物以及高品質(zhì)褲料、裙料等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

并列復(fù)合纖維的高卷曲性和高彈性回復(fù)性是現(xiàn)在差別化纖維開(kāi)發(fā)與應(yīng)用所注重的，與傳統(tǒng)的氨綸相比，此類并列復(fù)合纖維具有原料成本低、可熔融紡絲、生產(chǎn)效率高、彈性保持持久、耐氯漂、耐老化等優(yōu)勢(shì)[5-8]。但原料之一的PTT成本較高，在大規(guī)模生產(chǎn)上受到限制，所以選用價(jià)格低廉的聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯(PBT)代替PTT，但PBT/PET復(fù)合纖維仍存在卷曲率和卷曲回復(fù)率不足等問(wèn)題，亟需進(jìn)一步提高。通過(guò)共聚改性的方法在PBT中引入大分子鏈四氫呋喃均聚醚(PTMG)柔性鏈段，無(wú)定形的PTMG不僅可以提高復(fù)合纖維的彈性，醚鍵也易與水分子形成氫鍵，從而可進(jìn)一步提升復(fù)合纖維的抗靜電性能[9]，使服用纖維具有高彈保形性能的同時(shí)，保持優(yōu)異的舒適性。為此，本文以聚醚酯(PTMG-PBT)和PET為原料制備并列復(fù)合纖維，研究PTMG質(zhì)量分?jǐn)?shù)及熱處理工藝對(duì)并列復(fù)合纖維親水性能、力學(xué)性能、卷曲性能及染色性能等的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

PET和PBT切片，中國(guó)儀征化纖有限公司；聚醚酯(硬段為PBT，軟段為PTMG，數(shù)均分子量為2 000 g/mol)，上海益彈新材料有限公司，各原料參數(shù)如表1所示。分散藍(lán)2BLN,深圳市德彩顏料化工有限公司。

表1 原料切片基本性能參數(shù)

1.2 并列復(fù)合纖維的制備工藝

將PET、PBT和PTMG-PBT切片在DHJ914型轉(zhuǎn)鼓烘箱中于120 ℃預(yù)結(jié)晶4 h，然后在165 ℃下烘料16 h，使切片中水分控制在0.003%以下。然后，通過(guò)自制的雙螺桿熔融紡絲機(jī)制備得到并列復(fù)合纖維。牽伸溫度為150 ℃，牽伸倍數(shù)為4.5倍。紡絲流程及工藝參數(shù)如圖1和表2所示，所制得的并列復(fù)合纖維規(guī)格如表3所示。

表2 并列復(fù)合纖維紡絲參數(shù)

表3 并列復(fù)合纖維規(guī)格

圖1 并列復(fù)合纖維的制備流程

1.3 測(cè)試與表征

1.3.1 表面水接觸角測(cè)試

首先，采用WZS10D型微型注塑機(jī)制備圓柱形PTMG-PBT聚醚酯樣條；然后，采用OCA 40 Micro型接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)試其水接觸角，每個(gè)待測(cè)樣選取5個(gè)不同點(diǎn)測(cè)試，結(jié)果取平均值。

1.3.2 吸水率與吸濕性能測(cè)試

按照GB/T 21655.2—2019《紡織品 吸濕速干性的評(píng)定 第2部分: 動(dòng)態(tài)水分傳遞法》對(duì)聚醚酯試樣的吸水率與吸濕性能進(jìn)行測(cè)試。吸水率測(cè)試：將樣條在120 ℃干燥24 h后取出稱量，質(zhì)量記為m1，然后浸泡在恒定溫度為25 ℃的去離子水中，24 h后取出稱量，質(zhì)量為m2(均精確至0.1 mg)。吸濕率測(cè)試：另取試樣質(zhì)量為m3，在溫度為25 ℃、相對(duì)濕度為65%的環(huán)境中平衡放置24 h后，取出稱量，質(zhì)量記為m4(均精確至0.1 mg)。通過(guò)下式計(jì)算試樣的吸水率(W)及吸濕率(M)：

W=(m2-m1)/m1×100%

M=(m4-m3)/m3×100%

1.3.3 體積比電阻率測(cè)試

采用ZC-90F型高絕緣電阻測(cè)量?jī)x對(duì)并列復(fù)合纖維的電阻(Rv,Ω)進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)試樣測(cè)試5次計(jì)算平均值，根據(jù)下式計(jì)算復(fù)合纖維的體積比電阻率(ρ):

ρ=RvS/d

式中：S為橫截面積，m2；d為平均厚度，m。

1.3.4 取向性能測(cè)試

采用SCY-Ⅲ型聲速取向儀測(cè)試并列復(fù)合纖維的取向度，預(yù)加張力約為0.1 cN/dtex。

1.3.5 力學(xué)性能測(cè)試

采用XN-1A型氨綸彈性儀測(cè)試并列復(fù)合纖維的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。夾持距離為200 mm，拉伸速度為200 mm/min，每個(gè)樣品分別測(cè)試20次以上取平均值。

1.3.6 沸水收縮率測(cè)試

根據(jù)GB/T 6505—2017《化學(xué)纖維 長(zhǎng)絲熱收縮率試驗(yàn)方法(處理后)》，取一定長(zhǎng)度并列復(fù)合纖維長(zhǎng)度記為L(zhǎng)0，將紗布包好的纖維在恒溫水浴箱中浸泡30 min后，測(cè)試?yán)w維的長(zhǎng)度記為L(zhǎng)1(均精確至0.01 mm)，根據(jù)下式計(jì)算纖維的沸水收縮率(S)：

S=(L0-L1)/L0×100%

1.3.7 卷曲性能測(cè)試

取一定長(zhǎng)度并列復(fù)合纖維固定一端，對(duì)纖維施加輕載荷，此時(shí)纖維長(zhǎng)度為L(zhǎng)2；再給纖維施加重負(fù)荷，記纖維長(zhǎng)度為L(zhǎng)3，保持30 s后除去重負(fù)荷，纖維回復(fù)2 min后記纖維長(zhǎng)度為L(zhǎng)4(均精確至0.01 mm)，按照下式計(jì)算纖維的卷曲率(J)及卷曲回復(fù)率(Jw)：

J=(L3-L2)/L3×100%

Jw=(L3-L4)/L3×100%

為分析干熱處理和濕熱處理對(duì)并列復(fù)合纖維卷曲性能的影響，對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步熱處理。干熱處理：將纖維在不同溫度的鼓風(fēng)烘箱中進(jìn)行干熱處理一定時(shí)間，取出后在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下靜置24 h后進(jìn)行性能測(cè)試。濕熱處理：將紗布包好的纖維在不同溫度的恒溫水浴鍋中濕熱處理不同時(shí)間，取出自然干燥后，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下靜置24 h進(jìn)行性能測(cè)試。

1.3.8 常壓上染率測(cè)試

依據(jù)GB/T 6508—2015《滌綸長(zhǎng)絲染色均勻度試驗(yàn)方法》，按照1∶20的浴比將并列復(fù)合纖維在60 ℃的皂液中煮練20 min，除去表面的油劑。然后，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的分散藍(lán)2BLN染液，采用LambdaA35型紫外分光光度儀測(cè)量其吸光度，記為A0，并測(cè)量溶液的稀釋倍數(shù)，記為N0；將纖維按照1∶50的浴比進(jìn)行常壓沸染60 min，取出纖維后測(cè)量染色后溶液的吸光度，記為Ai，計(jì)算染色后溶液的稀釋倍數(shù)，記為Ni。按照下式計(jì)算纖維的上染率(Y)：

Y=(1-AiNi/A0N0)×100%

2 結(jié)果與討論

2.1 PTMG-PBT聚醚酯的親水性能

圖2示出不同PTMG質(zhì)量分?jǐn)?shù)聚醚酯的水接觸角測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯觯杭働BT的水接觸角為88.12°；加入PTMG后，聚醚酯的水接觸角逐漸降低，當(dāng)PTMG質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55%時(shí)水接觸角最小，為63.81°。這是因?yàn)镻TMG分子鏈中的醚鍵易與水分子結(jié)合形成氫鍵，使PMTG-PBT聚醚酯表面能增大，從而水接觸角降低，親水性能逐漸變好。

圖2 不同PTMG質(zhì)量分?jǐn)?shù)PTMG-PBT的水接觸角

表4示出PBT和PTMG-PBT的吸水與吸濕率及體積比電阻測(cè)試結(jié)果。

表4 PBT和PTMG-PBT的吸水吸濕性及體積比電阻

由表4可以看出，純PBT的吸水吸濕性較差，加入PTMG后聚醚酯的吸水吸濕性變好，體積比電阻下降，吸水率最高可達(dá)4.10%,吸濕率為1.62%，體積比電阻為1.25×1010Ω·cm。這是因?yàn)?PTMG分子鏈中具有親水性能的醚鍵，醚鍵上含有孤對(duì)電子，使通過(guò)質(zhì)子實(shí)現(xiàn)電荷的轉(zhuǎn)移更加容易，對(duì)聚醚酯的吸水吸濕性能具有促進(jìn)作用；同時(shí)，柔性PTMG鏈段的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，PTMG-PBT中無(wú)定形區(qū)的占比增大，分子鏈運(yùn)動(dòng)使得聚醚酯內(nèi)部空隙變多，因此，吸水吸濕性及導(dǎo)電性能得到顯著提升[10-11]。

2.2 取向性分析

圖3示出PTMG-PBT/PET并列復(fù)合纖維的取向因子測(cè)試結(jié)果。可以看出，并列復(fù)合纖維的聲速取向因子隨著PTMG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，PTMG質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至55%時(shí)，取向因子從0.87降低至0.46，降低了約47%。在PTMG-PBT/PET并列復(fù)合纖維中，硬段PBT結(jié)晶微區(qū)規(guī)整度較高，而柔性PTMG鏈段呈無(wú)定形狀態(tài)，PTMG質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，纖維內(nèi)部不規(guī)則的非晶區(qū)含量越大，因此，取向度越低[12]。

圖3 不同PTMG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的并列復(fù)合纖維的取向性能

2.3 力學(xué)性能分析

表5示出PTMG-PBT/PET并列復(fù)合纖維力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果。

表5 并列復(fù)合纖維的力學(xué)性能

由表5可以看出，隨著PTMG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，并列復(fù)合纖維的斷裂強(qiáng)度整體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，當(dāng)PTMG的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55%時(shí)，斷裂強(qiáng)度僅為1.97 cN/dtex，而斷裂伸長(zhǎng)率則呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，最高可達(dá)90.1%。這是因?yàn)楦吣Ａ康腜ET組分對(duì)并列復(fù)合纖維的支撐作用被弱化，而低模量的PTMG-PBT組分逐漸起到主導(dǎo)作用。

2.4 沸水收縮率分析

圖4示出PTMG-PBT/PET并列復(fù)合纖維的沸水收縮率隨PTMG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化?？梢钥闯觯⒘袕?fù)合纖維的沸水收縮率隨著PTMG的加入明顯升高，最高可達(dá)20%。這是因?yàn)槿嵝枣湺蜳TMG的增加使并列復(fù)合纖維中非晶區(qū)增加，在較高溫度下無(wú)定形區(qū)受熱易發(fā)生解取向，纖維發(fā)生熱收縮從而使沸水收縮率提高[13]。

2.5 卷曲性能分析

并列復(fù)合纖維的雙組分在經(jīng)過(guò)牽伸取向后，由于雙組份不同的取向產(chǎn)生的應(yīng)力差賦予了纖維卷曲結(jié)構(gòu)。圖5示出不同PTMG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PTMG-PBT/PET并列復(fù)合纖維的卷曲率?？芍琍TMG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加賦予了并列復(fù)合纖維更好的卷曲率，最高可達(dá)到48%。

圖5 不同PTMG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的并列復(fù)合纖維的卷曲率

并列復(fù)合纖維的2個(gè)組分在受熱時(shí)熱收縮率不同，在熱處理過(guò)程中，復(fù)合纖維內(nèi)部的熱收縮應(yīng)力能夠得到充分釋放，從而獲得更加穩(wěn)定的三維卷曲結(jié)構(gòu)，是提高并列復(fù)合纖維卷曲性能的重要方法，熱處理可分為干熱處理和濕熱處理[14]。圖6示出干熱處理工藝對(duì)不同PTMG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的并列復(fù)合纖維卷曲性能的影響。由圖6(a)可知，當(dāng)干熱處理溫度上升時(shí)，并列復(fù)合纖維的卷曲率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。這表明并列復(fù)合纖維在后期熱處理過(guò)程中，PET纖維和PTMG-PBT纖維在100 ℃的收縮差達(dá)到最大值，從而表現(xiàn)出最好的卷曲性能。由圖6(b)可知，并列復(fù)合纖維的卷曲率隨著干熱處理時(shí)間的增加先升高后下降。綜上，PTMG-PBT/PET并列復(fù)合纖維在100 ℃的干熱處理?xiàng)l件下處理5 min，卷曲性能達(dá)到最佳，其卷曲率為65%，卷曲回復(fù)率為52%。

圖6 干熱處理對(duì)并列復(fù)合纖維卷曲性能的影響

圖7示出PTMG-PBT45/PET并列復(fù)合纖維在100 ℃不同熱處理工藝下的卷曲性能?？梢钥闯觯瑥?fù)合纖維的卷曲性能隨著熱處理時(shí)間的增大先提升后下降，且濕熱條件下更利于纖維卷曲性能的提升。當(dāng)濕熱處理5 min時(shí)，并列復(fù)合纖維的卷曲率及卷曲回復(fù)率達(dá)到最高值，分別為70%和55%。在相同溫度下，水分子比空氣具有更高的能量，更有利于并列復(fù)合纖維吸收能量釋放內(nèi)應(yīng)力，賦予纖維更好的卷曲性能[11]。

圖7 不同熱處理下并列復(fù)合纖維的卷曲性能

2.6 纖維的染色性能

并列復(fù)合纖維因其特殊的三維螺旋卷曲結(jié)構(gòu)及優(yōu)異的卷曲彈性，在染色時(shí)溫度不宜設(shè)置過(guò)高。圖8示出不同并列復(fù)合纖維常壓沸染的上染率測(cè)試結(jié)果。

圖8 不同PTMG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的并列復(fù)合纖維的上染率

由圖8可以看出：不含PTMG的并列復(fù)合纖維的上染率僅為84.12%；隨著PTMG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，并列復(fù)合纖維的上染率逐漸上升，當(dāng)PTMG質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55%時(shí)，上染率最高，為93.25%，較PBT/PET并列復(fù)合纖維高12%。這是因?yàn)樵谳^高溫度下，柔性PTMG鏈段的加入提升了纖維無(wú)定形區(qū)含量，分子鏈運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生大量的瞬間孔隙，與醚鍵具有良好親和性的染料分子能夠更好地?cái)U(kuò)散進(jìn)入到纖維內(nèi)部，使纖維上染率提高[15]。

3 結(jié) 論

以聚醚酯(PTMG-PBT)和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)為原料通過(guò)熔融紡絲制備了一系列添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)PTMG的并列復(fù)合纖維，研究了PTMG質(zhì)量分?jǐn)?shù)及熱處理對(duì)聚醚酯及其并列復(fù)合纖維親水性能、卷曲性能和染色性能的影響，得到如下主要結(jié)論。

1)PTMG的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，PTMG-PBT聚醚酯的親水性能越好，水接觸角越小，其中當(dāng)PTMG質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55%時(shí)，吸水率為4.10%，吸濕率為1.62%，接觸角為63.81°，體積比電阻為1.25×1010Ω·cm。

2)并列復(fù)合纖維的卷曲性能隨著PTMG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加；熱處理能夠進(jìn)一步提升纖維的性能，在100 ℃下濕熱處理5 min，PTMG質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55%的PTMG-PBT/PET的并列復(fù)合纖維的卷曲率可達(dá)70%，卷曲回復(fù)率可達(dá)55%。

3)在常壓沸染下，PTMG-PBT/PET并列復(fù)合纖維的上染率隨著PTMG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加，上染率最高可達(dá)93.25%。