架狀硅酸鹽粉末改性聚酯纖維的制備及性能研究

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(浙江理工大學材料與紡織學院，杭州　310018)

強度大、加工性能優異且耐化學腐蝕的聚酯(PET)纖維在中國的民用纖維市場占有重要地位，在各類服裝面料中均有大量應用。近年來隨著人民生活水平的提高，人們對PET纖維織物的舒適性提出了更高的要求，涼爽、吸濕透氣、抗紫外等差別化纖維織物受到市場青睞[1-4]。近期，韓國(株)量子能技術研究所利用韓國產天然長石類黏土礦物(Osaekhyulto)為原料，制備得到了粒徑在幾十到幾百納米不等的新型架狀硅酸鹽復合材料，其商品名為量子能粉末?(簡稱QE粉)[5]。QE粉具有抗氧化、吸濕以及紫外吸收和紅外輻射等許多獨特的性能，在新型聚合物材料領域表現出了良好的應用前景[6-8]。本文關注到QE粉具有較強的吸濕性且對紫外光存在一定的吸收，因此將其作為新型改性劑引入到PET纖維中用以開發兼具吸濕和抗紫外性能的新型多功能聚酯纖維。采用紡牽一步法制備得到PET/QE纖維，研究了QE粉的添加對PET纖維的表面形貌、力學性能以及吸濕、抗靜電性能的影響，并討論了PET/QE纖維的紫外吸收性能。

1　實　驗

1.1　實驗原料

工業絲用PET切片(特性黏度0.95 dL/g，上海石化有限公司)；纖維級PET切片(特性黏度0.64 dL/g，浙江恒逸聚合物有限公司)；量子能粉(粒徑為40～200 nm，韓國(株)量子能技術研究所)。上述原料使用前均在真空度為-0.095 MPa、干燥溫度為105 ℃的條件下干燥12 h。

1.2　PET/QE改性纖維的制備

將干燥的QE粉與工業絲用PET切片混合均勻，得到QE粉質量分數為20%的PET/QE混合料。采用TSE-30A型雙螺桿擠出機對其進行擠出、造粒，得到QE粉改性的PET母粒，共混物熔融溫度為280 ℃，擠出溫度為265 ℃。

在高速紡絲機上，采用紡牽一步法工藝制備PET/QE纖維。熔融、紡絲溫度為288～280 ℃，熱輥溫度為85～160 ℃，牽伸比為1.60倍。紡絲工藝流程：自制母粒與纖維級PET切片的共混熔融→熔體過濾→計量→紡絲細流→拉伸及吹風冷卻→初生纖維上油→熱牽伸→卷繞→FDY絲，制得的PET/QE改性纖維所含的QE粉質量分數理論值為0.6%。取部分PET/QE改性纖維在KU482A型染色試驗編織機上搖制襪筒以用于后續的測試。

1.3　PET/QE改性纖維的測試

1.3.1表面形貌

PET/QE纖維經乙醇洗滌除去表面灰塵后用JSM-5610型掃描電子顯微鏡(SEM)對纖維的表面形貌進行觀察，加速電壓為5 kV，放大倍數為1 500倍；并通過X射線能譜儀(EDS)對改性劑QE粉的成分組成進行分析。采用Leica DMLP型偏光顯微鏡(POM)對纖維截面形貌進行觀察，放大倍數為500倍。

1.3.2纖度測試

用YG086型縷紗測長儀卷繞100 m PET/QE纖維并用電子天平稱得絞絲質量，然后換算成纖維線密度，試樣測試3次并取平均值。纖維預加張力為0.05 cN/dtex。

1.3.3力學性能測試

采用XL-2型紗線強伸度儀測試PET/QE纖維的力學性能，試樣測試10次并取平均值。夾具間距250 mm，預加張力為0.05 cN/dtex，拉伸速度為250 mm/min。

1.3.4吸濕性能測試

纖維回潮率：將PET/QE纖維在20 ℃，相對濕度65%的環境下調濕48 h，稱取一定量纖維記錄質量后將其置于105 ℃烘箱內干燥；干燥至恒重后再次記錄纖維質量，根據烘前與烘后質量計算纖維回潮率。

QE粉的吸濕曲線：稱取一定質量QE粉并置于稱量瓶內，將其置于105 ℃烘箱內干燥；干燥至恒重后置于20 ℃，相對濕度65%的環境中，每5 min稱量樣品的質量并記錄。

纖維的吸濕爬桿曲線：PET/QE纖維經長尺卷繞10次后得30 cm的纖維束，給纖維施加適當捻度以使纖維抱合后得到測試樣條。將測試纖維懸垂于藍色染料中，每3 min記錄染料的爬升高度。

1.3.5抗靜電性能測試

纖維體積比電阻：采用YG321型纖維比電阻儀對PET/QE纖維的體積比電阻進行測試，試樣測試3次并取平均值。

織物靜電性能：采用YG401型織物感應式靜電測試儀對PET/QE改性織物的靜電性能進行測試，測試模式采用定壓法，放電電壓設置為10 kV，試樣測試3次并取平均值。

1.3.6紫外吸收性能測試

采用UH4150型紫外可見近紅外分光光度計對QE粉和PET/QE織物的紫外吸收性能進行測試。測試采用漫反射模式，測試區間為800～200 nm。

2　結果與討論

2.1　改性劑的X射線能譜分析

新型架狀硅酸鹽改性劑QE粉的制備工藝如下：將天然長石類礦物原料粉碎至粒徑小于320目→篩除原料中的重金屬等有害物質→經篩選后的原料在850 ℃下煅燒10 h→煅燒產物與植物浸出液混合后在-10～200 ℃下熟成10～90 d[5]。制得的QE粉微觀下呈片層狀，層間距約0.898 nm。利用X射線能譜(EDS)對QE粉的組成元素及含量進行分析，結果如圖1所示?？梢钥吹絈E粉的成分與其他常見長石類硅酸鹽相似，即Al元素、Si元素和O元素占主要成分，摩爾比nAl∶nSi∶nO=1∶3∶10.50。可以看到，除Al3+外，QE粉中還含有Na+、Ca2+、Fe3+、Ti4+、K+和Mg2+等金屬陽離子，屬于納米硅酸鹽復合材料。

圖1　改性劑QE粉的EDS譜圖

2.2　纖維形態結構

利用自制QE粉母粒改性PET得到的PET/QE纖維的線密度為154.3 dtex/46根，斷裂伸長率和斷裂強度分別為28.0%和2.6 cN/dtex，其纖維形態結構如圖2所示。圖2(a)為PET/QE纖維的截面形貌的POM圖像，可以看到纖維的截面呈圓形且尺寸均勻，改性劑顆粒均勻分布在纖維中。圖2(b)為PET/QE纖維表面的SEM圖像，可以看出，纖維表面均勻分布有數目眾多、尺寸不一的明顯顆粒，證明改性纖維表面成功負載了改性劑QE粉；粉體自身出現了團聚，導致部分顆粒尺寸較大；此外改性劑的添加也使纖維表面變得粗糙，增大了纖維的比表面積，這有益于纖維吸濕及抗紫外性能的提高。

2.3　纖維性能分析

2.3.1吸濕性能

圖3為干燥的改性劑QE粉在標準條件下(20 ℃，相對濕度65%)的吸濕曲線，從圖3中可以看到QE粉在5 min內就吸濕增重了2.04%，4 h內最高增重可達3.32%左右，具有很高的吸濕速率和能力，表明QE粉具備用于PET纖維吸濕改性的潛力，改性后PET纖維的回潮率達1.23%。

圖2　PET/QE改性纖維的形態結構

圖3　改性劑QE粉的吸濕曲線

圖4為經QE粉改性的PET/QE纖維和常規PET纖維的吸濕爬桿曲線，可以看到PET/QE纖維的吸濕能力明顯優于常規PET纖維，纖維懸垂于藍色染料內3 min時，PET/QE纖維藍色部分高度為6.5 cm，而常規PET纖維為4.5 cm；經過6 min后隨著時間的增長，兩者的芯吸高度始終相差約1 cm。QE粉不僅能夠改善PET的吸濕性能，其在環境中短時間的強吸濕能力也會在加工過程中造成PET熔體降解的問題，因此盡量避免生產過程中干燥QE粉暴露在高濕環境下是維持PET/QE熔體的紡絲細流穩定性的重要措施之一。

圖4　PET/QE改性纖維和常規PET纖維的吸濕爬桿曲線

2.3.2抗靜電性能

表2為PET/QE纖維的回潮率、纖維比電阻和織物靜電性能。QE粉的添加增強了PET的吸濕性能，使得PET/QE纖維的回潮率較常規PET纖維增加了0.83%。纖維回潮率的增加也使纖維的抗靜電性能得到加強，PET/QE纖維的纖維比電阻較常規PET纖維下降了32%，顯著改善了纖維加工過程中的靜電效應，提高了纖維的可紡性。利用定壓法進一步測試了PET/QE織物的靜電性能，其結果也列于表2。可以看到PET/QE織物的靜電電壓峰值和半衰時間分別為111 V和0.49 s，較常規PET織物均下降了49%左右，說明經QE粉改性的PET/QE織物同樣具有較好的抗靜電性能，靜電荷在PET/QE織物的表面不易積累且逸散速度較快。

表2　PET/QE改性纖維的回潮率、纖維比電阻和織物靜電性能

2.3.3紫外吸收性能

圖5為QE粉、PET/QE纖維和常規PET纖維的固體紫外漫反射曲線。由圖5(a)可見，QE粉對紫外線具有一定的吸收能力，其對波長400 nm以下的紫外線反射率低于40%，且對波長245 nm左右的吸收效果最好。將QE粉與PET復合后，纖維的紫外吸收性能如圖5(b)所示，可以看到QE粉的添加提高了PET的紫外吸收能力，PET/QE纖維在UVA波段(320～400 nm)的反射率相較于常規PET纖維下降了25%～30%。在可見光波段PET/QE纖維同樣擁有更低的反射率，表明PET/QE纖維對可見光也有一定的吸收作用。除QE粉對紫外的吸收作用外，PET/QE纖維粗糙的表面也使其擁有較大的比表面積，加強了對紫外線的吸收。

圖5　QE粉、PET/QE纖維和常規PET纖維的固體紫外漫反射曲線

3　結　論

a) 利用自制QE粉母粒成功制備了PET/QE纖維，纖維表面及截面都均勻分布有大量改性粉體；纖維線密度為154.3 dtex/46根，斷裂伸長率和斷裂強度分別為28.0%和2.6 cN/dtex。

b) 吸濕性能測試表明PET/QE纖維的吸濕能力明顯提高，其芯吸高度及液態水擴散速率均優于常規PET纖維，纖維回潮率也達到了1.23%。吸濕性能的提高使改性纖維的靜電性能也得到了改善，相較于常規PET，PET/QE纖維的纖維比電阻下降了32%，其纖維織物的感應靜電電壓峰值和半衰時間較常規PET織物也分別下降了107 V和0.47 s，說明PET/QE纖維具有較好的抗靜電性能，表面電荷不易積累且逸散速度較快，提高了纖維的可紡性。

c) 紫外吸收測試表明PET/QE纖維在紫外及可見光波段均有一定的吸收，相較于常規PET纖維其UVA波段的反射率下降了25%～30%，可見光波段則由80%下降至60%左右。因此，經QE粉改性的PET/QE纖維也具有一定的紫外吸收性能。

綜上所述，QE粉的引入可以提高PET的吸濕性，改善纖維的靜電和紫外吸收性能，在提高織物的加工性能的同時可以滿足對織物穿著舒適性及日常防護的需求。