聚氧乙烯相對分子質量對預氧化聚丙烯腈纖維短纖經紗上漿性能的影響

高利超， 祝志峰， 劉立超， 徐珍珍

(安徽工程大學 紡織服裝學院， 安徽 蕪湖 241000)

聚氧乙烯相對分子質量對預氧化聚丙烯腈纖維短纖經紗上漿性能的影響

高利超， 祝志峰， 劉立超， 徐珍珍

(安徽工程大學 紡織服裝學院， 安徽 蕪湖 241000)

為開發預氧化聚丙烯腈(POPAN)纖維的純紡短纖單紗織物，規避POPAN長絲織物及混紡織物的缺陷，采用上漿的方式來解決純POPAN短纖經紗的織造難題，提高其可織性，通過織造來生產純POPAN短纖單紗織物。選用聚氧乙烯(PEO)作為漿料，研究PEO相對分子質量對純POPAN短纖經紗上漿性能的影響，探索漿液黏度、黏附力、漿膜性能、漿紗增強率、減伸率、耐磨性、毛羽降低率及退漿效率隨PEO相對分子質量改變而變化的規律。結果表明，在一定范圍內提高PEO的相對分子質量，有助于提高其上漿性能，改善純POPAN短纖經紗的可織性。從PEO的黏度特性、黏附性、退漿性、漿膜及漿紗性能等方面綜合考慮，用于純POPAN短纖經紗上漿的PEO，其相對分子質量在1.0×105～1.5×105范圍內為宜。

預氧化聚丙烯腈纖維； 可織性； 聚氧乙烯； 相對分子質量； 上漿

預氧化聚丙烯腈(POPAN)纖維具有質輕、柔軟、熔點高、耐熱性好等特點，其極限氧指數大于50%[1]，不會燃燒，并具有優良的耐化學腐蝕性和電絕緣性，可以被加工成為服用性能優良、阻燃、耐高溫的工作服等防護織物[2-3]。近年來，POPAN纖維作為一種新型阻燃纖維，在防火、阻燃等領域被廣泛應用，生產量和市場需求量日益增加。由于POPAN纖維是在一定張力下進行加熱氧化的，存在纖維無卷曲、表面光滑、抱合力差、纖維較脆等缺點，造成紡織加工困難[4]。如果采用長絲進行織造，織物風格在應用上局限性較大[5]，難以制成阻燃、耐高溫的織物。目前，通常是先將POPAN長絲牽切成條后再經傳統紡紗系統加工生產成短纖紗，但是純POPAN短纖紗存在毛羽較多，抱合力差，耐磨性差，強力不足，織造過程中斷頭率高，生產效率低等問題[6]。為提高POPAN短纖紗的可織性，目前多采用與羊毛、粘膠等混紡的方式來改善POPAN短纖維經紗的可織性，但這種混紡生產模式導致織物阻燃性下降[7]。此外，也可將POPAN短纖紗經并捻制成股線進行織造[8]，但難以生產出單經紗織物。為獲得耐高溫阻燃性能好、適用性廣的純POPAN短纖單紗織物，提高純POPAN短纖單紗的可織性是生產中迫切需要解決的問題。眾所周知，經紗上漿可提高經紗的可織性，提高經紗強力，減少毛羽，增加耐磨性，從而改善純POPAN短纖紗可織性。目前，關于純POPAN短纖紗用上漿劑的研究報道較少見，所以研究適用于純POPAN短纖紗的上漿劑，對于開發純紡POPAN短纖單紗織物具有重要意義。

聚氧乙烯(PEO)對許多纖維有優異的黏附性，尤其對碳纖維具有良好的黏附性，可作為這種纖維的漿料[9]。從纖維結構分析，POPAN纖維大分子在預氧化過程產生一部分的含氧基團，如羥基、羰基等[10-11]，與PEO分子結構中親水的醚鍵極性相似，根據“相似相容原理”，PEO和POPAN纖維之間可以形成良好的物理吸附作用。此外，PEO是水溶性高分子材料，工業應用廣泛，原料來源充足，生化需氧量(BOD)低，對環境污染較輕[12]。為此，本文選用PEO作為漿料，通過實驗探索相對分子質量對PEO漿液黏度、黏附性、漿膜性能及漿紗性能等的影響，以期為純紡POPAN短纖經紗用漿料的選擇和PEO在這種經紗上漿中的應用提供參考依據。

1 實驗部分

1.1 原 料

純紡POPAN短纖單紗，線密度為35 tex，纖維長度為118.0 mm，單紗斷裂強力為209 cN，斷裂伸長率為6.9%，耐磨次數為16.6，3 mm以上毛羽指數為52個/m；POPAN短纖粗紗的線密度為928 tex，均為啟東尼斯紡織制線有限公司提供。PEO，白色粉體，相對分子質量為0.5×105～2.0×105，上海攻碧克新材料科技有限公司；H2O2(35%)，分析純，無錫市展望化工試劑有限公司；脂肪醇聚氧乙烯醚(JFC)，工業品，江蘇海安石油化工廠。

1.2 實驗方法

1.2.1 PEO黏均相對分子質量測試

采用烏式黏度計(毛細管直徑為0.5 mm)測定PEO的相對分子質量，測試方法見文獻[13]。

1.2.2 漿液黏度測試

將PEO用蒸餾水配制成質量分數為4%的水懸浮液，在恒溫水浴鍋中邊攪拌邊加溫，攪拌速度為60 r/min，當溫度達到95 ℃時，保溫1 h。使用NDJ-79型旋轉式黏度計測試黏度值。

1.2.3 黏附性測試

PEO對POPAN纖維的黏附性采用粗紗浸漿法測試，以黏附力和比黏附力衡量黏附性。粗紗條的制備及測試方法見文獻[14]。測試儀器采用YG065電子織物強力機，夾持隔距為210 mm。

1.2.4 漿膜制備與性能測試

漿膜的制備、力學性能和吸濕性的測試方法見文獻[15]。漿膜水溶速率的測試是將漿膜裁剪成100 mm×20 mm的試樣，中間位置做標記線，將試樣的一端浸入80 ℃的熱水中，用秒表記錄漿膜從插入水中到溶斷的時間，測試20個試樣取平均值。

1.2.5 調漿與上漿

將PEO用蒸餾水配制成質量分數為8%的水懸浮液。煮漿溫度控制在95 ℃，時間2 h。然后冷卻至室溫備用。在GA391B 型單紗漿紗機上對經紗進行上漿，漿紗速度為4 m/min。

1.2.6 漿紗性能測試

漿紗平衡24 h，測試在標準溫濕度條件下進行，溫度為(20±2)℃，濕度為(65±2)%。漿紗斷裂強力及斷裂伸長率根據GB/T 3916—2013《紡織品 卷裝紗 單根紗線斷裂強力和斷裂伸長率的測定》測試，測試儀器為HD021型電子單紗強力儀，隔距為500 mm，拉伸速度為500 mm/min，每組試樣測試30次取平均值。漿紗毛羽指數根據FZ/T 01086—2000《紡織品 紗線毛羽測定方法投影計數法》測定，測試儀器為YG172A型紗線毛羽測試儀，測試速度為30 m/min，測試長度為10 m，每組試樣測試30次取平均值。漿紗耐磨性在Y731型纖維抱合力儀上測試，速度為60次/min，單紗張力為12.5 cN/根，每組試樣測試20次取平均值。

漿紗含漿率測試方法：先將原紗在105 ℃下烘燥至恒態質量，冷卻后稱量(精確至0.001 g)，再將上漿后的漿紗置于烘箱中烘干，冷卻后精確稱量。漿紗含漿率計算見文獻[16]。

1.2.7 可退漿性

漿紗的可退漿性采用氧化劑和熱水退漿實驗進行評價。氧化劑退漿工藝參數為：H2O24 mL/L，NaOH 4 g/L，JFC 2 g/L，浴比1∶50，在95 ℃下處理30 min，然后采用在熱水中洗滌2次并干燥[17]。熱水退漿法是采用80 ℃的熱水進行退漿，退漿液中含有2 g/L的JFC，浴比為1∶50，時間為30 min，洗滌過程與氧化劑退漿相同。退漿效率的計算見文獻[18]。

2 實驗結果與分析

PEO樣品的相對分子質量如表1所示。由表可知，這些樣品相對分子質量與其商品標稱值相近。

表1 PEO相對分子質量的表征

2.1 對表觀黏度的影響

相對分子質量對PEO漿液黏度的影響如圖1所示。由圖可知，隨著相對分子質量的增加，PEO漿液的黏度明顯增大。這是因為隨著相對分子質量的增加，分子鏈增長，分子間作用力增大，所以漿液的黏度增加。此外，漿液黏度受溫度的影響較大，溫度升高，漿液黏度顯著降低。

圖1 相對分子質量對PEO漿液黏度的影響

2.2 對漿膜性能的影響

漿膜性能會影響到包括漿紗耐磨和漿紗毛羽等性能指標在內的漿紗質量指標，在一定程度上決定了漿紗的可織性。PEO相對分子質量對漿膜性能的影響如表2所示。由表可知，漿膜的斷裂強度、斷裂伸長率及斷裂功均隨著相對分子質量的增加而增大。這是因為相對分子質量增加，使大分子的鏈長增加，分子間的作用力增大，從而使漿膜強度增大；大分子鏈長增加，有利于漿膜承受拉伸時的形變，因此斷裂伸長率增大，斷裂功提高。當相對分子質量達到1.5×105以上時，PEO成膜性較好，漿膜堅韌，力學性能較好。

表2 相對分子質量對PEO漿膜力學性能的影響

2.3 對POPAN纖維黏附性的影響

PEO相對分子質量對POPAN纖維黏附力的影響如圖2所示。隨著相對分子質量的增加，PEO與POPAN纖維的黏附力和比黏附力都逐漸增大。粗紗法測定的黏附性是纖維與漿料的黏附力和漿膜本身內聚力的綜合反映[9]，與漿料膠層的強度及膠層與纖維膠接界面上大分子之間的相互作用有關，取決于黏合的破壞形式。有研究表明，漿料膠層的強度可用漿膜的拉伸強度近似評價[19]。漿膜的拉伸強度隨相對分子質量的增加而增大，減少了膠層的內聚破壞的可能性；而相對分子質量的增加又會使分子間作用力增大，膠層與纖維之間發生界面破壞的概率降低。所以，隨相對分子質量的增加，PEO對POPAN纖維的黏附力增大。

圖2 相對分子質量對PEO與POPAN纖維間 黏附力的影響

2.4 對漿紗性能的影響

PEO相對分子質量對漿紗性能的影響如表3所示。通過上漿，經紗的斷裂強力和斷裂伸長都有較大的改善。隨著PEO相對分子質量的增加，漿紗增強率出現先增后降的趨勢。這是由于相對分子質量較小的漿液其黏度較小，有利于漿液向經紗內部的滲透，在纖維間形成黏合，使漿紗增強率提高；此外，當相對分子質量很大，達到1.5×105以上時，漿液黏度過大，對經紗的浸透減少，使經紗內部纖維間的黏合程度下降，造成增強率降低。

表3 相對分子質量對PEO漿紗性能的影響

與原紗相比，漿紗的耐磨性明顯改善，可見使用PEO上漿能大幅提高漿紗的耐磨性。此外，PEO的相對分子質量對漿紗耐磨性有顯著影響。當相對分子質量較低和較高時，漿紗的耐磨性較差，分別為原紗的5.3倍和7.8倍。當PEO 的相對分子質量為1.5×105時，漿紗耐磨性提高最大，耐磨次數為原紗的10.1倍。當PEO的相對分子質量較低時，由于黏附性較弱，漿膜性能較差，導致漿紗耐磨性不足；反之，當相對分子質量較高時，漿液黏度過高，流動性差，不利于漿料對纖維的潤濕、鋪展和對經紗的浸透，影響了對經紗內部纖維的黏合，造成漿紗耐磨性下降。結果表明，當PEO的相對分子質量為1.5×105時，漿紗的耐磨性最好。

PEO相對分子質量對漿紗毛羽的影響如圖3所示。與原紗相比，漿紗毛羽數量大幅降低，3 mm以上毛羽貼服率可達90%以上，可見PEO對經紗的毛

羽改善效果非常顯著。這除了漿料本身性能的影響外，還與實驗中單紗漿紗機的上漿方式有關，單紗上漿沒有分絞過程，因此避免了二次毛羽的產生。由圖可知，PEO相對分子質量對漿紗毛羽指數及毛羽降低率的影響較小。隨著大分子鏈長增加，漿液黏度增大，經紗毛羽在漿液中通過時所受到的阻力增大，有利于毛羽的貼服。然而，漿液黏度對貼服毛羽的影響，被單紗上漿方式掩蓋了，因為當單紗上漿毛羽貼服率很高時，增加漿液黏度對提高毛羽降低率的作用有限。

圖3 相對分子質量對PEO漿紗毛羽的影響

2.5 對可退漿性的影響

PEO相對分子質量對漿膜吸濕率、水溶時間及退漿效率的影響如表4所示。可見，PEO漿膜具有較好的水溶性，漿膜水溶時間比淀粉[20]、PVA[21]明顯縮短。隨著相對分子質量的增加，水溶時間增長。PEO大分子具有規整的線型螺旋鋸齒結構，大分子結構單元中的1,2-亞乙基是疏水的，而醚鍵是親水的，PEO溶于水時，親水性的醚鍵置于鏈的外側，疏水性的1，2亞乙基置于內里[12]，PEO大分子鏈就變得很容易與水結合，表現為較好的水溶性。此外，由于分子中的醚鍵極性較弱，在空氣中吸附水分子的能力較弱，所以漿膜的吸濕率較低，有利于避免織造時漿膜的再黏性。

PEO漿膜具有良好的水溶性，漿紗的退漿效率較高。氧化劑退漿效率較高是因為氧化劑將PEO大分子氧化降解，加快了漿料的去除速率。而熱水退漿效率較低，顯然不能滿足印染前處理對退漿的要求，不宜作為印染前處理的退漿方法。由表4可知，氧化劑退漿效率達到95%以上，能夠滿足退漿生產的要求，可以作為POPAN短纖漿紗的退漿方法。

表4 相對分子質量對PEO退漿性的影響

3 結 論

PEO的相對分子質量對漿液、漿膜及POPAN短纖維漿紗的可織性具有顯著的影響，過低和過高的相對分子質量都不利于改善POPAN短纖漿紗的性能。PEO在室溫下能保持較低的黏度和較高的流動性，有利于在低溫下進行漿紗生產。在所探索的相對分子質量范圍內，隨著PEO相對分子質量的增加，漿液黏度逐漸增大對POPAN纖維的黏附性增大，漿膜的斷裂強度、斷裂伸長率、斷裂功提高，漿膜的水溶速率降低，熱水和氧化劑退漿效率下降，表明PEO的可退漿性下降。當PEO的相對分子質量為1.0×105～1.5×105時，POPAN短纖漿紗的增強率、毛羽降低率和耐磨性最高，上漿效果最好，表明POPAN短纖經紗應選用此相對分子質量范圍內的產品進行上漿。熱水退漿效率較低，不能滿足退漿的要求，不宜作為印染前處理的退漿方法使用；氧化劑退漿效率高，達到95%以上，能夠滿足退漿生產的要求，可作為POPAN短纖漿紗上PEO漿料的退漿方法。

FZXB

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Influence of polyethylene oxide molecular weights on sizing performances of pre-oxidized polyacrylonitrile staple warps

GAO Lichao, ZHU Zhifeng, LIU Lichao, XU Zhenzhen

(CollegeofTextilesandGarments,AnhuiPolytechnicUniversity,Wuhu，Anhui241000,China)

In order to develop the single yarn fabrics woven from pure staple warps of pre-oxidized polyacrylonitrile (POPAN) to avoid the defects of POPAN filament and blend fabrics, an operation for sizing pure POPAN staple yarns was proposed to improve their weavability for producing the fabrics. By using polyethylene oxide (PEO) as sizing agent, the influence of molecular weights on the sizing performances of pure POPAN staple warps was investigated. The relationship between PEO molecular weights and its paste viscosity, adhesion-to-fiber, film performances, desizing efficiency, and yarn properties such as the increase in tensile strength, loss in elongation, abrasion resistance, and decrease in hairiness of sized yarns was explored. The results showed that the properties of these sized yarns could be improved by increasing the molecular weights in the range considered. Based on the viscosity, adhesion, desizability, film performances, and properties of sized yarn, the PEO with the molecular weights range of 1.0×105-1.5×105can be recommended for sizing pure POPAN staple single yarns before weaving process.

pre-oxidized polyacrylonitrile fiber; weavability; polyethylene oxide; molecular weight; sizing

10.13475/j.fzxb.20141102006

2014-11-13

2015-12-01

安徽省高校省級科技創新團隊計劃資助項目(TD200701)；安徽省高校領軍人才團隊項目(2015LJRCTD001)

高利超(1989—)，女，碩士生。研究方向為功能性紡織品的開發與研究。祝志峰，通信作者，E-mail:zhuzhifengwu@sina.com.cn。

TS 103.846.1

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