光致變色TPU皮芯纖維的制備及性能表征

毛秦岑，尤海寧，宋銀紅，梅 濤，3，趙青華，3*

（1.武漢紡織大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430200；2.武漢紡織大學(xué) 技術(shù)研究院，湖北 武漢 430200；3.湖北省紡織新材料及其應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430200）

0 引言

變色纖維材料是近年來迅速發(fā)展、極富生命力的高技術(shù)功能纖維，它具有高附加值和高效益。隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，變色纖維在安全領(lǐng)域和防偽領(lǐng)域起著越來越重要的作用，裝飾服飾領(lǐng)域隨著人們對(duì)紡織品的求新及個(gè)性化要求的心理日益增強(qiáng)和對(duì)功能性要求的提高，對(duì)服裝顏色的要求也由實(shí)用型轉(zhuǎn)向豐富多彩，而變色纖維材料正好迎合了人們的這種消費(fèi)心理，需求越來越大，近些年來發(fā)展迅速。隨著高新技術(shù)不斷引入該領(lǐng)域，變色纖維不斷發(fā)展幵完善，開發(fā)新型變色纖維材料具有良好的發(fā)展前途和廣闊的應(yīng)用前景[1]。目前市場(chǎng)上流通的變色纖維產(chǎn)品大多都是通過染整和后處理等方法得到的，該類產(chǎn)品普遍存在易失效、強(qiáng)度差等缺點(diǎn)，難以滿足長(zhǎng)久需求。本文通過熔融紡絲法利用復(fù)合紡絲機(jī)制備出一種變色皮芯纖維，其皮芯為透明保護(hù)層，變色材料集中于芯層。希望通過皮層的保護(hù)作用，極大的提高變色纖維的強(qiáng)度幵且能夠有效的克服其易失效等缺點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑及材料

聚氨基甲酸酯（TPU），（牌號(hào)3095AU，德國(guó)拜耳）；光致變色材料（實(shí)驗(yàn)室自制）。

1.2 儀器與設(shè)備

雙組份復(fù)合紡絲機(jī)（大連華綸化纖工程有限公司）；掃描電子顯微鏡（IT1300，日本電子株式會(huì)社）；傅里葉紅外光譜儀（Vertex70，德國(guó)布魯克科技有限公司）；熱重分析儀（TG209F3，德國(guó)耐馳儀器制造有限公司）；單纖維強(qiáng)力儀（大榮紡儀設(shè)備有限公司）；真空轉(zhuǎn)鼓干燥箱（JM-500ZGX，上海金瑪光電技術(shù)研究所）；皮芯紡絲組件（H72，常州紡興噴絲板公司）。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 光致變色TPU母粒的制備

將TPU原料放入真空轉(zhuǎn)鼓干燥箱中，100℃干燥8h，然后取出幵與光致變色材料按9：1的比例進(jìn)行混合，再倒入高速混合機(jī)中高速混合均勻，最后用雙螺桿擠出機(jī)進(jìn)行熔融共混擠出，經(jīng)冷卻設(shè)備冷卻成型，再利用切粒裝置加工制備成TPU光致變色母粒。

1.3.2 光致變色TPU皮芯纖維的制備

將TPU原料和TPU光致變色母粒放入真空轉(zhuǎn)鼓干燥箱中，100℃干燥8h，控制水分均低于80ppm。然后進(jìn)行雙組份皮芯紡絲，分別得到TPU皮芯纖維和光致變色TPU皮芯纖維，其中TPU皮芯纖維的皮層和芯層均為TPU，光致變色TPU皮芯纖維的皮層是TPU，芯層是光致變色TPU復(fù)合材料。

1.4 測(cè)試與表征

1.4.1 纖維的SEM測(cè)試

采用JSM-6510 LV掃描電子顯微鏡，對(duì)TPU皮芯纖維和光致變色TPU皮芯纖維的表面和截面的形貌進(jìn)行表征。

1.4.2 纖維的紅外測(cè)試

采用Vertex70傅里葉紅外光譜儀，對(duì)TPU皮芯纖維和光致變色TPU皮芯纖維的特征基團(tuán)進(jìn)行表征。

1.4.3 纖維的熱重分析

采用TG209F3熱失重測(cè)試儀，對(duì)TPU皮芯纖維和光致變色TPU皮芯纖維的熱力學(xué)性能進(jìn)行表征。

1.4.4 纖維的拉伸強(qiáng)度測(cè)試

采用單纖維強(qiáng)力儀，對(duì)TPU皮芯纖維和光致變色TPU皮芯纖維的機(jī)械性能進(jìn)行表征。

1.4.5 纖維的K/S值

采用Color i7測(cè)色配色儀，對(duì)TPU皮芯纖維和光致變色TPU皮芯纖維的顏色深淺變化進(jìn)行表征。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維的表面形態(tài)分析

由上述表征方法測(cè)試得到的SEM圖片如下圖1所示，由a、c可以看出兩種纖維均為光滑表面，這是因?yàn)閮煞N纖維的皮層均為純TPU，另外通過兩種纖維的截面圖b、d可以看到明顯的皮芯結(jié)構(gòu)，且光致變色TPU皮芯纖維的芯層分布有少量的光致變色材料，而TPU皮芯纖維的芯層則是一片光滑，是純的TPU材料。

圖1 纖維的表面和截面SEM圖片

2.2 纖維的FTIR分析

圖2為光致變色TPU皮芯纖維和TPU皮芯纖維的FTIR圖譜，從圖2曲線a可以看出在3325cm-1處有聚氨酯中N-H的伸縮振動(dòng)吸收峰，在2921cm-1處是C-H的伸縮振動(dòng)吸收峰，1700～1730cm-1處是酰胺的羰基伸縮振動(dòng)吸收峰，1596cm-1處是 N-H的彎曲振動(dòng)特征吸收峰，1526cm-1的吸收峰為氨基甲酸酯結(jié)構(gòu)中N-H彎曲振動(dòng)和C-N伸縮振動(dòng)的組合吸收峰，1309cm-1處是C-N伸縮振動(dòng)吸收和N-H彎曲振動(dòng)吸收的混合峰，1220cm-1處為氨基甲酸酯基中的 C—O—C伸縮振動(dòng)吸收峰，1050～1250cm-1之間有C-O的中等強(qiáng)度的寬吸收，是聚氨酯的特征吸收譜帶，以上均為聚氨酯的特征吸收峰[2]。由于光致變色TPU皮芯纖維的皮層是純的TPU材料，而光致變色材料集中在其芯層，故光致變色TPU皮芯纖維的FTIR圖譜與TPU皮芯纖維幵無明顯差異。

圖2 纖維的紅外圖譜

2.3 纖維的熱力學(xué)性能

圖3 纖維的TG及DTG曲線

從圖3可以看出，TPU皮芯纖維和光致變色TPU皮芯纖維的TG曲線是典型的高分子熱失重曲線，從曲線a，b可以知道，兩種纖維樣品在升溫過程中，初始階段隨著溫度的升高，纖維中的高分子聚合物吸熱開始熔融，這一過程中沒有質(zhì)量損耗，故曲線a，b在初始階段呈現(xiàn)水平趨勢(shì)；隨著溫度繼續(xù)升高，纖維中高分子聚合物的高分子鏈開始斷鏈、降解和碳化，光致變色TPU纖維中的變色材料同樣隨之分解、碳化，兩種纖維樣品的質(zhì)量損失全部集中在這一階段；最后，隨著溫度繼續(xù)升高至 800℃，兩種纖維樣品的質(zhì)量不再發(fā)生變化。

由圖3和表1可知，TPU皮芯纖維在氮?dú)夥諊碌氖е乜煞譃槿齻€(gè)階段，第一個(gè)階段溫度范圍是243～380℃，在此階段隨著溫度的升高，聚氨酯分子鏈中的硬段開始分解，樣品總失重約為26.89%；第二階段溫度范圍是 380～418℃，此階段聚氨酯中的軟段開始分解，總失重約達(dá)到 69.21%；第三階段溫度范圍是418～655℃，此階段聚氨酯的硬段和軟段的分解產(chǎn)物繼續(xù)分解，直至剩余殘留物的質(zhì)量不再變化，樣品的總失重約是81.96%。而光致變色TPU皮芯纖維在氮?dú)夥諊碌氖е匾部煞譃槿齻€(gè)階段，第一個(gè)階段溫度范圍是 208～381℃，在此階段隨著溫度的升高，聚氨酯分子鏈中的硬段也開始分解，樣品總失重約為26.63%；第二階段溫度范圍是381～423℃，此階段聚氨酯中的軟段開始分解，總失重約達(dá)到69.81%；第三階段溫度范圍是423～658℃，此階段聚氨酯的硬段和軟段的分解產(chǎn)物繼續(xù)分解，直至剩余殘留物的質(zhì)量不再變化，樣品的總失重約是 84.69%[3]。通過對(duì)比兩種纖維的三個(gè)失重階段可以發(fā)現(xiàn)，在第一階段中TPU皮芯纖維的總失重比光致變色TPU皮芯纖維的略高，這是由于在第一階段中變色材料幵未發(fā)生分解；而在第二、三階段TPU皮芯纖維的總失重都低于光致變色TPU皮芯纖維，這是由于光致變色TPU皮芯纖維中變色材料分解的結(jié)果。

表1 纖維在氮?dú)庵袩岱纸獾膭?dòng)力學(xué)參數(shù)

圖4 纖維的拉伸曲線

表2 纖維的機(jī)械性能

2.4 纖維的機(jī)械性能

圖4和表2是兩種纖維的機(jī)械性能測(cè)試結(jié)果，可以看出兩種纖維都具有很高的斷裂伸長(zhǎng)率，其斷裂伸長(zhǎng)率均達(dá)到500%以上，這是由于聚氨酯分子鏈之間存在著許多氫鍵構(gòu)成的物理交聯(lián)，氫鍵對(duì)其形態(tài)起到強(qiáng)化作用，從而賦予其較高的斷裂伸長(zhǎng)率，由表2可知，TPU皮芯纖維的斷裂伸長(zhǎng)率為 575.47%，而光致變色 TPU皮芯纖維的斷裂伸長(zhǎng)率為592.21%，比 TPU皮芯纖維大，這是由于纖維的皮芯結(jié)構(gòu)對(duì)纖維的性能的增強(qiáng)。另外，兩種纖維的拉伸強(qiáng)度也存在一定差距，TPU皮芯纖維的拉伸強(qiáng)度為3.46cN/dtex，而光致變色TPU皮芯纖維的拉伸強(qiáng)度為3.36cN/dtex，小于TPU皮芯纖維，這是由于光致變色TPU皮芯纖維的芯層存在變色材料，而變色材料與聚氨酯在芯層是通過物理共混結(jié)合在一起的，從而造成光致變色TPU皮芯纖維的拉伸強(qiáng)度降低。但是光致變色TPU皮芯纖維的機(jī)械性能已達(dá)到服用纖維的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

2.5 纖維的K/S值

對(duì)染料染色性能評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)之一就是染色深度。Kubelka-Munk染色深度方程在被測(cè)物體的吸收系數(shù)K和散射系數(shù)S，與固體試樣中有色物質(zhì)濃度 C之間建立了一定的函數(shù)關(guān)系。通過計(jì)算得到的K/S值越大，固體試樣表面顏色越深，即有色物質(zhì)濃度越高。同理，光致變色TPU皮芯纖維是通過熔融紡絲法將變色材料分散在聚合物中，同樣可以通過 K/S值的變化來表示其顏色變化。由圖5曲線a可知，TPU皮芯纖維無顏色變化，其K/S曲線近似一條直線，即K/S值保持不變。從曲線b可以看出，光致變色TPU皮芯纖維的K/S曲線存在兩個(gè)峰值，且大小相近，即其顏色由一種顏色變化成另一種顏色，且顏色深淺相似。

圖5 纖維的K/S值

3 結(jié)論

變色纖維材料是近些年來迅速發(fā)展、極富生命力的高技術(shù)功能纖維，它具有高附加值和高效益。隨著高新技術(shù)不斷引入該領(lǐng)域，變色纖維還會(huì)繼續(xù)發(fā)展幵完善。隨著人們對(duì)服裝高檔化、個(gè)性化要求的日益增強(qiáng)和對(duì)功能性整理織物要求的提高，開發(fā)新型變色纖維材料、變色織物將有良好的發(fā)展前途和廣闊的應(yīng)用前景[4-5]。本文通過熔融紡絲法和纖維的結(jié)構(gòu)調(diào)控設(shè)計(jì)制備出一種變色皮芯纖維，其中變色材料全部集中在芯層，皮層為透明保護(hù)層，這樣不僅對(duì)變色材料起到保護(hù)作用，而且不會(huì)對(duì)纖維的變色效果產(chǎn)生影響，同時(shí)也極大的提高了變色纖維的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性。對(duì)比兩種纖維，通過SEM和FTIR研究發(fā)現(xiàn)光致變色TPU皮芯纖維的結(jié)構(gòu)中，皮層主要是聚氨酯，芯層是聚氨酯和變色材料的混合物，在一定程度上對(duì)變色材料起到保護(hù)作用。而在纖維的熱力學(xué)性能方面，纖維的耐熱性幵沒有明顯受到變色材料的影響，在分解過程中，TPU皮芯纖維和光致變色TPU皮芯纖維的分解峰的溫度相差不大，其偏差均在2℃以內(nèi)，故纖維的耐熱性幵沒有受到變色材料的影響。在機(jī)械性能上，光致變色TPU皮芯纖維良好的保持了TPU皮芯纖維的彈性，具有很高的斷裂伸長(zhǎng)率，且其拉伸強(qiáng)度由于變色材料的加入降低很小，保持了TPU皮芯纖維97% 以上的拉伸強(qiáng)度。