皮芯復合防蚊纖維的制備及性能研究

韓烽 周靜宜 王銳 閆俊會

摘要：本文采用皮芯復合紡絲法制備了同芯和偏芯兩種結構的防蚊纖維，并對不同減量率下防蚊纖維的表面形態、比表面積和力學性能等進行了研究，探討了防蚊纖維中防蚊劑含量隨放置時間不同的變化情況，且通過檢測機構對防蚊纖維織品進行了防蚊效果的評定。結果表明，偏芯型復合防蚊纖維的后加工難度較大；堿處理強弱直接影響同芯型防蚊纖維皮層的孔隙大小、數量以及纖維強度等；配以防蚊助劑2的同芯和偏芯型防蚊纖維均能達到較強的防蚊效果。

關鍵詞：皮芯結構；防蚊纖維；堿處理；力學性能；防蚊劑含量；防蚊效果

中圖分類號：TQ342+.8 文獻標志碼：A

Processing and Properties of Core-sheath Bicomponent Anti-mosquito Fibers

Abstract： Two bicomponent anti-mosquito fibers， one with concentric core and the other with eccentric core， were prepared with the core-sheath composite spinning process. The article studied the surface morphology， specific surface area and mechanical properties of anti-mosquito fibers under different weight losses， and also made a research on the change of the mosquito repellent content in the anti-mosquito fibers in the course of time. Besides， the repellent effect of the fabrics made from these anti-mosquito fibers was tested by testing institution. The results shows that the processing of the anti-mosquito fiber with eccentric core was relatively difficult； the weight loss ratio could directly affect the hole size and quantity of the sheath and the tenacity of the anti-mosquito fiber with concentric core； and both the bicomponent anti-mosquito fibers with either concentric core or eccentric core could achieve a strong anti-mosquito effect when the No.2 anti-mosquito additive is used.

Key words： core-sheath structure； anti-mosquito fiber； alkaline treatment； mechanical properties； content of mosquito repellent； anti-mosquito effect

目前，防蚊紡織品的制作主要源于對織物或纖維進行防蚊后整理以及紡絲時添加防蚊劑直接制備防蚊纖維等。利用皮芯復合法紡制防蚊纖維時，可將防蚊劑填埋在纖維材料的內部，能夠有效地避免防蚊劑與皮膚直接接觸，使產品使用更為安全；此外，所制纖維手感柔軟光滑，可以避免后整理法導致的防蚊紡織品手感發硬、舒適性不良等問題。本文以改性聚酯（MPET）為皮層材料、聚丙烯（PP）為芯層基體材料，將一定量的固體粉末防蚊劑和少量液體防蚊助劑與PP充分混合后，通過配有兩個螺桿的熔融復合紡絲機制備出橫截面為同芯和偏芯兩種構型的MPET/PP皮芯復合防蚊纖維。紡制同芯型防蚊纖維時，皮層混入一定量的微細粉末成孔劑，其成品纖維經堿液處理，皮層產生微孔結構，從而使包覆在芯層的防蚊劑可以緩慢有效地釋放出來。偏芯型防蚊纖維的芯層與皮層構成內切圓型，防蚊劑則從切口處緩緩釋出，以達到較為持久的驅蚊目的。

1 實驗

1.1 原料

MPET，特性粘度0.68 dL/g，吳江富東舜星化纖廠；無機粉體成孔劑，粒徑0.7 μm，上海和氏璧化工有限公司；PP，熔融指數35，中科實業集團公司；防蚊劑（固體粉末）、防蚊助劑2（液體），成都艾科達化學試劑有限公司；防蚊助劑1（液體），自制；氫氧化鈉、甲苯、乙醇（化學純），北京化工廠生產。

1.2 皮芯復合防蚊纖維的制備

皮芯復合防蚊纖維的紡制在復合紡絲機（大連合成纖維研究所制造）上完成，主副螺桿直徑均為30 mm，長徑比為25∶1；噴絲板規格為Ф 0.25 mm ×24（日本卡森公司化纖噴絲板廠）；紡絲速度2 000 m/min。初生纖維的拉伸和熱定形在TF100-08 型撥叉式平牽機（蘇州特發公司制造）上進行，第一熱輥溫度80 ℃，第二熱輥溫度90 ℃，熱箱（熱定形）溫度140 ℃，牽伸1.85倍和1.75倍；卷繞速度380 m/min。

1.3 同芯型防蚊纖維的堿處理

將防蚊纖維織制成緯平針織物，稱重后置于95 ℃、NaOH溶液濃度3%、浴比1∶50的電熱恒溫水浴鍋中，反應25 ～ 50 min不等的時間，根據堿處理前后的針織物質量計算減量率。

1.4 分析測試

表觀形態：防蚊纖維制樣后先經SBC-12小型離子濺射儀（北京中科科儀股份有限公司）噴金處理，然后采用JEOL JSM-7500F型掃描電子顯微鏡（日本電子株式會社）觀察纖維的橫截面和縱向表面。

力學性能：采用YG001D型電子單纖維強力機（武漢國量儀器有限公司），樣品夾持距離為10 mm，拉伸速度為20 mm/min。

比表面積：采用3H-2000PS4型比表面及孔徑分析儀（貝士德儀器科技北京有限公司）對減量率11% ～ 34%不等的防蚊纖維針織物進行比表面積測試。

1.5 防蚊纖維防蚊耐久性測試

采用Lambda750型紫外可見近紅外分光光度計（美國PerkinElmer公司）測得主防蚊劑稀溶液（甲苯為溶劑）的最大吸收波長為287 nm；然后配置一系列相應的已知濃度的稀溶液，在287 nm的波長下測定各溶液的吸光度，并繪制標準工作曲線，得到吸光度與濃度的關系式為A=0.011 3C+0.126 5，R2=0.999 6。

定量稱取放置不同周數的防蚊纖維，采用索氏萃取裝置于130 ℃的甲苯中萃取 5 h，然后測定提取液的吸光度，由吸光度和濃度的關系式得到各纖維中防蚊劑的含量。

1.6 防蚊纖維針織物的防蚊效果測試

防蚊纖維緯平針織物的驅避率測定委托中國疾病預防控制中心寄生蟲病預防控制所完成，依據GB/T 13917.9— 2009《農藥登記衛生殺蟲劑室內藥效試驗及評價 第9部分：驅避劑》和GB/T 30126 — 2013《紡織品 防蚊性能的檢測和評價》進行測定。

2 結果與討論

2.1 皮芯復合防蚊纖維的組成和形態

為了研究皮芯比例、構型及防蚊助劑種類等對皮芯復合防蚊纖維力學性能、防蚊效果及防蚊耐久性的影響，本文紡制了不同皮芯質量比的同芯型和偏芯型復合防蚊纖維，各纖維編號及構成如表 1 所示，其橫截面形態如圖 1 所示。

從圖 1（a）—（d）的防蚊纖維橫截面可以看出，所紡同芯型復合纖維的皮層厚度較為均勻；皮芯質量比為5∶5（1#、2#）的同芯型纖維皮層很薄，皮層含量提高至60%（3#、4#）后，纖維外層明顯增厚。皮層增厚有利于復合纖維力學性能的提高，同時其紡絲和后加工亦較為容易。由圖 1（e）和圖 1（f）表明，5#和6#偏芯型復合纖維的芯層與皮層形成了內切圓的構型。當皮芯質量比設定為6∶4時，纖維皮層較厚。由圖 1 還可看到，一些纖維出現部分芯層裸露至表層的現象，雖然這便于芯層包裹的防蚊劑向外釋放，能夠增強纖維的驅避蚊蟲作用，但對纖維的防蚊持久性不利，故需調整纖維制備工藝，盡量減少芯層裸露部分。

觀察圖 1 還發現，無論是同芯型還是偏芯型復合防蚊纖維，均出現皮層與芯層輕微分離的現象。這主要是因為MPET與PP兩種聚合物完全不相容，而且二者本身的流變性有較大差異，芯層的PP混入防蚊劑及助劑后流變性又有所改變，故當紡絲熔體從噴絲孔擠出時，芯層流體不會與皮層的MPET流體同步及同等程度地出口脹大，造成界面間出現縫隙；另外，紡絲過程中防蚊劑及助劑受熱揮發也將加大皮層和芯層分離的可能性。

2.2 不同堿量率下纖維的表面形態和比表面積

選取皮芯質量比為6∶4的（4#）同芯型防蚊纖維織制成緯平針織物，經95 ℃、不同時間的堿處理，纖維表面的形態如圖 2 所示，不同減量率的纖維比表面積測試結果如圖 3 所示。

纖維的比表面積是反映纖維表皮孔洞大小、深淺和疏密狀況的綜合量度。當堿處理條件較溫和、減量率為11%時，纖維比表面積較小。由圖 2 可見，此時纖維表面有細小的淺孔出現，數量較少，比較分散；當減量率從16%增加到23%時，纖維的比表面積小幅增加，圖 2 中（c）—（e）的纖維表面成孔數及孔尺寸逐漸增大，孔洞變得細長而有深度，且分布較為密集；當減量率達到27%時，纖維刻蝕顯著，比表面積達到相對最大值，而且相對于減量率為23%的纖維比表面積提升幅度較大，這說明減量率自23%增至27%的過程中，微小的減量率變化都會導致纖維成孔情況發生很大的改變；減量率繼續升至34%時，纖維出現嚴重刻蝕的現象，有些部位受損開裂甚至脫落，此時比表面積有所下降，但仍高于減量率為23%的纖維對應值。

2.3 防蚊纖維的力學性能

幾種同芯型防蚊纖維經同等條件堿處理后的減量率如表 2 所示。堿處理前后同芯型防蚊纖維和偏芯型防蚊纖維的斷裂強度與斷裂伸長率分別如圖 4 和圖 5 所示。

由圖 4 可知，所紡皮芯復合防蚊纖維的斷裂強度均較低，6#偏芯型纖維的強度相對最高，而同樣為偏芯型的5#纖維強度最低；從圖 5 可看到，5#纖維的斷裂伸長率僅為5%，拉伸過大而強度極小，說明防蚊助劑1的添加十分不利于偏芯型防蚊纖維的紡制。1# — 4#同芯型纖維的斷裂強度均低于6#偏芯型纖維，且皮芯質量比為6∶4的3#和4#纖維強度并未明顯高出皮芯質量比為5∶5的對應纖維（1#和2#），這是因為除了纖維的芯層混有小分子防蚊劑及其助劑外，同芯型防蚊纖維的皮層又添加了作為成孔劑的無機粒子，區域性地阻擋了纖維基體大分子的緊密排列。另外，皮層和芯層兩種聚合物極不相容，也是導致防蚊纖維強度不高的主要原因之一。6#偏芯型纖維后拉伸倍數為1.75倍，較1# — 5#纖維的拉伸倍數（1.85倍）小；從其斷裂伸長率（46%）看，拉伸不夠充足，其橫截面不對稱的結構造成進一步充分拉伸有一定難度，因此需要選擇更適合的后加工條件，才能使偏芯型防蚊纖維的斷裂伸長率降低，斷裂強度得到提高。

同芯型防蚊纖維經堿處理后，斷裂強度呈現不同程度的下降；結合各纖維的堿量率發現，堿量率越高的纖維其強度的損失率越大，如4*纖維；3*纖維的堿量率相對最小，其強度下降幅度亦最低。堿處理后防蚊纖維強度下降的原因一方面與常規纖維相同，即松弛狀態下的濕熱處理易使纖維的無定形區大分子發生解取向；另一方面，所紡同芯型防蚊纖維的皮層混有無機粉體成孔劑，堿處理時，粉體大量脫落，孔洞的形成使皮層聚合物的連續性和均勻性遭到破壞，致使纖維的斷裂強度下降。

圖 5 顯示，堿處理后多數同芯型防蚊纖維的斷裂伸長率較處理前有所上升，這是因為所紡防蚊纖維在后加工時熱定形溫度較低、時間較短，且在緊張狀態下進行，故纖維中存在較大的內應力；在溫度為95 ℃、時間為30 min的堿處理過程中，松弛狀態的纖維大分子會發生一定的解取向，纖維收縮，最終導致其斷裂伸長率增大；除2*外，另外 3 種防蚊纖維堿處理后的斷裂伸長率均增加了 1 倍左右。

2.4 防蚊劑含量隨時間的變化

為研究防蚊纖維中防蚊劑的釋放狀況，選用表 2 所列2* — 4*經堿處理后的同芯型防蚊纖維以及6#偏芯型防蚊纖維在室內常規放置 5 周，每隔 1 周測量其中的防蚊劑含量，得到常規狀態下防蚊纖維的防蚊劑釋放趨勢，詳細情況如圖 6 所示。

圖 6 顯示，隨著時間的延長，防蚊纖維中防蚊劑的含量呈下降趨勢，說明防蚊纖維在放置過程中其所含的防蚊劑確實在不斷地向外釋放；將放置 5 周后的同芯型與偏芯型防蚊纖維的防蚊劑損失量進行對比發現，2* —4*同芯型防蚊纖維中主防蚊劑的減少量大于6#偏芯型防蚊纖維，3*和4*防蚊纖維放置 5 周后其中的主防蚊劑含量分別減少37%和40%，而6#防蚊纖維的防蚊劑含量降低了27%；這是因為同芯型防蚊纖維的皮層經堿處理后形成無數大小不一的微孔，防蚊劑釋放較快；而偏芯型防蚊纖維中防蚊劑的釋放途徑僅有貼合于皮層并具狹縫式外露的芯層部位，即防蚊劑向外遷移揮發的出口較小，所以其釋放速度較為緩慢。

2.5 防蚊針織物的防蚊效果

對2* — 4*、6#防蚊纖維織制的針織物進行防蚊效果檢測，所得驅避率數值如表 3 所示。

表 3 顯示，含防蚊助劑2的2*、4*及6#防蚊纖維具有很強的防蚊效果，而含助劑1的3*纖維驅避率低，未能達到防蚊要求。這固然與其減量率較低、空隙不足有關，但也說明盡管防蚊助劑的添加量很少，但助劑的種類對驅蚊效果亦起到至關重要的作用。防蚊助劑2有較好的防蚊協助增強作用，而助劑1則不適宜用于防蚊纖維的制作。由于同芯型復合防蚊纖維皮層厚度不同，皮層較厚的4*纖維雖然減量率稍大于2*纖維，但其形成的通孔數量或大小不及2*，且纖維中防蚊劑含量略低，故其驅避率低于2*。6#偏芯型防蚊纖維的驅避率最高，達到93%，說明所紡內切圓式防蚊纖維可有效充足地緩慢釋放防蚊劑，防蚊效果顯著且較為持久。

3 結論

（1）在適當工藝條件下，芯層基材PP混入防蚊劑與皮層MPET復合制備同芯型和偏芯型防蚊纖維的紡絲過程均可順利進行，但偏芯型復合防蚊纖維的后加工難度較大，不易拉伸完全；

（2）配以防蚊助劑2所紡同芯型和偏芯型防蚊纖維均能達到極強的防蚊效果，其中皮芯質量比為6∶4的偏芯防蚊纖維驅避率達93.04%，皮芯質量比為5∶5、減量率為19%的同芯防蚊纖維驅避率達到83.62%；

（3）同芯型防蚊纖維經堿處理后皮層成孔明顯，但纖維的強度及內部防蚊劑含量損失較大；偏芯型防蚊纖維皮層為純聚合物，不需堿處理，纖維加工簡單且力學性能及防蚊耐久性較為優良，但所紡復合防蚊纖維的強度還有待提高。

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