堿減量率對滌綸工業(yè)絲表面及拉伸性能的影響

普丹丹 葉云芳

摘要： 文章采用4種堿處理方案制得4種不同堿減量率的滌綸工業(yè)絲，探討了堿減量率對滌綸工業(yè)絲表面形貌、水潤濕性能及機(jī)械性能的影響。結(jié)果表明，未經(jīng)堿處理的滌綸工業(yè)絲表面光滑，經(jīng)過堿處理的滌綸工業(yè)絲表面形態(tài)粗糙。5種試樣中，堿減量率為22.60%的滌綸工業(yè)絲的浸潤性能最好，堿減量率為23.95%與13.82%的滌綸工業(yè)絲的浸潤性能次之，未經(jīng)堿處理的滌綸工業(yè)絲浸潤性能最差。堿減量率為13.82%時(shí)，滌綸工業(yè)絲的拉伸性能受到的損傷可忽略，隨著堿減量率的增加，其拉伸性能的損傷越大;堿減量率為33.77%時(shí)，其拉伸斷裂強(qiáng)度和伸長率相較于堿處理前分別降低了21.13%和19.17%。

關(guān)鍵詞： 滌綸工業(yè)絲;堿減量;表面性能;潤濕性能;拉伸性能

中圖分類號： TS102.522

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 1001-7003（2020）11-0008-05

引用頁碼： 111102

Abstract： Four polyester industrial filaments with different alkali deweighting rates were prepared by four alkali treatment schemes. The effects of alkali deweighting rates on the surface morphology， water wettability and mechanical properties of polyester industrial filaments were discussed. The results showed that the surface morphology of polyester industrial filaments without alkali treatment was smooth， while the surface morphology of polyester industrial filaments after alkali treatment was rough. The polyester industrial filaments with alkali deweighting rate of 22.60% had the best wetting performance among the five samples， followed by the polyester industrial filaments with the alkali deweighting rates of 23.95% and 13.82% respectively， and the polyester industrial filaments without alkali treatment had the worst wetting performance. When the rate of alkali deweighting was 13.82%， the damage to tensile properties of polyester industrial filaments could be ignored. With the increase of alkali deweighting rate， the damage of their tensile properties was greater. When the rate of alkali deweighting was 33.77%， the tensile breaking strength and elongation were 21.13% and 19.17% lower than those before alkali treatment.

Key words： polyester industrial filaments; alkali deweighting; surface properties; wettability; tensile properties

滌綸工業(yè)絲不僅具有普通滌綸良好的化學(xué)穩(wěn)定性，還具有高強(qiáng)度、高模量、低延伸、耐沖擊、耐疲勞等優(yōu)良的物理機(jī)械性能[1]。近30年來，滌綸工業(yè)長絲以其優(yōu)良的物理機(jī)械性能已被廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、建筑工程、包裝材料、休閑運(yùn)動、防護(hù)設(shè)施等領(lǐng)域[2-3]。但是由于滌綸工業(yè)絲結(jié)晶度高，分子間作用力大，表面形態(tài)光滑致密，缺少極性基團(tuán)[4]，故呈現(xiàn)很強(qiáng)的化學(xué)惰性，限制了其復(fù)合材料產(chǎn)品的應(yīng)用。故對滌綸工業(yè)絲進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻娓男裕淖儽砻嫘螒B(tài)，提高表面能，是改善滌綸工業(yè)絲復(fù)合材料產(chǎn)品性能的技術(shù)關(guān)鍵。

為此，眾多科研工作者采用對滌綸進(jìn)行表面改性處理來改善其表面性能的不足。為了改變滌綸表面的形態(tài)及性質(zhì)，研究人員探索的方法主要有：堿處理[5-6]、等離子體處理[7-9]、生物酶處理[10-11]、接枝改性處理[12]等。然而，大多數(shù)方法在實(shí)際應(yīng)用中都有一定的局限性。比如堿處理在處理工藝不合理的情況下，就會在一定程度上損傷滌綸的本體性能。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，優(yōu)化堿處理工藝，通過分析堿減量率對滌綸工業(yè)絲表面及拉伸性能的影響，尋求在盡量不損傷滌綸本體性能的基礎(chǔ)上，改善滌綸表面形態(tài)的堿處理工藝，以期為實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1?實(shí)?驗(yàn)

1.1?材?料

滌綸工業(yè)絲（浙江古纖道新材料有限公司）規(guī)格為55.6 tex/96f（500 D/96f），氫氧化鈉（分析純，杭州高晶精細(xì)化工有限公司），陽離子型抗靜電劑SN（工業(yè)級，江蘇省安海石油化工廠）主要成分為十八烷基二甲基羥乙基季銨硝酸鹽，表面活性劑1227（工業(yè)級，杭州科峰化工有限公司）主要成分為十二烷基二甲基芐基氯化銨。

1.2?儀?器

AL204分析天平（梅特勒托利多儀器（上海）有限公司），DHG-9146A鼓風(fēng)干燥箱（上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司），CH1015超級恒溫槽（上海衡平儀器儀表廠），ALTRA55場發(fā)射掃描電子顯微鏡（德國Carl Zeiss公司），DCAT11接觸角分析儀（德國Dataphysics公司），KES-G1多功能拉伸儀（日本Kato-Tech公司）。

1.3?方?法

1.3.1?堿處理工藝

首先，將滌綸工業(yè)絲進(jìn)行預(yù)處理，繞成“8”字型，置于NaOH質(zhì)量濃度3 g/L、抗靜電劑SN質(zhì)量濃度2 g/L的混合溶液中，浴比1︰100，在50 ℃條件下超聲清洗30 min，然后用去離子水多次沖洗，干燥后命名為PF-0。

然后，將PF-0進(jìn)行堿減量處理，處理方案如表1所示。處理工藝為：溫度90 ℃，浴比1︰100，時(shí)間50 min，經(jīng)過熱水、冷水反復(fù)洗滌，直至pH值小于8。最后，將工業(yè)絲取出放入烘箱65 ℃下干燥3 h。

滌綸工業(yè)絲的分子結(jié)構(gòu)是聚對苯二甲酸乙二醇酯，其在堿性條件的作用下容易發(fā)生水解，使得其表面產(chǎn)生刻蝕。本文考察了加工液中堿劑及乳化劑質(zhì)量濃度對滌綸工業(yè)絲刻蝕程度的影響，并以堿減量率定量評價(jià)，堿減量率由下式計(jì)算得到。

式中：P為堿減量率，%;m0為滌綸工業(yè)絲堿處理前在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下平衡6 h后的質(zhì)量，g;m1為滌綸工業(yè)絲堿處理后，經(jīng)烘干后在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下平衡6 h后的質(zhì)量，g。

1.3.2?表征方法

1） 表面形貌。采用德國FE-SEM觀察不同減減量率的滌綸工業(yè)絲的表面形貌，加速電壓3 kV。測試前，取少量滌綸工業(yè)絲剪成5 mm長的小段兒，用導(dǎo)電膠固定于鋁臺上，對樣品進(jìn)行鍍金，鍍金工藝參數(shù)為10 mA、50 s。

2） 動態(tài)接觸角的測試。根據(jù)Wilhelmy天平法，采用DCAT11接觸角分析儀對滌綸工業(yè)絲的動態(tài)接觸角進(jìn)行測試。Wilhelmy天平法對試樣的要求較高，制樣之前將待測的滌綸工業(yè)絲試樣置于60 ℃的烘燥箱中2 h，以除去表面的水分，從而減小實(shí)驗(yàn)誤差，然后按照動態(tài)接觸角測試的制樣示意圖制備試樣（圖1）。測試時(shí)，工業(yè)絲插入液體中的速率設(shè)定為0008 mm/s，工業(yè)絲插入液體的深度設(shè)定為5 mm，每秒測量5個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。每組樣品至少測試5次，取平均值。

3） 單絲拉伸性能測試。參照ISO 11566—1996《纖維單絲拉伸強(qiáng)度測試標(biāo)準(zhǔn)》，利用KES-G1多功能拉伸儀對滌綸工業(yè)絲單絲的拉伸性能進(jìn)行測試，每組樣品的有效樣本容量為30個(gè)。試樣在進(jìn)行測試之前，需要在溫度22 ℃、相對濕度65%的環(huán)境下平衡4 h以上。測試在相同的環(huán)境下于等速拉伸模式下進(jìn)行，設(shè)定拉伸速率為2 mm/min。為了驗(yàn)證兩組試樣的測試結(jié)果是否具有顯著性差異，在α=0.05水平下對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行T檢驗(yàn)。

2?結(jié)果與分析

2.1?堿減量率

經(jīng)4種不同堿處理方案處理后，滌綸工業(yè)絲的堿減量率如表2所示。

從表2數(shù)據(jù)可以看出，4種不同堿處理工藝處理的滌綸工業(yè)絲，其堿減量率有明顯的變化。當(dāng)氫氧化鈉的質(zhì)量濃度為10 g/L時(shí)，表面活性劑1227的質(zhì)量濃度由1 g/L增大至2 g/L，堿減量率由13.82%增加至22.60%;當(dāng)表面活性劑1227的質(zhì)量濃度為1 g/L時(shí)，氫氧化鈉的質(zhì)量濃度由10 g/L增大至15 g/L時(shí)，堿減量率由13.82%增加至23.95%;當(dāng)氫氧化鈉的質(zhì)量濃度為15 g/L，表面活性劑1227的質(zhì)量濃度為2 g/L時(shí)，堿減量率高達(dá)33.77%。

2.2?堿減量率對滌綸工業(yè)絲表面形貌的影響

以FE-SEM考察了堿減量率分別為0、13.82%、22.60%、23.95%和33.77%5種滌綸工業(yè)絲試樣的表面形貌，結(jié)果如圖2所示。

僅經(jīng)去油處理的工業(yè)絲堿減量率為0，其SEM照如圖2（a）所示，工業(yè)絲表面平整光滑，呈圓柱狀。當(dāng)堿減量率為13.82%時(shí)，工業(yè)絲的表面形貌如圖2（b）所示，受到堿處理對滌綸刻蝕作用，工業(yè)絲表面變得粗糙，密布著點(diǎn)式凹坑和小溝痕。圖2（c）（d）分別為22.60%和23.95%堿減量率的工業(yè)絲SEM照，雖然兩者的堿減量率接近，但是通過對比高倍率下SEM照，不難發(fā)現(xiàn)堿減量率為22.60%的滌綸工業(yè)絲表面凹坑較深，堿減量率為23.95%的滌綸工業(yè)絲表面凹坑較大，表明這兩種條件下堿處理對滌綸工業(yè)絲損傷較大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因與這兩種情況下堿處理的工藝條件有關(guān)。堿減量率為22.60%的滌綸工業(yè)絲表面凹坑較深，說明該堿處理工藝中表面活性劑的濃度偏高，表面活性劑的滲透作用使得滌綸工業(yè)絲的水解向滌綸工業(yè)絲的內(nèi)部進(jìn)行。堿減量率為23.95%的滌綸工業(yè)絲表面凹坑面積較大，說明該堿處理工藝中氫氧化鈉的濃度偏高，造成水解速率過快，產(chǎn)生了較大面積的凹坑。堿減量率為33.77%的滌綸工業(yè)絲的SEM照如圖2（e）所示，可以明顯看出滌綸工業(yè)絲表面有清晰的片狀，表明滌綸絲在堿處理的過程中出現(xiàn)了“剝皮現(xiàn)象”。這主要是由于隨著堿處理過程中氫氧化鈉與表面活性劑濃度的進(jìn)一步增大，使得滌綸工業(yè)絲的水解作用進(jìn)一步加劇，從而產(chǎn)生大面積的脫落。

2.3?堿減量率對滌綸工業(yè)絲浸潤性能的影響

動態(tài)接觸角是表征固體浸潤性能的指標(biāo)[13]，動態(tài)接觸角越小，表明固體與液體之間的浸潤性能越好。堿減量率對滌綸工業(yè)絲與水的動態(tài)接觸角的影響如圖3所示。

由圖3可以看出，5種滌綸工業(yè)絲試樣中，堿減量率為22.60%的滌綸工業(yè)絲與水的動態(tài)接觸角最小，為47.68°，表明堿減量率為22.60%的滌綸工業(yè)絲與水的浸潤性能最好;堿減量率為23.95%與13.82%的滌綸工業(yè)絲與水的動態(tài)接觸角略有增大，分別為55.43°和59.29°;堿減量率為33.77%的滌綸工業(yè)絲與水的動態(tài)接觸角進(jìn)一步增大，為72.38°;堿減量率為0（未經(jīng)堿處理）的滌綸工業(yè)絲與水的動態(tài)接觸角最大，為78.89°，表明未經(jīng)堿處理的滌綸工業(yè)絲與水的浸潤性能最差。這主要是由于滌綸除大分子兩端各有一個(gè)羥基外，分子中不含其他親水性基團(tuán)，而且結(jié)晶度高，分子排列緊密[14]。經(jīng)過堿處理，滌綸分子發(fā)生水解，產(chǎn)生的羧基和羥基等親水性基團(tuán)增多，使得滌綸工業(yè)絲與水的浸潤性能變好。但分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，滌綸工業(yè)絲與水的浸潤性能并不隨堿減量率的增大而變好，這主要是由于滌綸工業(yè)絲與水的浸潤性還與滌綸工業(yè)絲表面的形態(tài)有關(guān)。滌綸工業(yè)絲表面粗糙度越大，點(diǎn)式凹坑越深，其比表面積越大，為吸附水分子創(chuàng)造更有利條件，就越有利于其與水浸潤。因此，堿減量率為22.60%的滌綸工業(yè)絲與水的浸潤性能最好。這一結(jié)果與上文滌綸工業(yè)絲表面形貌分析的結(jié)果非常吻合。

2.4?堿減量率對滌綸工業(yè)絲拉伸性能的影響

圖4對比了不同堿減量率對滌綸工業(yè)絲的拉伸斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長率的影響。

未經(jīng)過堿處理（堿減量率為0）的滌綸工業(yè)絲的拉伸斷裂強(qiáng)度為0.852 GPa，拉伸斷裂伸長率為12.57%。隨著堿減量率的增加，工業(yè)絲的斷裂強(qiáng)力和伸長率均呈降低的趨勢。堿減量率為13.82%的滌綸工業(yè)絲，其拉伸斷裂強(qiáng)度和拉伸斷裂伸長率分別為0.837 GPa和12.26%。在α=0.05水平下，分別對未經(jīng)過堿處理的滌綸工業(yè)絲與堿減量率為13.82%的滌綸工業(yè)絲的拉伸斷裂強(qiáng)度和伸長率進(jìn)行T檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)兩種試樣的拉伸斷裂強(qiáng)度與伸長率均沒有顯著性差異，說明13.82%堿減量率的工業(yè)絲在表面發(fā)生水解作用，工業(yè)絲的本體性能幾乎沒有損傷。隨著堿處理強(qiáng)度的增大，堿溶液對滌綸工業(yè)絲的水解作用也進(jìn)一步強(qiáng)烈，對滌綸的損傷也逐漸向滌綸工業(yè)絲內(nèi)部滲透。堿減量率為33.77%的滌綸工業(yè)絲，其拉伸斷裂強(qiáng)度和拉伸斷裂伸長率分別為0.672 GPa和10.16%，相較于未經(jīng)過堿減量的滌綸工業(yè)絲，拉伸斷裂強(qiáng)度和拉伸斷裂伸長率分別降低了21.13%和19.17%，由此表明工業(yè)絲的拉伸性能受到明顯損傷。

3?結(jié)?論

通過改變堿處理工藝，得到了4種不同堿減量率的滌綸工業(yè)絲，考察了堿減量率對滌綸工業(yè)絲表面及拉伸性能的影響，研究表明：

1） 未經(jīng)堿處理的滌綸工業(yè)絲表面光滑，堿減量率為1382%的工業(yè)絲表面密布著點(diǎn)式凹坑和小溝痕，堿減量率為22.60%的工業(yè)絲表面凹坑變深，堿減量率為23.95%的滌綸絲表面凹坑面積變大，堿減量率為33.77%的絲表面出現(xiàn)了“剝皮”現(xiàn)象。

2） 5種試樣中，堿減量率為22.60%的滌綸工業(yè)絲的浸潤性能最好，堿減量率為23.95%與13.82%的滌綸工業(yè)絲的浸潤性能次之，未經(jīng)堿處理的滌綸工業(yè)絲浸潤性能最差。

3） 堿減量率為13.82%的滌綸工業(yè)絲的拉伸性能受到的損傷可忽略。隨著堿減量率的增大，滌綸工業(yè)絲的拉伸性能受到的損傷越大，堿減量率為33.77%時(shí)，其拉伸斷裂強(qiáng)度和伸長率相較于堿處理前分別降低了21.13%和19.17%。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊志超， 陳文興， 溫國奇， 等. 高強(qiáng)低伸型滌綸工業(yè)絲的制備及力學(xué)性能研究[J]. 合成纖維工業(yè)， 2017， 40（4）： 1-4.

YANG Zhichao， CHEN Wenxing， WEN Guoqi， et al. Preparation and mechanical properties of high-strength low-elongation polyester industrial yarn [J]. China Synthetic Fiber Industry， 2017， 40（4）： 1-4.

[2]王玉萍. 滌綸工業(yè)絲行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用研究[J]. 合成纖維， 2011， 40（9）： 1-6.

WANG Yuping. Development situation and application of polyester technical yarn industry[J]. Synthetic Fiber in China， 2011， 40（9）： 1-6.

[3]姚軍義， 王玉合， 吳旭華， 等. 國內(nèi)滌綸工業(yè)絲發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 合成技術(shù)及應(yīng)用， 2017， 32（2）： 26-30.

YAO Junyi， WANG Yuhe， WU Xuhua， et al. Development status of polyester industry filament in China[J]. Synthetic Technology and Application， 2017， 32（2）： 26-30.

[4]汪瀟， 王云， 潘琪， 等. 滌綸工業(yè)絲的晶態(tài)結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系[J]. 合成纖維工業(yè)， 2012， 35（1）： 35-38.

WANG Xiao， WANG Yun， PAN Qi， et al. Relationship between crystalline structure and properties of PET industrial yarn[J]. China Synthetic Fiber Industry， 2012， 35（1）： 35-38.

[5]AZIZ S H， ANSELL M P. The effect of alkalization and fibre alignment on the mechanical and thermal properties of kenaf and hemp bast fibre composites： part 1-polyester resin matrix[J]. Composites Science and Technology， 2004， 64（9）： 1219-1230.

[6]胡智文， 傅雅琴， 陳文興. 化學(xué)法聚酯纖維表面改性研究[J]. 紡織學(xué)報(bào)， 2001， 22（4）： 57-59.

HU Zhiwen， FU Yaqin， CHEN Wenxing. Studies on chemical modification of PET fiber surface[J]. Journal of Textile Research， 2001， 22（4）： 57-59.

[7]SOJKA-LEDAKOWICZ J， KUDZIN M H. Effect of plasma modification on the chemical structure of a polyethylene terephthalate fabrics surface[J]. Fibers and Textiles in Eastern Europe， 2014， 22（6）： 118-122.

[8]ZHENG Z， REN L， FENG W， et al. Surface characterization of polyethylene terephthalate films treated by ammonia low-temperature plasma[J]. Applied Surface Science， 2012， 258（18）： 7207-7212.

[9]秦偉， 張志謙， 黃玉東， 等. 冷等離子體處理對滌綸纖維表面性能的影響[J]. 材料科學(xué)與工藝， 2001， 9（1）： 23-25.

QIN Wei， ZHANG Zhiqian， HUANG Yudong， et al. Effect of cold plasma treatment on surface of properties PET fibers[J]. Materials Science and Technology， 2001， 9（1）： 23-25.

[10]KARACA B， OZDOGAN E. A study on surface characterization of enzyme treated polyethylene terephthalate fibers by XPS and AFM[J]. Tekstil Ve Konfeksiyon， 2013， 23（1）： 16-22.

[11]DONELLI I， TADDEI P， SMET P F， et al. Enzymatic surface modification and functionalization of PET： a water contact angle， FTIR， and fluorescence spectroscopy study [J]. Biotechnology and Bioengineering， 2009， 103（5）： 845-856.

[12]CHEN X， WANG Y， DAI G L， et al. Radiation grafting of glycidyl methacrylate and divinylbenzene onto polyethylene terephthalate fabrics for improving anti-dripping performance[J]. Radiation Physics and Chemistry， 2016， 127： 256-263.

[13]趙振國. 接觸角及其在表面化學(xué)研究中的應(yīng)用[J]. 化學(xué)研究與應(yīng)用， 2000， 12（4）： 370-374.

ZHAO Zhenguo. Contact angle and its application in surface chemistry research[J]. Chemical Research and Application， 2000， 12（4）： 370-374.

[14]葛陳程， 呂汪洋， 石教學(xué)， 等. 應(yīng)用二維X射線衍射法測定滌綸工業(yè)絲結(jié)晶和取向行為[J]. 紡織學(xué)報(bào)， 2018， 39（3）： 19-25.

GE Chencheng， L Wangyang， SHI Jiaoxue， et al. Measurement of crystallinity and crystal orientation of polyester industrial yarns by 2-D X-ray diffraction [J]. Journal of Textile Research， 2018， 39（3）： 19-25.