熱處理和堿處理對(duì)陽(yáng)離子可染短纖維力學(xué)性能的影響

楊童童，韓春艷,2，陳 艷，尹建新，賈君君，李 娜，雷青松

(1. 中國(guó)石化儀征化纖有限責(zé)任公司，江蘇儀征 211900； 2. 江蘇省高性能纖維重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇儀征 211900)

聚酯滌綸纖維具有強(qiáng)度高、模量高、尺寸穩(wěn)定性好、耐磨耐熱、挺括不皺等特點(diǎn)，被廣泛用于各類紡織品領(lǐng)域[1]。但由于滌綸纖維只能在高溫高壓下使用分散染料進(jìn)行染色，并且具有吸濕透氣性差、靜電大、易起球等特點(diǎn)，這限制了滌綸纖維的應(yīng)用和發(fā)展。而ECDP纖維不僅可以使用陽(yáng)離子染料在常壓下進(jìn)行染色，上染率高，色譜廣，色澤鮮艷[2]，而且與普通滌綸纖維相比，其抗起毛起球性能好，具有手感柔軟、吸濕性好、環(huán)保低能等特點(diǎn)，也可作為腈綸和黏膠的替代產(chǎn)品在毛紡、棉紡上有一定應(yīng)用。經(jīng)查閱，有關(guān)聚酯滌綸纖維堿處理的報(bào)道較多[3-8]，而對(duì)ECDP纖維的熱處理和堿處理系統(tǒng)的研究報(bào)道甚少。ECDP纖維經(jīng)過(guò)熱處理和堿處理，纖維的柔軟性和吸濕性提高，滿足后道使用需求。因此，ECDP纖維的耐熱耐堿性尤其受到關(guān)注。本文系統(tǒng)地研究了熱處理工藝分別對(duì)酯型和醚型ECDP纖維力學(xué)性能的影響，以及堿處理工藝對(duì)醚型ECDP纖維結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。通過(guò)對(duì)比測(cè)試分析，找出合適的處理?xiàng)l件，為今后的生產(chǎn)實(shí)踐提供參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 原料

材料：1.33 dtex×38 mm的酯型和醚型兩種ECDP纖維，中國(guó)石化儀征化纖有限公司熔體直紡。

試劑：氫氧化鈉，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；去離子水，自制。

1.2 儀器設(shè)備

振蕩式常壓染色機(jī)，HBC-24型，佛山順德容桂市薈寶染整機(jī)械廠；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，DHG-9146A型，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；PH計(jì)，PHS-3C型，上海雷磁儀器有限公司；電子分析天平，MS-204S型，瑞士METTLER TOLETO公司；短纖強(qiáng)伸儀，XQ-2型，上海新纖儀器有限公司；掃描電子顯微鏡，Nova NanoSEM 450型，F(xiàn)EI公司。

1.3 熱處理和堿處理實(shí)驗(yàn)

1.3.1 熱處理實(shí)驗(yàn)

熱處理實(shí)驗(yàn)采用電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，對(duì)酯型和醚型兩種ECDP纖維進(jìn)行干熱處理，將兩種ECDP纖維在松弛狀態(tài)下放入烘箱內(nèi)，在指定的溫度下處理一定時(shí)間，取出后放在溫度為20 ℃濕度為65%的標(biāo)準(zhǔn)條件下平衡24 h后待用。通過(guò)改變干熱處理溫度(160～200 ℃)，探討熱處理溫度和時(shí)間對(duì)酯型和醚型ECDP纖維力學(xué)性能的影響。

1.3.2 堿處理實(shí)驗(yàn)

堿處理實(shí)驗(yàn)采用振蕩式常壓染色機(jī)，按浴比1∶100 配制處理液，將處理液置于振蕩水浴鍋中加熱到規(guī)定的溫度，投入經(jīng)準(zhǔn)確稱量的醚型ECDP纖維，恒溫下處理一定時(shí)間，取出，用水沖洗，晾干，待用。通過(guò)改變堿液濃度(2.5～200 g/L)、堿處理溫度(75～95 ℃)和堿處理時(shí)間(15～90 min)，探討堿液濃度、處理溫度、處理時(shí)間對(duì)醚型ECDP纖維力學(xué)性能的影響。

1.4 分析測(cè)試

1.4.1 表面形態(tài)表征

將分散的ECDP纖維樣品平鋪在固定的樣品座上，放入208HR離子濺射儀進(jìn)行噴鍍處理，經(jīng)處理后的試樣用Nova NanoSEM 450型掃描電子顯微鏡觀察纖維表面形態(tài)結(jié)構(gòu)。

1.4.2 纖維力學(xué)性能表征

纖維力學(xué)性能測(cè)試采用纖維強(qiáng)伸度儀，參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14337中“斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)測(cè)定方法”，夾持長(zhǎng)度為20 mm，拉伸速度為20 mm/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱處理對(duì)ECDP短纖維力學(xué)性能的影響

本實(shí)驗(yàn)選取醚型和酯型兩種ECDP纖維，分別在不同條件下進(jìn)行熱處理10 min，處理溫度均高于常壓可染陽(yáng)離子纖維的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(60～70 ℃)，測(cè)定干熱處理試樣熱處理前后的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率、定伸長(zhǎng)負(fù)荷和模量。熱處理?xiàng)l件對(duì)醚型和酯型兩種ECDP纖維的強(qiáng)度保持率、斷裂伸長(zhǎng)率、定伸長(zhǎng)負(fù)荷以及模量的影響如圖1～4所示。

圖1 干熱處理溫度對(duì)醚型和酯型ECDP 纖維斷裂強(qiáng)度的影響

由圖1可以看出，當(dāng)醚型ECDP纖維的熱處理溫度在170 ℃以內(nèi)，酯型ECDP纖維的熱處理溫度低于190 ℃時(shí)，兩者的強(qiáng)度保持率均高于100%，這可能是因?yàn)檩^低的熱處理溫度使得纖維內(nèi)的一些相對(duì)不穩(wěn)定的分子間作用力得到了舒解，并且重建成了較為穩(wěn)定的分子間作用力，不僅調(diào)整了纖維間的微細(xì)結(jié)構(gòu)，而且使纖維的總體取向度和結(jié)晶度提高，結(jié)晶區(qū)的大小和結(jié)晶度達(dá)到一個(gè)新的狀態(tài)，使纖維結(jié)構(gòu)均勻化。整體上來(lái)看，熱處理時(shí)間不變，隨處理溫度的升高，醚型ECDP纖維強(qiáng)度有明顯的下降趨勢(shì)，但其強(qiáng)度保持率仍能在92%以上。酯型ECDP纖維強(qiáng)度下降不明顯，且當(dāng)處理溫度達(dá)到200 ℃時(shí)，酯型ECDP纖維強(qiáng)度的保持率仍高于96%。這可能是由于纖維受熱后，伴隨著非晶區(qū)大分子鏈段的“解凍”以及纖維取向結(jié)構(gòu)的變化，纖維內(nèi)部不同結(jié)構(gòu)區(qū)域發(fā)生熱收縮，斷裂強(qiáng)度下降。并且由以上結(jié)果可以看出，酯型ECDP纖維的耐熱性要比醚型的好，并且ECDP纖維的熱處理溫度在180 ℃以下時(shí)，較為合適。

由圖2可以看出，醚型和酯型ECDP纖維在不同溫度下進(jìn)行干熱處理后，其斷裂伸長(zhǎng)率總體上呈現(xiàn)增大趨勢(shì)(醚型ECDP斷裂伸長(zhǎng)率為30.43%，酯型為38.34%)，但在160～180 ℃范圍內(nèi)處理時(shí)間相同時(shí)，伸長(zhǎng)率的變化較為復(fù)雜，這說(shuō)明在該溫度范圍內(nèi)，纖維的微觀結(jié)構(gòu)的變化較為復(fù)雜，這是纖維大分子鏈解取向和結(jié)晶同時(shí)作用的結(jié)果。當(dāng)處理溫度超過(guò)180 ℃時(shí)，其斷裂伸長(zhǎng)率陡然升高，此時(shí)，解取向占主要作用，在外力作用下，收縮的大分子鏈可能伸長(zhǎng)，伸長(zhǎng)率升高。由圖3可知，熱處理溫度對(duì)纖維在10%定伸長(zhǎng)率下的拉伸負(fù)荷影響也比較明顯(醚型ECDP為2.19 cN，酯型為2.22 cN)，醚型和酯型ECDP纖維在160 ℃下處理10 min后，10%定伸長(zhǎng)負(fù)荷基本降到2.0 cN以下，且隨溫度的升高而不斷減小。這一指標(biāo)是纖維與棉、黏膠等纖維混紡時(shí)相匹配的指標(biāo)，纖維的定伸長(zhǎng)負(fù)荷過(guò)低，混紡過(guò)程中強(qiáng)力低于棉等纖維，會(huì)導(dǎo)致紗線強(qiáng)力過(guò)低。因此，10%定伸長(zhǎng)負(fù)荷不宜過(guò)低。從圖4結(jié)果可看出，ECDP纖維經(jīng)高溫?zé)崽幚砗罄炷Ａ烤兇?醚型模量為21.56 cN/dtex,酯型為23.64 cN/dtex)，在160 ℃ 熱處理10 min后，纖維的模量均顯著提高，而隨著溫度進(jìn)一步升高，纖維的模量基本保持穩(wěn)定，不再上升，表明纖維在經(jīng)熱處理后，大分子鏈結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，纖維結(jié)晶度提高，致使纖維模量提高。纖維模量增大會(huì)導(dǎo)致其織物手感變硬，影響后道使用。綜合圖1～4來(lái)看，ECDP纖維在170～180 ℃溫度下處理10 min，既能保證纖維具有較好的定型效果又具有優(yōu)良的彈性，并且醚型ECDP纖維熱處理溫度需要略低于酯型。

圖2 干熱處理溫度對(duì)醚型和酯型ECDP 纖維斷裂伸長(zhǎng)率的影響

圖3 干熱處理溫度對(duì)醚型和酯型ECDP 纖維10%下定伸長(zhǎng)負(fù)荷的影響

圖4 干熱處理溫度對(duì)醚型和酯型 ECDP纖維模量的影響

2.2 堿處理對(duì)醚型ECDP纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響

堿處理對(duì)聚酯纖維的降解是由表及里，處理?xiàng)l件達(dá)到一定程度，聚酯纖維表面便會(huì)產(chǎn)生破洞。堿液處理前后醚型ECDP纖維表面形態(tài)如圖5所示。

堿處理過(guò)程中，堿液從纖維表面逐漸向纖維內(nèi)部浸潤(rùn)，聚酯纖維表面結(jié)構(gòu)較疏松的非晶區(qū)和結(jié)晶有缺陷區(qū)域的大分子首先被水解而溶蝕[9]。由聚酯纖維的堿減量理論可知，堿液對(duì)纖維形成的刻蝕、損傷隨著堿濃度的提高及處理溫度、時(shí)間的上升而逐漸加大[10]。由圖5可知，未用堿液處理的醚型ECDP纖維表面光滑平整。在堿液濃度不變的情況下，在75 ℃下處理15 min后，纖維表面有輕微的刻蝕和龜裂；當(dāng)在75 ℃下處理45 min后，纖維表面刻蝕嚴(yán)重，并出現(xiàn)凹坑和破洞現(xiàn)象；將處理溫度提高到85 ℃，處理時(shí)間仍為45 min時(shí)，纖維表面出現(xiàn)嚴(yán)重破洞和凹槽，纖維嚴(yán)重受損。由此可知，在堿液濃度不變的情況下，隨處理時(shí)間和處理溫度的提高，醚型ECDP纖維損傷越嚴(yán)重，因此，需要嚴(yán)格控制堿處理的條件。

圖5 堿處理對(duì)醚型陽(yáng)離子可染短纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響

2.3 堿處理對(duì)醚型ECDP短纖維力學(xué)性能的影響

ECDP纖維在后道的應(yīng)用中大多是替代滌綸纖維與棉、黏膠等纖維進(jìn)行混紡，由于ECDP纖維的強(qiáng)力比普通滌綸低，經(jīng)過(guò)退漿、精練、絲光等工序處理后，纖維的強(qiáng)度會(huì)進(jìn)一步降低，將會(huì)影響織物的使用性能，因此必須對(duì)ECDP纖維的耐堿性進(jìn)行探究，從而制定適宜的堿處理?xiàng)l件，既要滿足染整要求，又要保證ECDP纖維比較小的強(qiáng)度降。

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)控制堿液濃度、堿處理時(shí)間和溫度，探究堿處理?xiàng)l件對(duì)醚型ECDP纖維斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)的影響，如圖6和圖7所示。

圖6和圖7分別列出了在堿液濃度(5 g/L)不變時(shí)，經(jīng)過(guò)不同的堿處理溫度和時(shí)間，醚型ECDP纖維斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的變化情況。從圖中可以看出，當(dāng)堿處理時(shí)間較短在15 min時(shí)，溫度對(duì)醚型ECDP纖維斷裂強(qiáng)度的影響不是很大，當(dāng)溫度低于85 ℃時(shí)，醚型ECDP纖維斷裂強(qiáng)度保持率可達(dá)到95%，當(dāng)溫度逐漸升高，斷裂強(qiáng)度有所下降，但仍能保持在90%以上。隨著堿處理時(shí)間的延長(zhǎng)，在溫度低于85 ℃時(shí)，醚型ECDP纖維斷裂強(qiáng)度保持率隨時(shí)間的延長(zhǎng)而略有降低，說(shuō)明在溫度低于85 ℃時(shí)，處理時(shí)間對(duì)醚型ECDP纖維斷裂強(qiáng)度的影響并不顯著。當(dāng)溫度超過(guò)85 ℃，隨著堿處理時(shí)間的延長(zhǎng)，醚型ECDP纖維斷裂強(qiáng)度保持率呈現(xiàn)出急劇下降的趨勢(shì)，進(jìn)一步地，當(dāng)溫度超過(guò)85 ℃，處理時(shí)間大于45 min 時(shí)，纖維斷裂強(qiáng)度保持率不足80%，此時(shí)醚型ECDP纖維損傷嚴(yán)重。因此，醚型ECDP纖維堿處理溫度最好能控制在85 ℃以下。由圖7可知，醚型ECDP纖維經(jīng)堿處理后，其斷裂伸長(zhǎng)率大幅下降(原樣為28.26%)，并且隨處理溫度的升高和處理時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷下降，當(dāng)溫度超過(guò)85 ℃時(shí)，斷裂伸長(zhǎng)率不再大幅下降，呈現(xiàn)逐漸穩(wěn)定的趨勢(shì)。

圖6 堿處理溫度和時(shí)間對(duì)醚型ECDP 纖維斷裂強(qiáng)度的影響

圖7 堿處理溫度和時(shí)間對(duì)醚型ECDP 纖維斷裂伸長(zhǎng)率的影響

由上述分析可知，堿處理時(shí)溫度應(yīng)控制在85 ℃以內(nèi)，為了進(jìn)一步地研究醚型ECDP纖維在堿溶液中處理時(shí)，堿液濃度和處理時(shí)間對(duì)其力學(xué)性能的影響，圖8～9展示了堿處理溫度(85 ℃)不變時(shí)，醚型ECDP纖維經(jīng)不同濃度的堿溶液處理不同時(shí)間后纖維強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的變化。

由圖8可以看出，醚型ECDP纖維在堿溶液濃度較小時(shí)，即使處理較長(zhǎng)時(shí)間，其強(qiáng)度保持率仍較高，可達(dá)到90%以上，其強(qiáng)度損失較小。而堿液濃度增大至10 g/L后，隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)，纖維強(qiáng)度陡降，纖維損傷嚴(yán)重。由圖9可知，醚型ECDP纖維的斷裂伸長(zhǎng)率整體上隨堿液濃度和處理時(shí)間的增大而下降(原樣為28.26%)。由此可見(jiàn)，堿液濃度對(duì)醚型ECDP纖維強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的影響較大，這可能是由于堿液會(huì)破壞纖維中的結(jié)晶部分，使得纖維的結(jié)晶度和取向度下降，隨堿液濃度的增加，纖維強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率明顯下降。綜上所述，在纖維以及織物的后整理過(guò)程中，考慮到醚型ECDP纖維的耐堿性，堿處理溫度不宜超過(guò)85 ℃，堿濃度最好低于7.5 g/L，時(shí)間控制在45 min以內(nèi)。

3 結(jié) 論

本文采用掃描電子顯微鏡、短纖強(qiáng)力儀對(duì)ECDP纖維進(jìn)行測(cè)試和表征，討論了熱處理和堿處理工藝條件對(duì)ECDP纖維表面形態(tài)和力學(xué)性能的影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出了ECDP纖維合適的熱處理和堿處理的工藝條件。

a) 隨溫度的升高，酯型和醚型ECDP纖維的斷裂強(qiáng)度先增大后減?。黄鋽嗔焉扉L(zhǎng)率隨溫度的升高而增大；溫度在160～200 ℃時(shí)，纖維的10%定伸長(zhǎng)負(fù)荷隨溫度升高而減小，且減小到2 cN以下；纖維模量經(jīng)熱處理后變大，但受溫度影響不大。酯型和醚型ECDP纖維在170～180 ℃溫度下處理10 min，既能保證纖維具有較好的定型效果又具有優(yōu)良的彈性。

b) 酯型ECDP纖維比醚型ECDP纖維耐熱性好。在進(jìn)行干熱處理時(shí)，醚型ECDP纖維的熱處理溫度要略低于酯型ECDP纖維。

c) 在堿液濃度不變的情況下，隨處理時(shí)間和處理溫度的提高，醚型ECDP纖維損傷逐漸嚴(yán)重，并且纖維表面伴隨出現(xiàn)龜裂和刻蝕，以及凹坑和破洞。因此，需嚴(yán)格控制堿處理的條件。

d) 醚型ECDP纖維的耐堿性比普通聚酯纖維弱，堿處理溫度不宜超過(guò)85 ℃，堿濃度最好低于7.5 g/L，時(shí)間控制在45 min以內(nèi)。