堿、雙氧水及熱處理對氨綸絲力學性能的影響

周方穎, 張一心(1.西安交通大學 材料學院, 西安 710049; 2.江陰職業技術學院 化學紡織工程系, 江蘇 江陰 214405;.西安工程大學 紡織與材料學院, 西安 710048)

研究與技術

堿、雙氧水及熱處理對氨綸絲力學性能的影響

周方穎1,2, 張一心3(1.西安交通大學 材料學院, 西安 710049; 2.江陰職業技術學院 化學紡織工程系, 江蘇 江陰 214405;3.西安工程大學 紡織與材料學院, 西安 710048)

采用堿處理、雙氧水處理、熱處理三種方式對氨綸絲進行處理，并對處理前后的氨綸絲分別進行拉伸斷裂性能、重復拉伸性能、應力松弛性能測試。結果表明，試驗條件下的堿處理、雙氧水處理和熱處理不會破壞氨綸絲內部結構，但是經過濕熱處理會使氨綸絲的應力松弛指標發生變化，宏觀表現為柔軟性和保形性的改變。因此，在對氨綸絲及其制品進行相應的染整加工時，應注重力學性能變化帶來的產品服用性能的變化。

氨綸絲; 力學性能; 堿處理; 雙氧水處理; 熱處理

良好的彈性性能是氨綸的顯著特征，因此氨綸成為生產優質彈性織物的重要紡織原料之一。但據有關資料報道，氨綸絲優異的拉伸及回復性能會受到溫度、化學作用和作用方式的影響[1]。對此，結合對氨綸絲使用較為廣泛的包芯紗、包覆紗的染整加工工藝，選擇堿處理、雙氧水處理、熱處理幾種方式對氨綸絲進行處理，并對處理前后的氨綸絲進行拉伸斷裂性能、重復拉伸性能、應力松弛性能的測試，以分析不同的處理方式對氨綸絲彈性力學性能的影響。

1 試 驗

1.1 材 料

試樣：采用33.3 dtex的氨綸絲(江蘇雙良氨綸有限公司)，在實驗室條件下平衡24 h。從每個卷裝上以至少2 m的間隔等量剪取，試樣長約1.25 m，制成試驗樣本。

藥品：NaOH(分析純，市售)，H2O2(分析純，H2O2含量30.0%，市售)。

儀器：HD009N電子單絲強力儀及配套電腦(南通宏大實驗儀器有限公司)，KASEN汽蒸定形機(廣東順德瑞邦機電設備廠)。

1.2 方 案

氨綸及其制品在染整加工過程中，一般會遇到煮練及定形加工，對氨綸絲進行堿處理、雙氧水處理及熱處理，具體工藝如表1所示[3-4]。

表1 堿處理、雙氧水處理及熱處理工藝Tab.1 Processing technical of alkali treatment, hydrogen peroxide treatment and heat treatment

1.3 力學性能測試

在HD009N電子單絲強力儀上進行的3項試驗中，上下夾持器隔距為50 mm，拉伸速度為500 mm/min，預加張力按照(0.01±0.001) cN/tex設置為0.03 cN。對于重復拉伸試驗，定伸長率為300%，重復拉伸次數6次，拉伸停頓時間設置20 s，松弛停頓時間設置20 s；對于應力松弛試驗，定伸長率300%，松弛時間3 h[5]。

1.4 指標定義

1.4.1 重復拉伸性能指標

圖1為纖維重復拉伸彈性曲線，其中E1為第一次拉伸達到的預加張力點，E2為第一次拉伸達到的定伸長點，E3為最后一次拉伸達到定伸長并松弛一段時間后的終點，E4為最后一次拉伸結束回到的負荷零點，E5為循環結束后達到的預加張力點，L0為氨綸絲的拉伸起點。可獲得指標：

圖1 纖維重復拉伸彈性曲線Fig.1 Repeated stretch elastic curve of fibre

(1)

(2)

1.4.2 應力松弛性能指標

圖2為纖維應力松弛曲線，其中E1為拉伸達到的預加張力點，E2為應力松弛的起點，E3為終點，t0為應力松弛起點對應的時刻，t1為應力松弛終點對應的時刻。可獲得指標：

定伸長負荷/N=E2

(3)

應力松弛/N=E2-E3

(4)

(5)

圖2 纖維應力松弛曲線Fig.2 Stress relaxation curve for fibre

2 結果與討論

2.1 試驗結果

對33.3 dtex氨綸絲試樣分別按照表1的工藝進行堿處理、雙氧水處理和熱處理，每種處理方式測試9個試樣，共27個試樣，并對處理前后的試樣在HD009N電子單絲強力儀上分別完成拉伸斷裂強力、重復拉伸、應力松弛測試。

處理前試樣的斷裂強力為49.20 cN，斷裂伸長率為564.16%，彈性回復率93.29%，塑性變形率為20.20%，應力松弛的定伸長負荷為12.33 cN，應力松弛率為63.83%。處理后試樣的斷裂強力及拉伸率、重復拉伸指標、應力松弛指標的測試結果分別見表2、表3和表4。

表2 處理后氨綸絲斷裂強力及伸長率Tab.2 Breaking strength and rate of elongation of treated polyurethane filament

表3 處理后氨綸絲重復拉伸測試指標Tab.3 Test values of cycle extension of treated polyurethane filament

表4 處理后氨綸絲應力松弛測試指標Tab.4 Test values of stress relaxation of treated polyurethane filament

從表2的結果看出，氨綸絲經過堿、雙氧水及熱處理后，斷裂強力幾乎沒有變化，但是斷裂伸長率卻出現差異——熱處理后該指標下降，而經堿及雙氧水處理后有了明顯的提高。

從表3可以看出，經過3種方式處理后，重復拉伸指標基本沒有發生變化。

從表4的應力松弛情況看，經過堿、雙氧水及熱定形的處理后，氨綸絲的定伸長負荷，即氨綸絲在最初的拉伸應力明顯降低；同時，應力松弛率也較處理前有了一定程度的降低。

2.2 分析討論

氨綸絲的斷裂強力和重復拉伸性能的兩項指標變化最小，表明經過表1所示的堿處理、雙氧水處理及熱處理，沒有破壞氨綸絲的大分子結構，其軟硬鏈段的比例、結合方式與未處理前相比沒有變化。因此，氨綸絲的斷裂強力、重復拉伸性能幾乎沒有受到什么影響，氨綸絲依然保持良好的拉伸回復性能。

2.2.1 堿處理及雙氧水處理作用分析

氨綸絲經過3種工藝處理后，其大分子結構并沒有發生改變，說明堿處理及雙氧水處理中的堿及弱酸未對分子結構造成破壞。因此，3種處理方式可以統一理解為在濕熱條件下對氨綸絲的處理。

由于3種處理工藝的差異，導致表2、表4中氨綸絲斷裂伸長率及應力松弛指標變化，其中，經過堿處理和雙氧水處理的氨綸絲，氨綸絲的斷裂伸長率有所增加，而熱處理后的斷裂伸長率總體有所降低；經過3種方式的處理，氨綸絲的應力值、應力松弛率均有所降低。在堿處理及雙氧水處理中，由于處理時間長達幾十分鐘，因此氨綸絲大分子在分子熱運動過程中，應力松弛作用進行較為充分，使大分子尋找到應力較低點，并建立新的平衡。在這個過程中，大分子沒有被破壞，但結構得到調整，內部折疊鏈增加，引起纖維收縮[6]，如圖3所示。在圖3(a)中，大分子基本呈伸直狀態，中間也有一些折疊鏈；經過充分的濕熱處理，圖3(b)中大分子中的折疊鏈數量明顯增加。

圖3 氨綸結構變化模型Fig.3 Model of structure change of polyurethane filament

經過堿處理和雙氧水處理的氨綸絲，大分子內部新增了一些折疊鏈。在拉伸斷裂過程中，氨綸絲內部應力作用強度快速增加，這種作用方式可以將大分子折疊鏈拉伸并至斷裂，因此，氨綸絲的斷裂伸長率明顯增加。其中，試驗中采用的堿處理方式獲得的效果更為明顯一些。

表4的結果表明，經過堿、雙氧水處理后，氨綸絲的定伸長負荷降低，表明氨綸絲在被拉伸到同樣的300%定伸長時，處理后的氨綸絲變得容易被拉伸，剛性較處理前有明顯降低，氨綸絲表現出比較柔軟的性能。同時，應力松弛率也較處理前有了一定程度的降低，表明此時氨綸絲內部大分子處在一種應力較低的狀態，可以釋放應力的大分子數量減少，應力釋放的能力下降。因此，大分子活動較少，使氨綸絲保形性較處理之前有了明顯的提高。

上述分析表明，試驗條件下的堿處理及雙氧水處理沒有對氨綸絲造成分子結構的破壞，但在濕熱條件下的處理可以使氨綸絲大分子由于熱運動，使應力松弛并產生鏈的折疊，從而使氨綸絲的彈性力學性能發生一定變化，氨綸絲及其制品的柔軟性更好，同時又具有良好的保形性。

2.2.2 熱處理作用分析

試驗中，熱處理是將氨綸絲放置在汽蒸定形機中，分別進行溫度為160、180、200 ℃，時間為30、60、90 s的處理過程。表4熱處理中160 ℃和180 ℃的數據表明，雖然作用時間只有幾十秒，但在這個過程中，大分子通過熱運動的方式，大分子鏈沿纖維軸向進行伸展，應力得到較好的松弛；而從表2的結果看，斷裂伸長率指標甚至低于未處理絲，表明此時大分子的軸向伸展作用占據主導地位，折疊鏈增加的數量非常少，大分子鏈被拉伸了。在200 ℃的溫度條件下處理氨綸絲，大分子鏈熱運動的效果明顯，大分子似乎越過了能量勢壘，沿分子軸向有較大程度的伸展，特別是在時間較短的情況下，大分子鏈快速伸展，但由于氨綸大分子中軟硬鏈段的結構，快速的伸展又會被彈簧結構的軟鏈段拉回，這樣，其中的應力剛剛得到松弛釋放，很快又被緊張提升。正是這種拉回作用，使氨綸絲大分子結構中產生一定數量的折疊鏈，因此該溫度下氨綸絲的斷裂伸長率有了一定的提高。

由此可見，對于氨綸絲，熱處理中的溫度存在一個“閾值”——超過該值，氨綸絲大分子鏈表現為：快速熱運動沿纖維軸向伸展→受軟鏈段拉力快速返回，這樣在較短時間內，反而使纖維內部的應力松弛效果較差。因此，高溫、快速熱處理的方式反而不利于氨綸絲內部應力的松弛。從試驗數據看，這個溫度閾值范圍應在180 ℃左右。在進行氨綸絲制品的熱定形時，應注意控制溫度。

相比其他兩種處理方式，熱處理的溫度最高，但處理的時間卻非常短，只有幾十秒；同時氨綸絲所處環境不同，熱處理是在高溫干燥環境中進行的，而其他兩種處理方式則是在高溫水浴或汽蒸的條件下進行的。從測試結果看，熱處理由于沒有在水浴環境中，處理時間比較短，其定伸長率、應力松弛指標都不及其他兩種方式。這是由于水分的介入，破壞大分子的原有結構，反而使大分子的運動阻力減弱，經過一定時間，應力松弛作用充分。因此，高溫、短時間的熱處理對氨綸絲的應力松弛效果不及較高溫度下、較長時間的水浴處理效果。

3 結 論

1)拉伸斷裂強力、重復拉伸性能的指標幾乎沒有變化，表明試驗中采用的處理方式沒有對氨綸絲內部分子鏈結構造成破壞。可見，一般的染整加工不會造成氨綸絲內部結構的破壞。

2)堿處理、雙氧水處理及熱處理后氨綸絲性能上的差異，主要是處理方式和處理時間的差異造成氨綸絲的柔軟性、保形性產生差異。

3)熱處理后氨綸絲的應力松弛效果不及水浴環境下應力松弛效果；同時，高溫、快速熱定形的方式不利于氨綸絲及其產品的應力松弛，熱定形溫度閾值應控制在180 ℃左右。

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Influences of Alkali, Hydrogen Peroxide and Heat Treatment on Mechanical Properties of Polyurethane Filament

ZHOU Fangying1,2, ZHANG Yixin3

(1.School of Materials Science & Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 2.Chemistry & Textile Engineering Department, Jiangyin Polytechnic College, Jiangyin 214405, China; 3.College of Textiles and Materials, Xi’an Polytechnic University, Xi’an 710048, China)

Alkali treatment, hydrogen peroxide treatment and heat treatment were used to treat polyurethane filament. Besides, tensile breaking property, repeated tensile property and stress relaxation property of the treated polyurethane filament were rested. The results show that under the experimental conditions, alkali treatment, hydrogen peroxide treatment and heat treatment will nit destroy internal structure of polyurethane filament, but stress relaxation index of polyurethane filament after heat-moisture treatment will alter. In other words, flexibility and dimension stability change. Thus, in the process of dyeing and finishing polyurethane filament and the products, the change in product wearability caused by mechanical property change should be focused on.

polyurethane filament; mechanical properties; alkali treatment; hydrogen peroxide treatment; heat treatment

10.3969/j.issn.1001-7003.2014.06.003

2014-03-03

周方穎(1970-)，女，副教授，主要從事紡織生產與質量控制的教學與研究。

TS151.9

A

1001-7003(2014)06-0011-05