堿處理對(duì)異形截面聚酯紗線芯吸效應(yīng)及強(qiáng)力的影響

張 琳， 武海良， 沈艷琴， 毛寧濤,2

(1. 西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710048；2. 英國(guó)利茲大學(xué) 設(shè)計(jì)學(xué)院， 英國(guó) 利茲 LS2 9JT)

異形截面聚酯纖維由于導(dǎo)濕性好，被廣泛應(yīng)用于制作吸濕快干內(nèi)衣、吸濕涼爽夏季織物和運(yùn)動(dòng)服等[1-3]，為功能性紡織品的開(kāi)發(fā)創(chuàng)造了優(yōu)越的條件。異形截面聚酯纖維截面有多條異形細(xì)微溝槽，可有效地將肌膚表面的汗水和濕氣瞬間吸收并快速傳輸至表面，達(dá)到吸濕快干和吸濕涼爽的效果。異形截面聚酯纖維織物需要經(jīng)退漿處理，以滿足印染的要求。目前退漿的方式主要有堿退法、酶退法、氧化劑退法及酸退法。由于異形截面聚酯纖維漿紗或漿絲時(shí)通常采用聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯酸酯及聚酯漿料，對(duì)于這類(lèi)漿料，退漿時(shí)通常采用堿法退漿工藝。退漿過(guò)程中堿會(huì)影響聚酯纖維的性能，因此堿對(duì)聚酯纖維性能的影響一直是研究的熱點(diǎn)[4-6]。

許多研究結(jié)果表明，堿處理對(duì)聚酯微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能具有很大的影響[7-8]，如有文獻(xiàn)[9]研究了堿對(duì)聚酯纖維復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)堿在一定程度上可有效破壞復(fù)合材料的力學(xué)性能；劉越等[10]探討了堿水解對(duì)改性聚酯纖維性能的影響，得出適當(dāng)?shù)膲A處理有助于水分子在纖維間的傳遞；王維明等[11]對(duì)中空聚酯短纖維的耐堿性及力學(xué)性能進(jìn)行了探討，發(fā)現(xiàn)堿濃度適中時(shí)可保留聚酯纖維原有的中空結(jié)構(gòu)；梁必超等[12]研究了酸堿對(duì)聚酯/聚酰胺纖維性能的影響，指出聚酯纖維耐堿性差。這些研究均得出一致的結(jié)論：堿處理對(duì)聚酯纖維紗線的性能影響很大，但目前研究大多集中在堿對(duì)紗線力學(xué)方面的影響上，對(duì)堿處理后水分子在紗線中的傳遞機(jī)制，尤其是堿量如何保證紗線芯吸效應(yīng)和力學(xué)性能的一致方面的研究較少。

本文從退漿方式及要求出發(fā)，系統(tǒng)研究堿處理前后異形截面聚酯纖維表面形態(tài)變化、芯吸效應(yīng)、潤(rùn)濕性及強(qiáng)力的變化情況，以期為制定異形截面聚酯纖維織物退漿工藝以及對(duì)漿料的選擇提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與儀器

實(shí)驗(yàn)材料：異形截面聚酯纖維(Coolsmart纖維，1.34 dtex)、異形截面聚酯紗線(Coolsmart紗線，19.1 tex)，南通雙弘紡織有限公司；NaOH(化學(xué)純)，北京益利精細(xì)化學(xué)品有限公司。

實(shí)驗(yàn)儀器：HH-6型恒溫水浴鍋(金壇市國(guó)旺實(shí)驗(yàn)儀器廠)、60SXR型傅里葉變換紅外光譜儀(美國(guó)尼高力儀器公司)、Quanta 600 FEG型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(美國(guó)FEI公司)、HD021 N型電子單紗強(qiáng)力儀(南通宏大實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)、LLY-06EDC型電子單纖維強(qiáng)力儀(萊州市電子儀器有限公司)、YG(B)871型毛細(xì)管效應(yīng)測(cè)定儀(溫州際高檢測(cè)儀器有限公司)、OCA20型全自動(dòng)單一纖維接觸角測(cè)量?jī)x(德國(guó)Dataphysics Instruments GmbH公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1堿處理工藝

稱(chēng)取一定量的異形截面聚酯纖維紗線，分別配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、4%、6%、8%的NaOH溶液，浴比為1∶30，水浴加熱至100 ℃，將紗線浸漬在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的堿液中，保溫處理60 min，處理后的紗線用蒸餾水洗凈，直至紗線附著液的pH值為6～7，在40 ℃條件下烘干后進(jìn)行性能測(cè)試。

1.2.2異形截面聚酯纖維的結(jié)構(gòu)表征

制取粉末試樣，采用傅里葉變換紅外光譜儀測(cè)試異形截面聚酯纖維結(jié)構(gòu)，根據(jù)紅外光譜中吸收峰的強(qiáng)度、位置和形狀，確定纖維的化學(xué)組成[13]；為觀察纖維表面形態(tài)，用導(dǎo)電膠將樣品固定在樣品臺(tái)上，經(jīng)真空噴金處理后，采用掃描電子顯微鏡分析異形截面聚酯纖維的表面形態(tài)[14]。

1.2.3異形截面聚酯紗線性能測(cè)試

斷裂強(qiáng)力：在電子單紗強(qiáng)力儀上進(jìn)行測(cè)試，夾口間隔距為500 mm，拉伸速度為500 mm/min，每組測(cè)試30次，取平均值。

芯吸效應(yīng)：按照FZ/T 01071—2008《紡織品 毛細(xì)效應(yīng)試驗(yàn)方法》，采用毛細(xì)管效應(yīng)測(cè)定儀測(cè)量異形截面聚酯紗線的毛細(xì)高度[15]。

芯吸速率的計(jì)算公式為

式中：v為芯吸速率，cm/min；h為芯吸高度，cm；t為達(dá)到該芯吸高度的時(shí)間，min。

接觸角測(cè)量：實(shí)驗(yàn)過(guò)程中以三級(jí)水為測(cè)試液。采用座滴法，用全自動(dòng)單一纖維接觸角記錄水滴在紗線中的鋪展過(guò)程，并采用橢圓法對(duì)水滴的形態(tài)進(jìn)行分析，得到初始表觀接觸角[16]。

2 結(jié)果與討論

2.1 異形截面聚酯纖維紅外光譜分析

圖1 異形截面聚酯纖維與紗線的紅外光譜圖Fig.1 FT-IR of profiled polyester fiber and yarn

2.2 異形截面聚酯纖維表面形態(tài)

圖3 堿處理后異形截面聚酯紗線芯吸高度及芯吸速率Fig.3 Wicking height (a) and wicking rate (b) of profiled polyester yarn after alkali treatment

異形截面聚酯纖維的表面形態(tài)如圖2所示?？梢?jiàn)，異形截面聚酯纖維的橫截面為“十”字形，沿纖維縱向有四道溝槽，縱向溝槽起到毛細(xì)管作用，為水分的遷移提供通道，使異形截面聚酯纖維及紗線具有芯吸效應(yīng)，賦予了異形截面聚酯纖維織物吸濕涼爽和吸濕快干的性能。聚酯在聚合過(guò)程中會(huì)形成聚合度為2～10的低聚物，在紡絲過(guò)程中高熔點(diǎn)的環(huán)狀低聚物容易沉積在纖維的表面，如圖2(b)所示。異形截面聚酯纖維溝槽處會(huì)被低聚物填塞，影響水分子在纖維芯吸管道中的傳輸；在漿紗或漿絲時(shí)漿料填充在纖維溝槽中，退漿不凈時(shí)亦會(huì)堵塞水分子遷移通道，阻礙水分子的快速擴(kuò)散，造成織物的吸濕涼爽性、吸濕快干性能下降。

圖2 異形截面聚酯纖維表面形態(tài)(×5 000)Fig.2 Morphology structure of profiled polyester fiber(×5 000). (a) Cross section structure; (b)Longitudinal structure

2.3 堿處理對(duì)紗線芯吸高度的影響

圖3示出不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)堿處理后異形截面聚酯紗線芯吸高度及芯吸速率與芯吸時(shí)間的變化情況?？梢钥闯觯瑝A處理后異形截面聚酯紗線的芯吸高度和芯吸速率高于未處理紗線的芯吸高度和芯吸速率，堿處理后紗線的水分傳導(dǎo)速度要比未處理紗線的水分傳導(dǎo)速度快，這是由于在紡絲過(guò)程中齊聚物填塞于異形截面聚酯纖維溝槽處，影響了水分子在纖維芯吸管道的傳輸。聚酯纖維結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)處的堿水解速度較快，這是堿減量的作用點(diǎn)，通過(guò)堿水解使異形截面聚酯纖維溝槽處的齊聚物得到清理，從而使得異形截面聚酯紗線的芯吸性能提高、芯吸速率加快。從圖3還可看出，當(dāng)堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，紗線的芯吸效應(yīng)最好。不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)堿液對(duì)異形截面聚酯纖維處理后纖維表面狀態(tài)如圖4所示。

圖4 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)堿處理后異形截面聚酯纖維的表面結(jié)構(gòu)(×10 000)Fig.4 Surface structure characteristics of profiledd polyester fiber treated with alkali of different concentrations(×10 000).(a) Profiled polyester fiber; (b) Treated with 2% alkali; (c) Treated with 4% alkali; (d) Treated with 6% alkali; (e) Treated with 8% alkali

圖5 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)堿處理后紗線與水滴接觸時(shí)的初始形態(tài)Fig.5 Appearance of initial contact between yarn and water drop treated with alkali of different concentrations. (a) Profiled polyester yarn; (b) Treated with 2% alkali; (c) Treated with 4% alkali; (d) Treated with 6% alkali; (e) Treated with 8% alkali

當(dāng)堿液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在4%以下時(shí)，堿液不能完全去除纖維溝槽中的低聚物(見(jiàn)圖4(b))；當(dāng)堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，纖維溝槽中的低聚物被清理干凈，溝槽光滑，水分傳遞阻力減小(見(jiàn)圖4(c))，芯吸高度增加；當(dāng)堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)6%時(shí)，堿液對(duì)纖維溝槽表面刻蝕，纖維表面出現(xiàn)凹凸不平的裂痕，致使溝槽表面不光滑(見(jiàn)圖4(d)、(e))，水分傳輸阻力增大，相對(duì)于堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)在4%時(shí)其芯吸高度減小。由此可知，對(duì)異形截面聚酯織物進(jìn)行退漿處理時(shí)，堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)在4%時(shí)為宜。

2.4 堿處理對(duì)紗線潤(rùn)濕性的影響

圖5示出不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)堿處理后紗線與水滴的初始接觸形態(tài)。圖6示出經(jīng)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)堿處理后紗線與水滴的初始表觀接觸角。

圖6 堿處理前后紗線與水滴的接觸角Fig.6 Contact angle between water and profiled polyester yarn before and after alkali treatment

從圖6可以看出，經(jīng)堿處理后，紗線潤(rùn)濕性變好，紗線與水滴的接觸角變小。這是因?yàn)楫愋谓孛婢埘ダw維化學(xué)結(jié)構(gòu)為聚酯，聚酯在堿溶液中加熱會(huì)發(fā)生水解，水解過(guò)程如圖7所示。

圖7 聚酯纖維與NaOH溶液的化學(xué)反應(yīng)Fig.7 Chemical reaction of polyester fibers with NaOH solution

堿處理后使纖維上的酯鍵斷開(kāi)，引入了親水基團(tuán)——羧基和羥基，改善了異形截面聚酯纖維紗線的潤(rùn)濕性。堿液中的OH-水解了纖維表面結(jié)構(gòu)較疏松的非結(jié)晶區(qū)域和有缺陷的結(jié)晶區(qū)域，纖維表面出現(xiàn)樹(shù)狀溝槽和凹坑甚至破損(如圖4(d)、(e))，使異形截面聚酯纖維結(jié)構(gòu)變得更加松散，相對(duì)于未處理的原紗更有利于水分子對(duì)紗線的潤(rùn)濕，堿處理后異形截面聚酯紗線的潤(rùn)濕性比處理前明顯提高。

2.5 堿處理對(duì)紗線強(qiáng)力的影響

將異形截面聚酯紗線分別在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%、4%、6%、8%的高溫堿液中處理60 min后，其強(qiáng)力及伸長(zhǎng)率變化如圖8所示?？梢钥闯?，堿會(huì)損傷異形截面聚酯紗線的強(qiáng)力及伸長(zhǎng)性能。堿液破壞了纖維大分子苯環(huán)之間的作用以及未取向部分極性酯鍵的作用。纖維在堿性溶液中形成酯鍵的離子化形式，大分子發(fā)生水解，纖維表面出現(xiàn)了凹凸不平的斑痕和坑穴(見(jiàn)圖4(d)、(e))，受到外力作用時(shí)應(yīng)力集中到取向的主鏈上，使共價(jià)鍵破壞。隨著分子間作用力及共價(jià)鍵的不斷破壞，造成紗線受到外力時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致紗線強(qiáng)力及伸長(zhǎng)率降低。

圖8 堿處理對(duì)紗線強(qiáng)力及伸長(zhǎng)率的影響Fig.8 Influence of alkali treatment on strength and elongation of yarn

從圖8可以看出：在堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到2%時(shí)，紗線強(qiáng)力和伸長(zhǎng)率損失較大；隨著堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，紗線強(qiáng)力和伸長(zhǎng)率損失嚴(yán)重，當(dāng)堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于6%時(shí)，紗線強(qiáng)力快速下降。這是因?yàn)閴A質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，溶液中的OH-數(shù)量越多，纖維表面破壞嚴(yán)重，出現(xiàn)更多的凹坑和裂痕，產(chǎn)生更多的應(yīng)力集中點(diǎn)，宏觀上表現(xiàn)為紗線的強(qiáng)力降低、伸長(zhǎng)下降。

3 結(jié) 論

1)堿處理能去除異形截面聚酯纖維溝槽中的齊聚物，增強(qiáng)纖維紗線的芯吸效應(yīng)，堿處理時(shí)NaOH的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在4%左右時(shí)，異形截面聚酯纖維紗線芯吸效果好。

2)經(jīng)堿處理后，異形截面聚酯纖維表面出現(xiàn)凹坑甚至破損，使纖維結(jié)構(gòu)變得更加松散，提高了紗線的潤(rùn)濕性能。

3)堿處理可降低異形截面聚酯紗線的強(qiáng)力和伸長(zhǎng)性，特別是當(dāng)NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于6%后，異形截面聚酯紗線的強(qiáng)力和伸長(zhǎng)性損失顯著。

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