抗菌PTT POY的結(jié)構(gòu)與性能研究

沈金科，巫曉華，錢 楊，蔣佳莉，王秀華

(浙江理工大學(xué)紡織纖維材料與加工技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310018)

隨著人們生活水平的提高，對(duì)織物的健康衛(wèi)生功能提出了更高的要求，例如織物的抗菌性、阻燃性、抗紫外性、抗靜電性等?？咕椢锟梢酝ㄟ^織物后整理和直接使用抗菌纖維的方法進(jìn)行生產(chǎn)，后者具有抗菌效果更持久的優(yōu)點(diǎn)?？咕w維的制備方法很多，其中通過添加抗菌劑與原料熔融共混紡絲，使抗菌劑均勻分布在纖維中，是目前常用的制備方法［1］。聚對(duì)苯二甲酸丙二醇酯(PTT)纖維是一種新型化纖材料，具有優(yōu)良的回彈性、柔軟性和染色性等，已廣泛應(yīng)用于紡織服裝、地毯等領(lǐng)域［2］。目前對(duì)于滌綸、丙綸、錦綸等抗菌纖維的研究已有較多報(bào)道［3－5］，而對(duì)于 PTT抗菌纖維的研究報(bào)道則較少。

作者采用母粒添加法，將抗菌母粒和PTT切片共混熔融擠出，在一定紡絲速度下，通過改變泵供量，制得不同規(guī)格的抗菌 PTT預(yù)取向絲(POY)。重點(diǎn)探討了抗菌劑的加入及工藝條件對(duì)抗菌PTT POY的結(jié)晶、取向、熱性能以及力學(xué)性能的影響，為抗菌PTT纖維的研究開發(fā)提供一定的參考和借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料與設(shè)備

PTT 切片:特性黏數(shù)(［η ］)為 1.05 dL/g，美國杜邦公司生產(chǎn);抗菌母粒:銀系抗菌劑(NOVARON AGT330)，日本SR商事株式會(huì)社提供;一位紡絲試驗(yàn)機(jī):浙江古纖道股份有限公司提供。

1.2 PTT POY試樣的制備

將PTT切片和抗菌母粒在120～140℃下干燥12 h，使其含水率低于30 μg/g?？咕噶Ｍㄟ^計(jì)量裝置在螺桿擠壓機(jī)入口加入，添加抗菌母粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%。紡絲時(shí)螺桿擠壓機(jī)各區(qū)溫度為275～285℃，紡絲箱體溫度為273～275℃，側(cè)吹風(fēng)風(fēng)速為0.4 m/min，紡絲速度為2 800 m/min。通過調(diào)節(jié)泵供量，紡制不同規(guī)格的PTT POY試樣，其中噴絲頭拉伸比是紡絲速度與噴絲孔噴出速度之比。

PTT POY試樣的具體工藝條件見表1。

表1 不同工藝條件制得的PTT POY試樣Tab.1 PTT POY samples prepared under different process conditions

1.3 測(cè)試及表征

差示掃描量熱(DSC)分析:采用梅特勒-托利多公司的DSC-1型差示掃描量熱儀測(cè)試，氮?dú)獗Ｗo(hù)，升溫速率為10℃/min，溫度為30～280℃。結(jié)晶度(Xc)按以下公式計(jì)算:

式中:△Hc為冷結(jié)晶放熱焓;△Hm為試樣的熔融吸熱焓;△H0為完全結(jié)晶聚合物的熔融焓，對(duì)于PTT，△H0為 145.63 J/g［6］。

體積結(jié)晶度(Vc):采用密度梯度法測(cè)試。以正庚烷和四氯化碳為混合溶劑配置密度梯度管，在25℃恒溫水浴中測(cè)定纖維小球的密度。Vc按以下公式計(jì)算:

式中:ρ為所測(cè)纖維密度，ρa(bǔ)為非晶密度，為1.295 g/cm3;ρc為晶區(qū)密度，為 1.432 g/cm3［7］。

雙折射(△n):在江南光學(xué)儀器廠的XPT-6型偏光顯微鏡上，采用色那蒙補(bǔ)償法測(cè)定補(bǔ)償角(θ)，纖維截面干涉環(huán)數(shù)(n)，利用伯拉莫(上海)精密儀器有限公司的XTL101-B-XY顯微鏡和上海力華儀器制造有限公司的MCu-15型測(cè)微目鏡測(cè)得纖維直徑(d)，并按照公式(3)計(jì)算纖維的△n:

式中:λ為鈉光燈波長。

聲速取向:采用杭州富陽電表廠的SCY-Ⅲ聲速取向儀測(cè)試。隨機(jī)抽取一定數(shù)量的纖維試樣，分別測(cè)定每個(gè)試樣在20 cm和40 cm處聲速傳播的時(shí)間，并計(jì)算出取向因子(fs)，取PTT纖維的聲速值(Cu)為 1.341 km/s。

沸水收縮率:按GB/T 6505—2008測(cè)試。

斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率:按照GB/T 14344—2008在東華大學(xué)的XL-2型紗線強(qiáng)伸度儀上進(jìn)行測(cè)試。

抗菌性能:按照GB/T 20944.1—2007和GB/T 20944.3—2008進(jìn)行測(cè)試，選擇金黃色葡萄球菌和大腸桿菌為菌種對(duì)抗菌PTT POY進(jìn)行抗菌性能評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)晶性能

圖1為試樣的DSC升溫曲線，有關(guān)熱性能數(shù)據(jù)見表2。從圖1和表2可看出，與不加抗菌劑的0#試樣比較，隨著抗菌劑的加入，3#試樣的Xc從34.9%下降到29.9%，過熱程度冷結(jié)晶溫度(Tc)與玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)的差值(△Th)從6.42℃增加到了8.22℃?！鱐h值用于表征聚合物的結(jié)晶能力，其值越小，結(jié)晶能力越強(qiáng)。說明抗菌母粒的加入破壞了PTT分子鏈的規(guī)整度，降低了其結(jié)晶能力和Xc。

圖1 PTT POY的DSC曲線Fig.1 DSC curves of PTT POY

從表2還可看出，隨著PTT POY線密度下降，即噴絲頭拉伸比的增加，纖維的Tg略有增加，Tc降低，△Th值減小、Xc提高。這是由于隨著噴絲頭拉伸比的增加，絲條所受的拉伸應(yīng)力增加，應(yīng)力誘導(dǎo)結(jié)晶，使POY的Xc提高。Xc的提高，無定形區(qū)的鏈段運(yùn)動(dòng)受到束縛，使鏈段開始運(yùn)動(dòng)的溫度提高，表現(xiàn)出Tg有增大的趨勢(shì);隨Xc的提高，纖維可在比較低的溫度下開始冷結(jié)晶，即Tc，△Th出現(xiàn)下降趨勢(shì)［8］。

表2 PTT POY的熱性能Tab.2 Thermal properties of PTT POY

從表3可見，密度梯度法所測(cè)Vc與上述DSC法得到的Xc呈現(xiàn)相同的規(guī)律，即抗菌劑的加入，試樣的Vc下降，而隨著噴絲頭拉伸比的增加，抗菌纖維Vc有所增加。

表3 PTT POY的VcTab.3 Vcof PTT POY

2.2 取向性能

從表4可見，對(duì)于相同規(guī)格的PTT POY，抗菌劑的加入使POY的fs由未加抗菌劑時(shí)的0.158增加到0.169，△n 也從0.053 1 增加到0.053 9，這可能是因?yàn)樵诔跎w維的成形過程中，無機(jī)抗菌小顆粒增加了分子間距，起到了潤滑作用，有利于大分子發(fā)生取向;隨著噴絲頭拉伸比的增加，fs和△n都呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。這是由于在紡絲速度不變的情況下，噴絲頭拉伸比越大，絲條形變?nèi)∠蛟酱?，初生纖維的取向度也越高，所以取向度隨噴絲頭拉伸比增大而增大［9］。

表4 PTT POY的△n和fsTab.4 △n and fsof PTT POY

2.3 物理性能

從表5可見，隨著噴絲頭拉伸比的增加，纖維沸水收縮率下降。這是因?yàn)閲娊z頭拉伸比增加，雖然纖維的總?cè)∠蚨仍黾?，但同時(shí)Xc也增加，使得實(shí)際非晶區(qū)的取向反而減小。因此，纖維的沸水收縮率出現(xiàn)下降［10］?？咕鷦┑募尤雽?duì)沸水收縮率的影響較小。

表5 PTT POY的物理性能Tab.5 Physical properties of PTT POY

從表5還可看出，隨著抗菌劑的加入，抗菌劑中的微粒影響了分子鏈間的纏結(jié)、降低了分子間的作用力，使POY的斷裂伸長和斷裂強(qiáng)度都有所下降;隨著噴絲頭拉伸比的增加，抗菌PTT POY斷裂伸長率下降，斷裂強(qiáng)度增加，這與前節(jié)中隨著噴頭拉伸比的增加，Xc，fs變化規(guī)律相一致。

2.4 抗菌性能

抗菌PTT纖維中所加入的抗菌劑是高效銀系抗菌劑，對(duì)廣譜生物菌類都有很好的抑菌效果。當(dāng)細(xì)菌和病毒接觸纖維表面時(shí)，抗菌劑中的有效成分Ag+能穿透帶負(fù)電的細(xì)菌細(xì)胞壁，迅速與細(xì)菌體內(nèi)酶蛋白上的巰基、氨基等結(jié)合，破壞蛋白質(zhì)和核酸的正常結(jié)構(gòu)，造成微生物死亡或喪失繁殖能力從而達(dá)到抑菌和殺菌作用［11］。

選用3#抗菌PTT POY，采用瓊脂平皿擴(kuò)散法和振蕩法對(duì)其進(jìn)行定性和定量的抗菌性能測(cè)試。圖2的定性測(cè)試結(jié)果顯示，抗菌纖維試樣對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌帶寬度分別為3.2，1.5 mm，均大于1 mm，且試樣下面無細(xì)菌繁殖，抗菌效果較好。定量測(cè)試結(jié)果得到抗菌纖維對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率分別為88.9%和94.4%，說明加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%抗菌母粒后，改性PTT纖維具有良好的抗菌效果。

圖2 抗菌PTT POY的抗菌效果Fig.2 Antimicrobial effects of antibacterial PTT POY

3 結(jié)論

a.相同規(guī)格的PTT POY，隨抗菌母粒的加入，初生纖維的Xc降低，取向度略有上升，同時(shí)斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率都有所下降，但對(duì)沸水收縮率的影響較小。

b.在紡絲速度一定時(shí)，隨著噴絲頭拉伸比增加，抗菌POY的Tg略有升高，Tc降低，△Th減小，Xc提高，纖維的總?cè)∠蚨仍黾?隨著噴絲頭拉伸比的增加，纖維的沸水收縮率降低，斷裂伸長率降低，斷裂強(qiáng)度增加。

c.制得的抗菌POY具有較好的抗菌性能，對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌都具有良好的抑菌效果。

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