熔紡氨綸結(jié)構(gòu)和性能的研究

劉偉時(shí)，薛孝川，司徒建崧，肖水波

(廣東省化學(xué)纖維研究所，廣東 廣州 510245)

氨綸應(yīng)用于織物中能顯著地提高織物的彈性及尺寸穩(wěn)定性，用氨綸彈力織物制成的服裝，穿著時(shí)保形性良好且舒適合體，因此氨綸作為高彈性纖維越來越普遍在棉、毛、絲及合成纖維等各種面料及服裝中使用。熔融紡絲法生產(chǎn)的氨綸(簡(jiǎn)稱熔紡氨綸)是一種功能性、差別化纖維，相對(duì)于干法紡絲生產(chǎn)的氨綸(簡(jiǎn)稱干紡氨綸)，其生產(chǎn)工藝流程簡(jiǎn)單、設(shè)備投資低、生產(chǎn)效率高，易于實(shí)現(xiàn)氨綸的高速化和細(xì)旦化，生產(chǎn)過程中無須使用溶劑，纖維產(chǎn)品不含溶劑殘留物，屬于健康環(huán)保的綠色纖維，是今后氨綸纖維發(fā)展的主要品種[1]。

如今，“無氨不成布”的理念越來越深入，有關(guān)氨綸纖維的研究論文和成果也屢見于報(bào)刊雜志，但多限于干紡氨綸，對(duì)于熔紡氨綸的研究報(bào)道不多，從微觀結(jié)構(gòu)上研究熔紡氨綸的論文更是少見[2]。本文采用紅外光譜和熱分析方法，研究了熔紡氨綸的分子結(jié)構(gòu)并與TPU切片、干紡氨綸的結(jié)果進(jìn)行了比較、分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

熱塑性聚氨酯(TPU)切片(2180A，巴斯夫)，交聯(lián)劑(PLP9206，巴斯夫)，干紡氨綸(Lycra,22.2 dtex,英威達(dá))，熔紡氨綸A(22.2 dtex，自紡)。

1.2 儀器與實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 紅外光譜分析(FTIR)測(cè)試

按照GB/T 6040-2002紅外光譜分析法通則，采用德國(guó)布魯克公司Vector 33 型傅里葉變換紅外光譜儀測(cè)試試樣紅外吸收曲線。測(cè)試試樣采用KBr壓片，背景掃描16次，樣品掃描16次，掃描范圍：4 000 ～400 cm-1。

1.2.2 差示掃描量熱法(DSC)測(cè)試

采用美國(guó)TA 公司全自動(dòng)差示掃描量熱儀DSC Q20測(cè)定試樣DSC曲線，在N2氣氛條件下進(jìn)行，升溫速率10 ℃/min,設(shè)定溫度范圍：-70～300 ℃，往返掃描兩次。

1.2.3 熱重分析(TG-DTG)測(cè)試

采用美國(guó)TA 公司熱失重分析儀 TGA Q5000測(cè)定試樣TG-DTG曲線，分析試樣耐熱性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 FTIR光譜分析

圖1中，(a)、(b)、(c)、(d)分別為干紡氨綸Lycra、本實(shí)驗(yàn)所用的TPU切片、交聯(lián)劑及自紡熔紡氨綸A紅外吸收曲線圖。

圖1 紅外光譜圖

2.2 DSC分析

圖2(a)、2(b)、2(c)分別為干紡氨綸Lycra、TPU切片和熔紡氨綸A的DSC分析曲線。

(a) Lycra

(b) TPU切片

(c) 熔紡氨綸A

從圖2(a)可知，Lycra曲線在冷卻降溫(退火)過程中在-13～-14 ℃附近存在結(jié)晶峰，第二次升溫掃描過程中在21～22 ℃附近有結(jié)晶熔融峰，而圖2(b)TPU切片、圖2(c)熔紡氨綸A曲線上結(jié)晶峰不明顯，說明干紡氨綸軟段存在明顯結(jié)晶現(xiàn)象，TPU切片和熔紡氨綸軟段結(jié)晶現(xiàn)象不明顯，這是因?yàn)樵谌奂彴本]A中TPU切片與交聯(lián)劑反應(yīng)形成交聯(lián)點(diǎn)，使具有長(zhǎng)折疊周期的片晶的生長(zhǎng)受到限制，使尺寸大的結(jié)晶生長(zhǎng)受到限制。同時(shí)，Lycra曲線中的Tg(玻璃化溫度)要比熔紡氨綸A曲線低，說明干紡氨綸微相分離程度要比熔紡氨綸高。對(duì)比TPU切片、熔紡氨綸A曲線，TPU切片曲線第一次升溫掃描時(shí)在143.09 ℃處有熔融峰，退火后第二次升溫掃描時(shí)此峰消失，熔紡氨綸A曲線上始終沒有此峰出現(xiàn)，說明TPU切片硬段中存在局部有序排列或微晶，它經(jīng)熔融交聯(lián)后，硬段中引入了化學(xué)交聯(lián)鍵，破壞了硬段的規(guī)整性，加上交聯(lián)鍵的空間位阻作用，使得硬段中遠(yuǎn)程有序結(jié)構(gòu)或者結(jié)晶被破壞，所以熔紡氨綸的DSC曲線中沒有熔融峰；TPU切片曲線上第二次升溫時(shí)熔融峰消失，是因?yàn)榈谝淮紊郎刂?00 ℃的過程中，TPU切片發(fā)生了熔融流動(dòng)，改變了分子的聚集狀態(tài)。同時(shí)從兩者曲線上可以看出，熔紡氨綸A曲線上所示的Tg要比TPU切片曲線中低7 ℃左右，說明交聯(lián)鍵引入后，熔紡氨綸中微相分離程度變大[5]。

2.3 TG-DTG分析

圖3(a)、3(b)分別為TPU切片和熔紡氨綸A的TG-DTG曲線圖。

從圖3可知，3(b)熔紡氨綸A圖中TG曲線上5%、10%、50%失重溫度和DTG曲線上最大分解速率所對(duì)應(yīng)的溫度都要比3(a)TPU切片圖中高5～15 ℃，說明交聯(lián)熔融反應(yīng)后，熔紡氨綸的各項(xiàng)特征熱分解溫度都有提高，熱穩(wěn)定性得到了改善。

(a) TPU切片

(b) 熔紡氨綸A

3 結(jié)論

(1)干紡氨綸FTIR曲線上存在較強(qiáng)的脲基伸縮振動(dòng)峰，而熔紡氨綸FTIR曲線上沒有此峰，說明干紡氨綸大分子鏈結(jié)構(gòu)中存在大量脲基。

(2)與TPU切片相比，熔紡氨綸FTIR曲線中N—H、C—H吸收峰位置向高波數(shù)方向移動(dòng)，且吸收較弱，這是因?yàn)門PU切片與交聯(lián)劑在熔融狀態(tài)下發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，生成的大分子內(nèi)化學(xué)交聯(lián)鍵使得氫鍵化官能團(tuán)和硬段區(qū)的有序規(guī)整度遭到破壞，氫鍵作用減弱。

(3)DSC曲線上，熔紡氨綸的Tg高于干紡氨綸，低于TPU切片，說明熔紡氨綸微相分離程度比干紡氨綸低，在引入交聯(lián)鍵后，微相分離程度變大。

(4)TG-DTG曲線上，熔紡氨綸的失重溫度和最大分解速率所對(duì)應(yīng)的溫度都比TPU切片高，說明熔融交聯(lián)反應(yīng)后，熔紡氨綸的各項(xiàng)特征熱分解溫度都有所提高，熱穩(wěn)定性得到了改善。

[1]韓秀山.熔紡氨綸的優(yōu)勢(shì)和生產(chǎn)發(fā)展現(xiàn)狀[J].精細(xì)化工原料及中間體，2008(6)：39-40.

[2]顧超英.國(guó)內(nèi)外氨綸市場(chǎng)現(xiàn)狀及中國(guó)氨綸行業(yè)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析[J].聚氨酯，2007(11)：84-92.

[3]曾幸榮.高分子近代測(cè)試分析技術(shù)[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，2007：52-70.

[4]李杰妹，黃瑞，呂小紅，等.傅里葉變換紅外光譜技術(shù)在聚氨酯行業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)展[J].化學(xué)推進(jìn)劑與高分子材料，2008，6(6)：30-38.

[5]郭大生，王文科.熔紡聚氨酯纖維[M].北京：中國(guó)紡織出版社，2003：423-436.