高卷曲聚醚酯/聚酯并列復合纖維的制備及其性能

何 崎， 李軍令， 靳高嶺， 劉 津， 柯福佑， 陳 燁， 王華平

1. 東華大學 纖維材料改性國家重點實驗室， 上海 201620； 2. 東華大學 材料科學與工程學院， 上海 201620； 3. 中國化學纖維工業(yè)協(xié)會， 北京 100020)

消費者生活品質(zhì)日益提高，對紡織品的要求也在滿足舒適度的基礎上，向著高附加值方向發(fā)展[1-2]。高卷曲纖維具有良好的蓬松性、彈性、柔軟性、穩(wěn)定性和透氣性，是功能舒適性產(chǎn)品中的重要產(chǎn)品之一。對于內(nèi)衣、運動服和夏裝來說，除良好的舒適性外，還要具有優(yōu)良的吸濕排汗性能[3]。并列復合纖維是利用2種相容性較好的高聚物之間的收縮率差和應力差，形成穩(wěn)定的三維螺旋卷曲結構，具有優(yōu)異的卷曲彈性及保形性能，在服用纖維上得到廣泛的應用。

并列型聚酯基復合纖維的2個組分一般具有相容性好、熱收縮差值大等特點。聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚對苯二甲酸丙二醇酯(PTT)是應用最廣泛的復合雙組分彈性纖維的原料，2個組分在牽伸及后處理過程中產(chǎn)生的熱收縮差及應力差，使復合纖維形成具有永久穩(wěn)定的三維螺旋卷曲結構[4-6]，其優(yōu)異的卷曲彈性，在女士內(nèi)衣、絲襪、織帶等彈性織物以及高品質(zhì)褲料、裙料等領域得到廣泛應用。

并列復合纖維的高卷曲性和高彈性回復性是現(xiàn)在差別化纖維開發(fā)與應用所注重的，與傳統(tǒng)的氨綸相比，此類并列復合纖維具有原料成本低、可熔融紡絲、生產(chǎn)效率高、彈性保持持久、耐氯漂、耐老化等優(yōu)勢[5-8]。但原料之一的PTT成本較高，在大規(guī)模生產(chǎn)上受到限制，所以選用價格低廉的聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)代替PTT，但PBT/PET復合纖維仍存在卷曲率和卷曲回復率不足等問題，亟需進一步提高。通過共聚改性的方法在PBT中引入大分子鏈四氫呋喃均聚醚(PTMG)柔性鏈段，無定形的PTMG不僅可以提高復合纖維的彈性，醚鍵也易與水分子形成氫鍵，從而可進一步提升復合纖維的抗靜電性能[9]，使服用纖維具有高彈保形性能的同時，保持優(yōu)異的舒適性。為此，本文以聚醚酯(PTMG-PBT)和PET為原料制備并列復合纖維，研究PTMG質(zhì)量分數(shù)及熱處理工藝對并列復合纖維親水性能、力學性能、卷曲性能及染色性能等的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

PET和PBT切片，中國儀征化纖有限公司；聚醚酯(硬段為PBT，軟段為PTMG，數(shù)均分子量為2 000 g/mol)，上海益彈新材料有限公司，各原料參數(shù)如表1所示。分散藍2BLN,深圳市德彩顏料化工有限公司。

表1 原料切片基本性能參數(shù)

1.2 并列復合纖維的制備工藝

將PET、PBT和PTMG-PBT切片在DHJ914型轉鼓烘箱中于120 ℃預結晶4 h，然后在165 ℃下烘料16 h，使切片中水分控制在0.003%以下。然后，通過自制的雙螺桿熔融紡絲機制備得到并列復合纖維。牽伸溫度為150 ℃，牽伸倍數(shù)為4.5倍。紡絲流程及工藝參數(shù)如圖1和表2所示，所制得的并列復合纖維規(guī)格如表3所示。

表2 并列復合纖維紡絲參數(shù)

表3 并列復合纖維規(guī)格

圖1 并列復合纖維的制備流程

1.3 測試與表征

1.3.1 表面水接觸角測試

首先，采用WZS10D型微型注塑機制備圓柱形PTMG-PBT聚醚酯樣條；然后，采用OCA 40 Micro型接觸角測量儀測試其水接觸角，每個待測樣選取5個不同點測試，結果取平均值。

1.3.2 吸水率與吸濕性能測試

按照GB/T 21655.2—2019《紡織品 吸濕速干性的評定 第2部分: 動態(tài)水分傳遞法》對聚醚酯試樣的吸水率與吸濕性能進行測試。吸水率測試：將樣條在120 ℃干燥24 h后取出稱量，質(zhì)量記為m1，然后浸泡在恒定溫度為25 ℃的去離子水中，24 h后取出稱量，質(zhì)量為m2(均精確至0.1 mg)。吸濕率測試：另取試樣質(zhì)量為m3，在溫度為25 ℃、相對濕度為65%的環(huán)境中平衡放置24 h后，取出稱量，質(zhì)量記為m4(均精確至0.1 mg)。通過下式計算試樣的吸水率(W)及吸濕率(M)：

W=(m2-m1)/m1×100%

M=(m4-m3)/m3×100%

1.3.3 體積比電阻率測試

采用ZC-90F型高絕緣電阻測量儀對并列復合纖維的電阻(Rv,Ω)進行測試，每個試樣測試5次計算平均值，根據(jù)下式計算復合纖維的體積比電阻率(ρ):

ρ=RvS/d

式中：S為橫截面積，m2；d為平均厚度，m。

1.3.4 取向性能測試

采用SCY-Ⅲ型聲速取向儀測試并列復合纖維的取向度，預加張力約為0.1 cN/dtex。

1.3.5 力學性能測試

采用XN-1A型氨綸彈性儀測試并列復合纖維的斷裂強度和斷裂伸長率。夾持距離為200 mm，拉伸速度為200 mm/min，每個樣品分別測試20次以上取平均值。

1.3.6 沸水收縮率測試

根據(jù)GB/T 6505—2017《化學纖維 長絲熱收縮率試驗方法(處理后)》，取一定長度并列復合纖維長度記為L0，將紗布包好的纖維在恒溫水浴箱中浸泡30 min后，測試纖維的長度記為L1(均精確至0.01 mm)，根據(jù)下式計算纖維的沸水收縮率(S)：

S=(L0-L1)/L0×100%

1.3.7 卷曲性能測試

取一定長度并列復合纖維固定一端，對纖維施加輕載荷，此時纖維長度為L2；再給纖維施加重負荷，記纖維長度為L3，保持30 s后除去重負荷，纖維回復2 min后記纖維長度為L4(均精確至0.01 mm)，按照下式計算纖維的卷曲率(J)及卷曲回復率(Jw)：

J=(L3-L2)/L3×100%

Jw=(L3-L4)/L3×100%

為分析干熱處理和濕熱處理對并列復合纖維卷曲性能的影響，對其進行進一步熱處理。干熱處理：將纖維在不同溫度的鼓風烘箱中進行干熱處理一定時間，取出后在標準環(huán)境下靜置24 h后進行性能測試。濕熱處理：將紗布包好的纖維在不同溫度的恒溫水浴鍋中濕熱處理不同時間，取出自然干燥后，在標準環(huán)境下靜置24 h進行性能測試。

1.3.8 常壓上染率測試

依據(jù)GB/T 6508—2015《滌綸長絲染色均勻度試驗方法》，按照1∶20的浴比將并列復合纖維在60 ℃的皂液中煮練20 min，除去表面的油劑。然后，配制質(zhì)量分數(shù)為2%的分散藍2BLN染液，采用LambdaA35型紫外分光光度儀測量其吸光度，記為A0，并測量溶液的稀釋倍數(shù)，記為N0；將纖維按照1∶50的浴比進行常壓沸染60 min，取出纖維后測量染色后溶液的吸光度，記為Ai，計算染色后溶液的稀釋倍數(shù)，記為Ni。按照下式計算纖維的上染率(Y)：

Y=(1-AiNi/A0N0)×100%

2 結果與討論

2.1 PTMG-PBT聚醚酯的親水性能

圖2示出不同PTMG質(zhì)量分數(shù)聚醚酯的水接觸角測試結果?？梢钥闯觯杭働BT的水接觸角為88.12°；加入PTMG后，聚醚酯的水接觸角逐漸降低，當PTMG質(zhì)量分數(shù)為55%時水接觸角最小，為63.81°。這是因為PTMG分子鏈中的醚鍵易與水分子結合形成氫鍵，使PMTG-PBT聚醚酯表面能增大，從而水接觸角降低，親水性能逐漸變好。

圖2 不同PTMG質(zhì)量分數(shù)PTMG-PBT的水接觸角

表4示出PBT和PTMG-PBT的吸水與吸濕率及體積比電阻測試結果。

表4 PBT和PTMG-PBT的吸水吸濕性及體積比電阻

由表4可以看出，純PBT的吸水吸濕性較差，加入PTMG后聚醚酯的吸水吸濕性變好，體積比電阻下降，吸水率最高可達4.10%,吸濕率為1.62%，體積比電阻為1.25×1010Ω·cm。這是因為 PTMG分子鏈中具有親水性能的醚鍵，醚鍵上含有孤對電子，使通過質(zhì)子實現(xiàn)電荷的轉移更加容易，對聚醚酯的吸水吸濕性能具有促進作用；同時，柔性PTMG鏈段的質(zhì)量分數(shù)增大，PTMG-PBT中無定形區(qū)的占比增大，分子鏈運動使得聚醚酯內(nèi)部空隙變多，因此，吸水吸濕性及導電性能得到顯著提升[10-11]。

2.2 取向性分析

圖3示出PTMG-PBT/PET并列復合纖維的取向因子測試結果?？梢钥闯?，并列復合纖維的聲速取向因子隨著PTMG質(zhì)量分數(shù)的增加呈現(xiàn)下降趨勢，PTMG質(zhì)量分數(shù)增加至55%時，取向因子從0.87降低至0.46，降低了約47%。在PTMG-PBT/PET并列復合纖維中，硬段PBT結晶微區(qū)規(guī)整度較高，而柔性PTMG鏈段呈無定形狀態(tài)，PTMG質(zhì)量分數(shù)越大，纖維內(nèi)部不規(guī)則的非晶區(qū)含量越大，因此，取向度越低[12]。

圖3 不同PTMG質(zhì)量分數(shù)的并列復合纖維的取向性能

2.3 力學性能分析

表5示出PTMG-PBT/PET并列復合纖維力學性能測試結果。

表5 并列復合纖維的力學性能

由表5可以看出，隨著PTMG質(zhì)量分數(shù)的增加，并列復合纖維的斷裂強度整體呈現(xiàn)下降的趨勢，當PTMG的質(zhì)量分數(shù)為55%時，斷裂強度僅為1.97 cN/dtex，而斷裂伸長率則呈現(xiàn)上升的趨勢，最高可達90.1%。這是因為高模量的PET組分對并列復合纖維的支撐作用被弱化，而低模量的PTMG-PBT組分逐漸起到主導作用。

2.4 沸水收縮率分析

圖4示出PTMG-PBT/PET并列復合纖維的沸水收縮率隨PTMG質(zhì)量分數(shù)的變化?？梢钥闯?，并列復合纖維的沸水收縮率隨著PTMG的加入明顯升高，最高可達20%。這是因為柔性鏈段PTMG的增加使并列復合纖維中非晶區(qū)增加，在較高溫度下無定形區(qū)受熱易發(fā)生解取向，纖維發(fā)生熱收縮從而使沸水收縮率提高[13]。

2.5 卷曲性能分析

并列復合纖維的雙組分在經(jīng)過牽伸取向后，由于雙組份不同的取向產(chǎn)生的應力差賦予了纖維卷曲結構。圖5示出不同PTMG質(zhì)量分數(shù)的PTMG-PBT/PET并列復合纖維的卷曲率?？芍琍TMG質(zhì)量分數(shù)的增加賦予了并列復合纖維更好的卷曲率，最高可達到48%。

圖5 不同PTMG質(zhì)量分數(shù)的并列復合纖維的卷曲率

并列復合纖維的2個組分在受熱時熱收縮率不同，在熱處理過程中，復合纖維內(nèi)部的熱收縮應力能夠得到充分釋放，從而獲得更加穩(wěn)定的三維卷曲結構，是提高并列復合纖維卷曲性能的重要方法，熱處理可分為干熱處理和濕熱處理[14]。圖6示出干熱處理工藝對不同PTMG質(zhì)量分數(shù)的并列復合纖維卷曲性能的影響。由圖6(a)可知，當干熱處理溫度上升時，并列復合纖維的卷曲率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。這表明并列復合纖維在后期熱處理過程中，PET纖維和PTMG-PBT纖維在100 ℃的收縮差達到最大值，從而表現(xiàn)出最好的卷曲性能。由圖6(b)可知，并列復合纖維的卷曲率隨著干熱處理時間的增加先升高后下降。綜上，PTMG-PBT/PET并列復合纖維在100 ℃的干熱處理條件下處理5 min，卷曲性能達到最佳，其卷曲率為65%，卷曲回復率為52%。

圖6 干熱處理對并列復合纖維卷曲性能的影響

圖7示出PTMG-PBT45/PET并列復合纖維在100 ℃不同熱處理工藝下的卷曲性能。可以看出，復合纖維的卷曲性能隨著熱處理時間的增大先提升后下降，且濕熱條件下更利于纖維卷曲性能的提升。當濕熱處理5 min時，并列復合纖維的卷曲率及卷曲回復率達到最高值，分別為70%和55%。在相同溫度下，水分子比空氣具有更高的能量，更有利于并列復合纖維吸收能量釋放內(nèi)應力，賦予纖維更好的卷曲性能[11]。

圖7 不同熱處理下并列復合纖維的卷曲性能

2.6 纖維的染色性能

并列復合纖維因其特殊的三維螺旋卷曲結構及優(yōu)異的卷曲彈性，在染色時溫度不宜設置過高。圖8示出不同并列復合纖維常壓沸染的上染率測試結果。

圖8 不同PTMG質(zhì)量分數(shù)的并列復合纖維的上染率

由圖8可以看出：不含PTMG的并列復合纖維的上染率僅為84.12%；隨著PTMG質(zhì)量分數(shù)的增加，并列復合纖維的上染率逐漸上升，當PTMG質(zhì)量分數(shù)為55%時，上染率最高，為93.25%，較PBT/PET并列復合纖維高12%。這是因為在較高溫度下，柔性PTMG鏈段的加入提升了纖維無定形區(qū)含量，分子鏈運動時產(chǎn)生大量的瞬間孔隙，與醚鍵具有良好親和性的染料分子能夠更好地擴散進入到纖維內(nèi)部，使纖維上染率提高[15]。

3 結 論

以聚醚酯(PTMG-PBT)和聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)為原料通過熔融紡絲制備了一系列添加不同質(zhì)量分數(shù)PTMG的并列復合纖維，研究了PTMG質(zhì)量分數(shù)及熱處理對聚醚酯及其并列復合纖維親水性能、卷曲性能和染色性能的影響，得到如下主要結論。

1)PTMG的質(zhì)量分數(shù)越高，PTMG-PBT聚醚酯的親水性能越好，水接觸角越小，其中當PTMG質(zhì)量分數(shù)為55%時，吸水率為4.10%，吸濕率為1.62%，接觸角為63.81°，體積比電阻為1.25×1010Ω·cm。

2)并列復合纖維的卷曲性能隨著PTMG質(zhì)量分數(shù)的增加而增加；熱處理能夠進一步提升纖維的性能，在100 ℃下濕熱處理5 min，PTMG質(zhì)量分數(shù)為55%的PTMG-PBT/PET的并列復合纖維的卷曲率可達70%，卷曲回復率可達55%。

3)在常壓沸染下，PTMG-PBT/PET并列復合纖維的上染率隨著PTMG質(zhì)量分數(shù)的增加而增加，上染率最高可達93.25%。