魏艷紅, 劉新金, 謝春萍, 蘇旭中, 吉宜軍
(1. 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué)), 江蘇 無(wú)錫 214122; 2. 南通雙弘紡織有限公司, 江蘇 南通 226600)
差別化纖維是指在原來(lái)纖維組成的基礎(chǔ)上進(jìn)行化學(xué)或物理改性處理,使其纖維形態(tài)、性能與常規(guī)化學(xué)纖維有顯著不同,彌補(bǔ)了普通合成纖維的不足,主要分為變形絲、異形纖維、復(fù)合纖維、超細(xì)纖維等。 差別化是由日本化纖業(yè)在20世紀(jì)80年代首先提出的,我國(guó)對(duì)差別化聚酯纖維的開(kāi)發(fā)始于20世紀(jì)80年代初[1]。隨著人們生活水平的提高,普通聚酯纖維已不能滿(mǎn)足高檔面料生產(chǎn)的需求。聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚對(duì)苯二甲酸丙二醇酯(PTT)、低黏度PET/高收縮PET復(fù)合彈性纖維(SPH)、PET/PTT雙組分網(wǎng)絡(luò)復(fù)合纖維(T400)等新型聚酯纖維相繼被開(kāi)發(fā),滿(mǎn)足了人們對(duì)舒適性、功能性和環(huán)保性的要求。
SPH是一種采用雙螺桿多組分生產(chǎn)的新型彈性纖維,是 2012年南通永盛纖維新材料有限公司在國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的新專(zhuān)利產(chǎn)品。超細(xì)旦PET長(zhǎng)絲具有輕薄、染色性能好等特點(diǎn),其織物具有絲綢般的輕、柔、滑、爽,有良好的服用性。T400最早是由杜邦公司開(kāi)發(fā)的一種復(fù)合纖維。 PTT是20世紀(jì)90年代中期由Hell公司開(kāi)發(fā)的一種性能優(yōu)異的聚酯類(lèi)新型纖維,具有優(yōu)異的綜合性能,在服裝、工業(yè)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[2-3]。高慶文[4]研究了SPH纖維的制備方法,柳敦雷等[5]介紹了超細(xì)旦PET的開(kāi)發(fā)過(guò)程。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)SPH、超細(xì)旦PET的結(jié)構(gòu)與性能方面的研究比較少;SPH、T400、PET、PTT同屬于差別化聚酯纖維,4種纖維之間的性能差異目前還尚未進(jìn)行深入研究。
為更好地了解新型聚酯纖維的特性,本文對(duì)4種差別化新型聚酯纖維的分子結(jié)構(gòu)、力學(xué)與熱學(xué)性能、形貌與卷曲形態(tài)進(jìn)行對(duì)比分析研究,以期為后續(xù)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供參考依據(jù)。
SPH,線(xiàn)密度為3.33 tex(24 f),采用低黏度PET與高收縮PET通過(guò)復(fù)合紡絲法生產(chǎn),具有永久的三維卷曲效應(yīng),購(gòu)自南通永盛纖維新材料有限公司;T400,線(xiàn)密度為3.33 tex(24 f),由PTT與PET通過(guò)復(fù)合紡絲工藝制成的雙組分新型復(fù)合纖維,具有自然永久螺旋卷曲、優(yōu)異的蓬松性以及特別柔軟的手感,購(gòu)自英威達(dá)公司;PTT,線(xiàn)密度為3.33 tex(24 f),由對(duì)苯二甲酸和1,3-丙二醇經(jīng)酯化縮聚而成的聚合物,購(gòu)自韓國(guó)曉星集團(tuán);高強(qiáng)度PET,線(xiàn)密度為0.88 tex(6 f),采用熔體直紡工藝,通過(guò)新型噴絲板、優(yōu)化的工藝塔回流水裝置等工藝條件制成,購(gòu)自恒力集團(tuán)江蘇恒科新材料有限公司。
1.2.1 分子結(jié)構(gòu)表征
利用NICOLET iS10型傅里葉紅外變換光譜儀(美國(guó)賽默飛世爾科技中國(guó)有限公司)研究纖維的分子結(jié)構(gòu),采用衰減全反射法(ATR)測(cè)試,測(cè)量范圍為4 000~500 cm-1。
采用D2 PHASER 型X射線(xiàn)衍射儀(德國(guó)布魯克AXS有限公司)測(cè)定纖維聚集態(tài)結(jié)構(gòu),首先將纖維平行密集地排列在圓形樣板上,纖維軸與衍射儀軸呈直角。掃描速度為2(°)/min,掃描范圍為5°~80°。
1.2.2 形貌觀察
將纖維切片經(jīng)噴金處理后,使用SU1510型掃描電子顯微鏡(日本日立株式會(huì)社)觀察纖維的橫截面和表面形貌。
1.2.3 力學(xué)性能測(cè)試
參照GB/T 14344—2008《化學(xué)纖維 長(zhǎng)絲拉伸性能試驗(yàn)方法》、GB/T 3916—2013《紡織品 卷裝紗 單根紗線(xiàn)斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定(CRE法)》,測(cè)試4種長(zhǎng)絲纖維的拉伸性能。利用YG068C型全自動(dòng)單紗強(qiáng)力儀(蘇州長(zhǎng)風(fēng)紡織機(jī)電科技有限公司)測(cè)試SPH、T400、PTT的斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、斷裂功等。測(cè)試條件為:夾持隔距500 mm,拉伸速度500 mm/min,預(yù)加張力(0.05±0.005) cN/dtex。由于選用的PET線(xiàn)密度較小,采用YQ-2型纖維強(qiáng)伸度儀(東華大學(xué))測(cè)試其斷裂強(qiáng)力及斷裂伸長(zhǎng)率,測(cè)試條件為:夾持距離20 mm,下夾持器下降速度20 mm/min,預(yù)加張力(0.05±0.005)cN/dtex。每種纖維分別測(cè)試20次,結(jié)果取平均值。
1.2.4 彈性性能測(cè)試
由于長(zhǎng)絲的彈性測(cè)試沒(méi)有統(tǒng)一的國(guó)家或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),因此,參照FZ/T 50007—2012 《氨綸絲彈性試驗(yàn)方法》及東華大學(xué)制定的XL-2型紗線(xiàn)強(qiáng)伸度儀使用說(shuō)明書(shū),利用XL-2紗線(xiàn)強(qiáng)伸度儀測(cè)試?yán)w維的彈性回復(fù)性。在斷裂伸長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行一次定伸長(zhǎng)、循環(huán)定伸長(zhǎng)拉伸彈性回復(fù)實(shí)驗(yàn),設(shè)置定伸長(zhǎng)分別為5%、10%、15%、20%。實(shí)驗(yàn)條件為:夾鉗隔距長(zhǎng)度500 mm,拉伸速度500 mm/min,預(yù)加張力0.2 cN/dtex,每組實(shí)驗(yàn)測(cè)試5次,取平均值。一次定伸長(zhǎng)彈性實(shí)驗(yàn)拉伸停頓時(shí)間為30 s,回復(fù)時(shí)間為30 s。循環(huán)定伸長(zhǎng)彈性測(cè)試,循環(huán)5次,前4次拉伸循環(huán)中沒(méi)有停頓,第5次循環(huán)拉伸至相應(yīng)的定伸長(zhǎng)時(shí)停頓30 s,回到原位后再停30 s。依次求取塑性變形率和彈性回復(fù)率,計(jì)算公式為:
式中:SD為塑形變形率,%;E為彈性回復(fù)率,%;L0為未伸長(zhǎng)時(shí)的夾持長(zhǎng)度,mm;L1為設(shè)定伸長(zhǎng)時(shí)的長(zhǎng)度,mm;L2為達(dá)到試樣預(yù)加張力值時(shí)的長(zhǎng)度,mm。
1.2.5 吸濕性能測(cè)試
參照GB/T 6503—2008《化學(xué)纖維 回潮率試驗(yàn)方法》,采用YG747型通風(fēng)式快速八籃烘箱(南通宏大實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)測(cè)試?yán)w維的回潮率。稱(chēng)取50 g試樣,烘燥溫度為(105±3) ℃,烘燥時(shí)間為1 h。
1.2.6 熱學(xué)性能測(cè)試
將纖維烘干,用哈氏切片器將纖維切成粉末狀并稱(chēng)取5 mg左右置于陶瓷坩堝內(nèi),利用Q-500型熱重分析儀(美國(guó)TA儀器公司)在氮?dú)猸h(huán)境下(氮?dú)饬魉贋?0 mL/min),以20 ℃/min速率升溫,在50~800 ℃溫度范圍內(nèi)測(cè)試?yán)w維的熱穩(wěn)定性。
采用Q-200型差示掃描量熱儀(DSC,美國(guó)TA儀器公司)分析纖維的熱性能曲線(xiàn)。采用哈氏切片器將纖維切成粉末狀,稱(chēng)取5 mg左右的樣品置于鋁坩堝內(nèi),以氮?dú)鉃楸Wo(hù)氣,N2流速為50 mL/min,初始溫度為0 ℃,以10 ℃/min速率升溫至300 ℃得到升溫曲線(xiàn)。
參照GB/T 6505—2008《化纖纖維 長(zhǎng)絲熱收縮率試驗(yàn)方法》,采用絞絲法測(cè)試?yán)w維的熱收縮性。利用縷紗測(cè)長(zhǎng)儀搖取10 m長(zhǎng)絲,放在絨板上平衡4 h。然后將試樣懸掛在吊鉤上,下端施加預(yù)加張力0.2 cN/dtex,等待30 s后測(cè)量其長(zhǎng)度L0(cm)。將平衡后的試樣在松弛狀態(tài)下放入100 ℃去離子沸水中,使用數(shù)顯恒溫水浴鍋加熱煮沸30 min,自然晾干并平衡8 h。測(cè)量煮沸后長(zhǎng)度L1(cm)。每種試樣測(cè)試3次,結(jié)果取其平均值。沸水收縮率S(%)計(jì)算公式為
1.2.7 卷曲形態(tài)測(cè)試
利用VHX-5000型超景深三維數(shù)碼顯微鏡(基恩士公司)分別觀察未處理即直接從卷裝上退繞下來(lái)的纖維、經(jīng)反復(fù)拉伸后的纖維如沸水處理后的纖維的卷曲形態(tài)。
2.1.1 分子結(jié)構(gòu)
圖1 纖維的紅外光譜圖Fig.1 Infrared spectroscopy of fiber
圖2示出4種聚酯纖維的XRD圖譜。可以看出,譜圖有尖銳的衍射峰,表明試樣中存在晶態(tài)與非晶態(tài)且兩相差別明顯。2θ值與試樣晶型有關(guān),當(dāng)衍射角相同時(shí),波峰越高,纖維對(duì)X射線(xiàn)的衍射強(qiáng)度就越大,纖維的結(jié)晶度也就越高[7]。由圖2看出:PET的結(jié)晶度最高;T400的結(jié)晶度較低,故彈性較好。PET、PTT均屬于三斜晶系,但晶體結(jié)構(gòu)存在明顯差異,SPH有3個(gè)衍射峰,也屬于三斜晶系。
圖2 纖維的XRD圖譜Fig.2 XRD pattern of fiber
2.1.2 形貌結(jié)構(gòu)
圖3示出4種纖維的掃描電鏡照片。由圖3(a)可知:SPH纖維橫截面近似啞鈴狀,單絲由2種橫截面為圓形且面積不等的絲體用物理與化學(xué)方法相結(jié)合而成,其中一種纖維嵌入另一纖維中;纖維截面平整無(wú)分界,表明二組分具有很好的界面相容性;2種纖維的結(jié)合處形成溝槽(見(jiàn)圖3(b)),此溝槽可產(chǎn)生毛細(xì)效應(yīng),能迅速吸收皮膚表面汗水并傳遞到纖維表面蒸發(fā),具有吸濕排汗作用。T400的橫截面成8字型(見(jiàn)圖3(c)),其纖維為雙組分纖維復(fù)合而成,2種組分各占一半,在二組分結(jié)合處形成微溝槽(見(jiàn)圖3(d)),具有導(dǎo)濕快干的特性。PTT截面形態(tài)為三葉形(見(jiàn)圖3(e)),表面形態(tài)結(jié)構(gòu)基本上與PET相似,呈光滑條狀,光的反射、折射較強(qiáng),表面有空隙,具有導(dǎo)濕、透氣與保暖性。超細(xì)旦PET纖維橫截面近似于圓形(見(jiàn)圖3(g)),由6根單絲形成復(fù)絲,表面光滑無(wú)溝槽(見(jiàn)圖3(h))。
2.2.1 拉伸性能
表1示出4種纖維的強(qiáng)伸性能??梢钥闯?,PET的斷裂強(qiáng)度最高,T400次之,SPH與PTT較低。由于PTT大分子鏈以螺旋型構(gòu)象出現(xiàn),使其具有較好的拉伸,因此,PTT的斷裂伸長(zhǎng)率是4種纖維中最高的,且斷裂功大,表明PTT具有較好的韌性。
表1 纖維的強(qiáng)伸性能Tab.1 Strength and elongation of fibers
2.2.2 彈性回復(fù)性能
在4種新型聚酯纖維的斷裂伸長(zhǎng)率范圍內(nèi)進(jìn)行彈性回復(fù)性、塑性變形測(cè)試,結(jié)果如表2、3所示??梢钥闯觯篠PH、T400、PTT在低伸長(zhǎng)率(5%)下都具有較好的彈性回復(fù)性,循環(huán)定伸長(zhǎng)彈性回復(fù)率基本在90%以上;塑性變形小,尤其是T400,其一次定伸長(zhǎng)(5%)拉伸彈性回復(fù)率高達(dá)98.4%;隨著定伸長(zhǎng)的增加,T400、PTT仍保持較好的彈性回復(fù)性,而SPH的彈性回復(fù)性急劇下降,塑性變形加大;PET的彈性回復(fù)性最差,20%定伸長(zhǎng)一次拉伸塑性變形率為61.31%,由于PET的塑性變形較大,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中測(cè)試循環(huán)定伸長(zhǎng)拉伸比較困難,數(shù)據(jù)差異較大,故沒(méi)有列出。
表2 纖維的彈性回復(fù)率Tab.2 Elastic recovery of fibers
表3 纖維的塑性變形率Tab.3 Plastic deformation of fibers
在PET大分子鏈中2個(gè)苯環(huán)之間僅有2個(gè)亞甲基,大分子之間的柔性較差,在受力作用下PET大分子鏈不會(huì)發(fā)生晶型的轉(zhuǎn)變,故PET與SPH的彈性回復(fù)性相對(duì)較差。T400產(chǎn)生的彈性機(jī)制是由于PET、PTT二組分熱收縮率的差異而產(chǎn)生自卷曲彈性,且彈性穩(wěn)定性和持久性好,彈性回復(fù)性能好。PTT分子鏈上含有奇數(shù)個(gè)亞甲基使其具有“奇碳效應(yīng)”,分子鏈呈現(xiàn)類(lèi)似于羊毛蛋白質(zhì)分子鏈的螺旋結(jié)構(gòu),大分子鏈中—O—CH2—CH2—CH2—O—單元具有一種能量較低的“T—G—G—T”式構(gòu)象,即具有明顯的“Z”字形構(gòu)象,導(dǎo)致其大分子鏈具有彈簧一樣的形變和形變回復(fù)能力,具有優(yōu)異的回彈性。
回潮率的大小反映纖維吸放濕性能的高低,經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得SPH、T400、PTT和PET纖維的回潮率分別為0.96%、0.80%、0.69%、0.48%。這4種纖維的回潮率都比較低,均低于1%。一般來(lái)說(shuō),纖維的吸濕性小,織物濕態(tài)下折皺回復(fù)性好、縮水性小,織物的尺寸穩(wěn)定性、免燙性好。
2.4.1 沸水收縮性
沸水收縮率是衡量纖維熱收縮性的重要指標(biāo),反映了纖維在加工過(guò)程中受熱處理后的尺寸穩(wěn)定性[8]。表4示出纖維的沸水收縮率指標(biāo)測(cè)試結(jié)果??梢?jiàn),SPH、T400的沸水收縮率較大,原因是分子之間存在一定的內(nèi)應(yīng)力,同時(shí)SPH采用高收縮PET復(fù)合形成,熱處理后分子內(nèi)的結(jié)晶度、取向度發(fā)生一些變化,產(chǎn)生了不可逆的收縮。結(jié)晶度、取向度越大,纖維內(nèi)部晶區(qū)增加、內(nèi)部分子排列整齊,結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定,纖維越不易收縮。根據(jù)以上分析,PET、PTT的結(jié)晶度較高,故沸水收縮率低。高收縮性對(duì)織物加工有一定的影響,因此,在后續(xù)加工中要適當(dāng)控制溫度[9]。綜上所述,PET、PTT具有較低的熱收縮率。
表4 纖維的沸水收縮率Tab.4 Boiling water shrinkage of fibers
2.4.2 熱穩(wěn)定性
圖4示出4種纖維的熱學(xué)性能曲線(xiàn)。由圖4(a)可知:SPH、PET的熔融溫度分別為252.87、250.58 ℃,由于SPH由2種性能不同的PET復(fù)合而成,因此,SPH的熔融溫度與PET接近;PTT的熔融溫度為224.94 ℃,由于奇碳效應(yīng)的存在,其熔融溫度明顯低于PET;T400纖維由PET和PTT雙組分纖維復(fù)合而成,因此,在DSC曲線(xiàn)中存在2個(gè)熔點(diǎn),分別為225.55、249.69 ℃。
由圖4(b)曲線(xiàn)可知,SPH、PET這2種纖維的熱穩(wěn)定性最好且基本接近,T400次之,PTT的熱穩(wěn)定性最差。PTT纖維分解后的殘留物最少,因此PTT纖維是比較環(huán)保的生物基化學(xué)纖維。
圖5示出纖維反復(fù)拉伸和沸水處理前后的卷曲形態(tài)。由圖5可知:SPH從卷裝上直接退繞下來(lái)的纖維形態(tài)幾乎無(wú)卷曲(見(jiàn)圖5(a));經(jīng)過(guò)反復(fù)拉伸后形成大而稀疏的卷曲狀,束絲開(kāi)始散開(kāi)(見(jiàn)圖5(b));沸水處理后的SPH纖維形態(tài)發(fā)生較大變化,卷曲充分顯現(xiàn),變得小而密,束絲散開(kāi)成單絲(見(jiàn)圖5(c))。由于SPH纖維內(nèi)部的二組分具有不同的收縮性且平行排列,經(jīng)過(guò)拉伸作用后或熱處理,纖維在內(nèi)應(yīng)力作用下會(huì)形成類(lèi)似羊毛小而密的卷曲態(tài),因而獲得良好的蓬松性與彈性,即纖維的自卷曲效應(yīng)[10]。卷裝上退繞下來(lái)的T400纖維有少量卷曲(見(jiàn)圖5(d));反復(fù)拉伸后卷曲發(fā)生變化,卷曲變得小而密,卷曲態(tài)更均勻,束絲變得更抱合(見(jiàn)圖5(e));煮沸后的T400纖維,卷曲發(fā)生很大改變,有部分纖維散開(kāi)成單絲,部分纖維形成類(lèi)似彈簧形的螺旋狀(見(jiàn)圖5(f))。PTT、PET這2種纖維反復(fù)拉伸后及沸水處理前后纖維形態(tài)無(wú)明顯變化,纖維比較順直無(wú)卷曲狀,如圖5(g)~(l)所示。
圖5 纖維反復(fù)拉伸和沸水處理前后的卷曲形態(tài)(×100)Fig.5 Curl morphology of fibers before and after repeated stretching and boiling water treatment(×100). (a) SPH unprocessed; (b) SPH after repeated stretching; (c) SPH after boiling; (d) T400 unprocessed; (e) T400 after repeated stretching; (f) T400 after boiling; (g) PTT unprocessed; (h) PTT after repeated stretching; (i) PTT after boiling; (j) PET unprocessed; (k) PET after repeated stretching; (l) PET after boiling
SPH較普通的滌綸有較好的蓬松性和卷曲彈性。SPH、T400具有的天然的卷曲可長(zhǎng)期保持不變,經(jīng)過(guò)熱處理后這種卷曲仍熱存在,使服裝始終保持較好彈性。通過(guò)纖維卷曲態(tài)的變化圖也可說(shuō)明,T400的沸水收縮率最大,SPH次之,PTT、PET沸水收縮率較低(僅為8.4%、9.0%)。
SPH纖維表面有溝槽,拉伸或熱處理后具有羊毛的卷曲效果,由其做成的織物既有吸濕排汗作用,又具有一定的彈性。SPH斷裂強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率小,適合應(yīng)用在對(duì)彈力要求不高的面料中,如彈力襯衫、西服西褲、彈力女裝、夏季T恤等。T400長(zhǎng)絲因其優(yōu)異的拉伸性能及彈性回復(fù)性而可單獨(dú)織造,也可與棉、粘膠、滌綸、錦綸等進(jìn)行交織,同時(shí)還可做成包芯紗應(yīng)用在牛仔面料、襯衫面料中,以提高織物的彈性及保形性。T400長(zhǎng)絲熱收縮率較高,在后續(xù)加工中應(yīng)適當(dāng)控制溫度。PET長(zhǎng)絲具有絲綢般柔軟、滑爽的特性,可用來(lái)做高檔高密滌塔夫,仿蠶絲等高端紡織產(chǎn)品,也可與精梳棉短纖復(fù)合生產(chǎn)高支包芯紗或包覆紗,應(yīng)用在高檔免燙襯衫面料中。由于PET長(zhǎng)絲線(xiàn)密度小,因此強(qiáng)力低,在后續(xù)使用時(shí)需降低車(chē)速,優(yōu)化工藝。PTT纖維的斷裂伸長(zhǎng)率大于其他聚酯纖維,既有錦綸的柔軟性、腈綸的蓬松性、滌綸的抗折皺性和抗污性,又有本身固有的彈性,優(yōu)異的形態(tài)穩(wěn)定性,把各種纖維優(yōu)良的服用性集于一身。主要應(yīng)用于時(shí)裝、襯衫、運(yùn)動(dòng)服、形狀記憶面料等高端服飾領(lǐng)域。高性能的PTT已經(jīng)開(kāi)始在醫(yī)學(xué)方面應(yīng)用,如PTT彈性人造血管、PTT聚合物支架在骨修復(fù)中作為干細(xì)胞載體[11]。PTT熔點(diǎn)低,熱穩(wěn)定性不及PET,使得PTT纖維染色性能好,可采用常壓染色,但PTT織物的熱定形溫度不宜過(guò)高。
本文對(duì)4種差別化聚酯纖維進(jìn)行測(cè)試與表征,研究結(jié)果表明:SPH截面近似啞鈴狀,由性能不同的2種PET復(fù)合而成,二組分結(jié)合處形成表面溝槽,可賦予纖維良好的吸濕排汗作用,SPH經(jīng)拉伸或熱處理后可產(chǎn)生纖維的自卷曲效應(yīng),具有良好的彈性;T400斷裂強(qiáng)度高,具有天然的卷曲,使其具有較好的彈性及彈性回復(fù)性,受熱后產(chǎn)生近似彈簧形的螺旋狀,具有永久的彈性,但T400有較高的熱收縮性,對(duì)后續(xù)生產(chǎn)加工及織造不利;PET具有較高的強(qiáng)度,熱穩(wěn)定性好,其織物有蠶絲般的柔、滑,可應(yīng)用到高檔紡織品中;PTT分子結(jié)構(gòu)獨(dú)特的奇碳效應(yīng),使纖維具有較好的彈性和彈性回復(fù)性,斷裂伸長(zhǎng)大,纖維的韌性較好,應(yīng)用領(lǐng)域廣。
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