極性溶劑對間位芳綸纖維結(jié)構(gòu)與性能的影響

滕芝盈，單才華，張華鵬

(1.浙江理工大學(xué)材料與紡織學(xué)院，杭州　310018；2.浙江正特集團(tuán)有限公司，浙江臺(tái)州　317004)

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極性溶劑對間位芳綸纖維結(jié)構(gòu)與性能的影響

滕芝盈1，單才華2，張華鵬1

(1.浙江理工大學(xué)材料與紡織學(xué)院，杭州310018；2.浙江正特集團(tuán)有限公司，浙江臺(tái)州317004)

摘要：間位芳綸纖維的染色困難限制了其在紡織面料上的應(yīng)用。文章采用極性溶劑預(yù)處理間位芳綸纖維，探討極性溶劑二甲基乙酰胺(DMAc)處理對間位芳綸纖維的結(jié)構(gòu)與性能的影響。研究表明：經(jīng)過DMAc處理后，間位芳綸纖維的氫鍵結(jié)構(gòu)、結(jié)晶結(jié)構(gòu)以及形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變化，從而導(dǎo)致纖維的力學(xué)性能變化以及分散染料染色上染率的極大提升。

關(guān)鍵詞：極性溶劑；二甲基乙酰胺；間位芳綸纖維；結(jié)構(gòu)與性能；分散染料

0引言

間位芳綸(芳綸1313)纖維具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、阻燃性、電絕緣性、化學(xué)穩(wěn)定性等諸多優(yōu)點(diǎn)而被用在防護(hù)服、耐高溫絕緣紙、高溫過濾材料等場合。間位芳綸的鏈剛性較大、玻璃化溫度高、分子間氫鍵密度較高、結(jié)晶度較高等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，造成了間位芳綸纖維染色困難，一定程度上限制了間位芳綸在紡織面料中的應(yīng)用。

為改善間位芳綸的染色性，國內(nèi)外提出了很多種方法和技術(shù)，主要包括纖維改性和染色過程改變兩大類，前者包括如杜邦公司的可染間位芳綸、原液著色技術(shù)；后者主要包括各種載體染色技術(shù)，即在染色過程中加入能夠促進(jìn)染料吸附或者膨脹芳綸纖維的染色助劑或溶劑[1-10]。

本文采用極性溶劑膨脹預(yù)處理間位芳綸纖維，重點(diǎn)探討了極性溶劑二甲基乙酰胺(DMAc)對間位芳綸纖維的結(jié)構(gòu)、性能及對分散染料上染率的影響。

1實(shí)驗(yàn)

1.1材料

1.67dtex*38mm芳綸1313纖維(煙臺(tái)氨綸紐士達(dá))；DMAc和Na2CO3為阿拉丁試劑分析純；AEO-9表面活性劑(淄博海杰化工有限公司，99%)；分散紅FRL 200%(浙江閏土股份有限公司)。

1.2處理方法

在DMAc溶劑處理之前，采用1g/L AEO-9、1g/L Na2CO3浴比為1∶20的處理液清洗纖維，清洗溫度90℃，清洗時(shí)間40min。清洗之后采用50℃去離子水洗滌3遍，然后在95℃烘箱中烘干清洗后的纖維。

DMAc溶劑處理時(shí)浴比為1∶15，處理溫度75～95℃，處理時(shí)間不超過100min。處理后纖維在95℃水洗30min，然后在80℃烘箱中烘干備用。

染色采用高溫高壓染色小樣機(jī)，染色溫度125℃，染色時(shí)間1h，采用分散紅FRL 200%染料，染液濃度3% owf，浴比1∶30，用醋酸調(diào)pH為5.5。

1.3表征

表面形貌觀察采用Zeiss Ultra 55場發(fā)射掃描電鏡，掃描電壓15kV，試樣預(yù)先做噴金處理。直徑測試采用SEM拍照后采用Image Pro Plus 6.0圖像處理方式進(jìn)行，測試?yán)w維根數(shù)50根。

采用Nicolet 5700 FTIR進(jìn)行紅外光譜分析(ATR模式)，掃描波段400～4000cm-1，分辨率2cm-1，掃描次數(shù)64。

采用ARL-X’TRA粉末衍射儀進(jìn)行XRD衍射分析，試驗(yàn)采用Cu Kα靶，掃描2θ范圍5°～65°，掃描步長2°/min。將記錄得到的結(jié)果從2θ10°～40°數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算機(jī)分峰擬合以計(jì)算處理前后纖維的結(jié)晶度和峰半高寬變化。

采用V-Sorb 2800P氮吸附脫附法(BET)測試?yán)w維樣品DMAc處理前后比表面積。

采用吸光度法測定纖維染色上染百分率，通過計(jì)算得到纖維上染料量。

纖維力學(xué)性能測試采用單纖維強(qiáng)力儀進(jìn)行測試，測試時(shí)夾頭移動(dòng)速度10mm/min，夾持距離20mm，測試環(huán)境溫度25℃，相對濕度65%，測試前在25℃，濕度65%恒溫恒濕室進(jìn)行平衡24h。

2結(jié)果與討論

2.1DMAc處理對間位芳綸纖維結(jié)構(gòu)的影響

DMAc是一種強(qiáng)極性溶劑，對芳綸纖維的氫鍵具有破壞作用。從圖1可以看出，芳綸纖維酰胺ⅡC-N伸縮振動(dòng)峰位置發(fā)生了藍(lán)移，而酰胺ⅠC=O伸縮振動(dòng)峰位發(fā)生了紅移，說明了DMAc造成間位芳綸纖維的氫鍵重排，處理時(shí)間增加，則峰位移動(dòng)更加明顯。

圖2為經(jīng)過不同時(shí)間DMAc處理后間位芳綸纖維的廣角X射線衍射圖譜。將圖2結(jié)果經(jīng)分峰計(jì)算處理后發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過DMAc溶劑處理后，芳綸纖維的結(jié)晶度稍有減小(從未處理樣的78.6%減小到75.1%)；衍射峰半高寬有所減小，說明晶粒尺寸有所增大。同時(shí)衍射峰位置向2θ更大的方向移動(dòng)，說明間位芳綸纖維的晶面間距隨處理時(shí)間增加而減小，即微晶堆砌結(jié)構(gòu)更為緊密。這說明間位芳綸纖維在DMAc處理后發(fā)生了結(jié)晶重排，纖維微細(xì)結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化。

圖1　間位芳綸纖維經(jīng)過不同時(shí)間DMAc處理后的FTIR ATR圖譜(處理溫度85℃)

由圖3可以看出，經(jīng)過DMAc處理后，纖維直徑增加了約20%(從15μm增加到18μm)。氮吸附法BET比表面積測試表明，未處理樣比表面積從6.06g/m2增加到9.26g/m2，增加了約53%，同時(shí)纖維長度收縮率約10%。

圖2　間位芳綸纖維經(jīng)過不同時(shí)間DMAc處理后的XRD圖譜(處理溫度85℃)

圖3　間位芳綸纖維經(jīng)過DMAc處理(溫度85℃時(shí)間40min)后纖維直徑變化

2.2DMAc處理對間位芳綸纖維性質(zhì)的影響

由表1可以看出，經(jīng)過DMAc處理，間位芳綸纖維的強(qiáng)度和初始模量有所下降，伸長率有所增加。同時(shí)纖維的直徑增加，處理后纖維出現(xiàn)一定程度的收縮。纖維尺寸和力學(xué)性質(zhì)的變化與纖維在自由狀態(tài)下經(jīng)DMAC極性溶劑處理后纖維的微細(xì)結(jié)構(gòu)變化有關(guān)，即在DMAC作用下，纖維內(nèi)的氫鍵和結(jié)晶結(jié)構(gòu)發(fā)生了重整和重排。

表1間位芳綸纖維經(jīng)過DMAc處理后的性能變化

處理方式強(qiáng)度/(g/d)斷裂伸長率/%初始模量/(g/d)直徑/μm處理后收縮率/%未處理4.530.58015085℃20min4.432.276175.540min4.134.5721810.160min4.035.6702012.595℃20min4.133.271188.540min3.635.8622012.660min3.237.2552317.1

2.3DMAc處理對間位芳綸纖維上染率的影響

由圖4和圖5可以看出，經(jīng)過不同條件DMAc處理后，間位芳綸纖維的上染率較未處理樣有極大的提高。這主要?dú)w因于纖維比表面積的增加、直徑的膨脹和纖維中氫鍵結(jié)構(gòu)的變化。

圖4　不同條件DMAc處理對間位芳綸纖維染色上染率的影響

圖5　不同條件DMAc處理對間位芳綸纖維染色上染百分率的影響

3結(jié)語

極性溶劑DMAc處理對位芳綸纖維后，纖維直徑和比表面積增加，長度發(fā)生不同程度的收縮。纖維的強(qiáng)度、模量發(fā)生不同程度下降。纖維分子間氫鍵結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的重新排列，纖維結(jié)晶度稍有減小，晶粒堆砌密度有所增加。由于DMAc處理后造成的這些結(jié)構(gòu)和形態(tài)的變化，纖維上染率有了顯著提高。

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(責(zé)任編輯：陳和榜)

收稿日期：2015-06-16

作者簡介：滕芝盈(1982-)，女，浙江樂清市人，碩士研究生，主要從事紡織材料及其印染方面的研究。 通信作者：張華鵬，E-mail:zhp@zstu.edu.cn

中圖分類號：TS193.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-265X(2016)02-0001-03

Influence of Polar Solvent on Structure and Properties of m-Aramid Fiber

TENGZhiying1,SHANCaihua2,ZHANGHuapeng1

(1.College of Materials and Textiles, Zhejiang Sci -Tech University, Hangzhou 310018, China;2.Zhejiang Zhengte Group Co., Ltd., Taizhou 317004, China)

Abstract：Dyeing difficulty of m-aramid fiber restricts its application in textile fabric. This paper uses polar solvent for m-aramid fiber pretreatment and discusses the influence of DMAc treatment with polar solvent on the structure and properties of m-aramid fiber. The study shows that hydrogen bond structure, crystal structure and morphological structure of m-aramid fiber change greatly after DMAc treatment, thus causing the change of mechanical property of fiber and great improvement of dye uptake of disperse dyes.

Key words：polar solvent; DMAc; m-aramid fiber; structure and properties; disperse dye