幾種差別化聚酯纖維的結構與性能

魏艷紅， 劉新金， 謝春萍， 蘇旭中， 吉宜軍

(1. 生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)， 江蘇 無錫 214122； 2. 南通雙弘紡織有限公司， 江蘇 南通 226600)

差別化纖維是指在原來纖維組成的基礎上進行化學或物理改性處理，使其纖維形態、性能與常規化學纖維有顯著不同，彌補了普通合成纖維的不足，主要分為變形絲、異形纖維、復合纖維、超細纖維等。 差別化是由日本化纖業在20世紀80年代首先提出的，我國對差別化聚酯纖維的開發始于20世紀80年代初[1]。隨著人們生活水平的提高，普通聚酯纖維已不能滿足高檔面料生產的需求。聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚對苯二甲酸丙二醇酯(PTT)、低黏度PET/高收縮PET復合彈性纖維(SPH)、PET/PTT雙組分網絡復合纖維(T400)等新型聚酯纖維相繼被開發，滿足了人們對舒適性、功能性和環保性的要求。

SPH是一種采用雙螺桿多組分生產的新型彈性纖維，是 2012年南通永盛纖維新材料有限公司在國內開發的新專利產品。超細旦PET長絲具有輕薄、染色性能好等特點，其織物具有絲綢般的輕、柔、滑、爽，有良好的服用性。T400最早是由杜邦公司開發的一種復合纖維。 PTT是20世紀90年代中期由Hell公司開發的一種性能優異的聚酯類新型纖維，具有優異的綜合性能，在服裝、工業、醫學等領域都有廣泛的應用[2-3]。高慶文[4]研究了SPH纖維的制備方法，柳敦雷等[5]介紹了超細旦PET的開發過程。目前，國內外學者對SPH、超細旦PET的結構與性能方面的研究比較少；SPH、T400、PET、PTT同屬于差別化聚酯纖維，4種纖維之間的性能差異目前還尚未進行深入研究。

為更好地了解新型聚酯纖維的特性，本文對4種差別化新型聚酯纖維的分子結構、力學與熱學性能、形貌與卷曲形態進行對比分析研究，以期為后續產品開發提供參考依據。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

SPH，線密度為3.33 tex(24 f)，采用低黏度PET與高收縮PET通過復合紡絲法生產，具有永久的三維卷曲效應，購自南通永盛纖維新材料有限公司；T400，線密度為3.33 tex(24 f)，由PTT與PET通過復合紡絲工藝制成的雙組分新型復合纖維，具有自然永久螺旋卷曲、優異的蓬松性以及特別柔軟的手感，購自英威達公司；PTT，線密度為3.33 tex(24 f)，由對苯二甲酸和1，3-丙二醇經酯化縮聚而成的聚合物，購自韓國曉星集團；高強度PET，線密度為0.88 tex(6 f)，采用熔體直紡工藝，通過新型噴絲板、優化的工藝塔回流水裝置等工藝條件制成，購自恒力集團江蘇恒科新材料有限公司。

1.2 測試與表征

1.2.1 分子結構表征

利用NICOLET iS10型傅里葉紅外變換光譜儀(美國賽默飛世爾科技中國有限公司)研究纖維的分子結構，采用衰減全反射法(ATR)測試，測量范圍為4 000～500 cm-1。

采用D2 PHASER 型X射線衍射儀(德國布魯克AXS有限公司)測定纖維聚集態結構，首先將纖維平行密集地排列在圓形樣板上，纖維軸與衍射儀軸呈直角。掃描速度為2(°)/min，掃描范圍為5°～80°。

1.2.2 形貌觀察

將纖維切片經噴金處理后，使用SU1510型掃描電子顯微鏡(日本日立株式會社)觀察纖維的橫截面和表面形貌。

1.2.3 力學性能測試

參照GB/T 14344—2008《化學纖維 長絲拉伸性能試驗方法》、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(CRE法)》，測試4種長絲纖維的拉伸性能。利用YG068C型全自動單紗強力儀(蘇州長風紡織機電科技有限公司)測試SPH、T400、PTT的斷裂強度、斷裂伸長率、斷裂功等。測試條件為：夾持隔距500 mm，拉伸速度500 mm/min，預加張力(0.05±0.005) cN/dtex。由于選用的PET線密度較小，采用YQ-2型纖維強伸度儀(東華大學)測試其斷裂強力及斷裂伸長率，測試條件為：夾持距離20 mm，下夾持器下降速度20 mm/min，預加張力(0.05±0.005)cN/dtex。每種纖維分別測試20次，結果取平均值。

1.2.4 彈性性能測試

由于長絲的彈性測試沒有統一的國家或企業標準，因此，參照FZ/T 50007—2012 《氨綸絲彈性試驗方法》及東華大學制定的XL-2型紗線強伸度儀使用說明書，利用XL-2紗線強伸度儀測試纖維的彈性回復性。在斷裂伸長范圍內進行一次定伸長、循環定伸長拉伸彈性回復實驗，設置定伸長分別為5%、10%、15%、20%。實驗條件為：夾鉗隔距長度500 mm，拉伸速度500 mm/min，預加張力0.2 cN/dtex，每組實驗測試5次，取平均值。一次定伸長彈性實驗拉伸停頓時間為30 s，回復時間為30 s。循環定伸長彈性測試，循環5次，前4次拉伸循環中沒有停頓，第5次循環拉伸至相應的定伸長時停頓30 s，回到原位后再停30 s。依次求取塑性變形率和彈性回復率，計算公式為：

式中：SD為塑形變形率，%；E為彈性回復率，%；L0為未伸長時的夾持長度，mm；L1為設定伸長時的長度，mm；L2為達到試樣預加張力值時的長度，mm。

1.2.5 吸濕性能測試

參照GB/T 6503—2008《化學纖維 回潮率試驗方法》，采用YG747型通風式快速八籃烘箱(南通宏大實驗儀器有限公司)測試纖維的回潮率。稱取50 g試樣，烘燥溫度為(105±3) ℃，烘燥時間為1 h。

1.2.6 熱學性能測試

將纖維烘干，用哈氏切片器將纖維切成粉末狀并稱取5 mg左右置于陶瓷坩堝內，利用Q-500型熱重分析儀(美國TA儀器公司)在氮氣環境下(氮氣流速為60 mL/min)，以20 ℃/min速率升溫，在50～800 ℃溫度范圍內測試纖維的熱穩定性。

采用Q-200型差示掃描量熱儀(DSC，美國TA儀器公司)分析纖維的熱性能曲線。采用哈氏切片器將纖維切成粉末狀，稱取5 mg左右的樣品置于鋁坩堝內，以氮氣為保護氣，N2流速為50 mL/min，初始溫度為0 ℃，以10 ℃/min速率升溫至300 ℃得到升溫曲線。

參照GB/T 6505—2008《化纖纖維 長絲熱收縮率試驗方法》，采用絞絲法測試纖維的熱收縮性。利用縷紗測長儀搖取10 m長絲，放在絨板上平衡4 h。然后將試樣懸掛在吊鉤上，下端施加預加張力0.2 cN/dtex，等待30 s后測量其長度L0(cm)。將平衡后的試樣在松弛狀態下放入100 ℃去離子沸水中，使用數顯恒溫水浴鍋加熱煮沸30 min，自然晾干并平衡8 h。測量煮沸后長度L1(cm)。每種試樣測試3次，結果取其平均值。沸水收縮率S(%)計算公式為

1.2.7 卷曲形態測試

利用VHX-5000型超景深三維數碼顯微鏡(基恩士公司)分別觀察未處理即直接從卷裝上退繞下來的纖維、經反復拉伸后的纖維如沸水處理后的纖維的卷曲形態。

2 結果與分析

2.1 聚酯纖維結構分析

2.1.1 分子結構

圖1 纖維的紅外光譜圖Fig.1 Infrared spectroscopy of fiber

圖2示出4種聚酯纖維的XRD圖譜。可以看出，譜圖有尖銳的衍射峰，表明試樣中存在晶態與非晶態且兩相差別明顯。2θ值與試樣晶型有關，當衍射角相同時，波峰越高，纖維對X射線的衍射強度就越大，纖維的結晶度也就越高[7]。由圖2看出：PET的結晶度最高；T400的結晶度較低，故彈性較好。PET、PTT均屬于三斜晶系，但晶體結構存在明顯差異，SPH有3個衍射峰，也屬于三斜晶系。

圖2 纖維的XRD圖譜Fig.2 XRD pattern of fiber

2.1.2 形貌結構

圖3示出4種纖維的掃描電鏡照片。由圖3(a)可知：SPH纖維橫截面近似啞鈴狀，單絲由2種橫截面為圓形且面積不等的絲體用物理與化學方法相結合而成，其中一種纖維嵌入另一纖維中；纖維截面平整無分界，表明二組分具有很好的界面相容性；2種纖維的結合處形成溝槽(見圖3(b))，此溝槽可產生毛細效應，能迅速吸收皮膚表面汗水并傳遞到纖維表面蒸發，具有吸濕排汗作用。T400的橫截面成8字型(見圖3(c))，其纖維為雙組分纖維復合而成，2種組分各占一半，在二組分結合處形成微溝槽(見圖3(d))，具有導濕快干的特性。PTT截面形態為三葉形(見圖3(e))，表面形態結構基本上與PET相似，呈光滑條狀，光的反射、折射較強，表面有空隙，具有導濕、透氣與保暖性。超細旦PET纖維橫截面近似于圓形(見圖3(g))，由6根單絲形成復絲，表面光滑無溝槽(見圖3(h))。

2.2 聚酯纖維力學性能分析

2.2.1 拉伸性能

表1示出4種纖維的強伸性能?？梢钥闯觯琍ET的斷裂強度最高，T400次之，SPH與PTT較低。由于PTT大分子鏈以螺旋型構象出現，使其具有較好的拉伸，因此，PTT的斷裂伸長率是4種纖維中最高的，且斷裂功大，表明PTT具有較好的韌性。

表1 纖維的強伸性能Tab.1 Strength and elongation of fibers

2.2.2 彈性回復性能

在4種新型聚酯纖維的斷裂伸長率范圍內進行彈性回復性、塑性變形測試，結果如表2、3所示。可以看出：SPH、T400、PTT在低伸長率(5%)下都具有較好的彈性回復性，循環定伸長彈性回復率基本在90%以上；塑性變形小，尤其是T400，其一次定伸長(5%)拉伸彈性回復率高達98.4%；隨著定伸長的增加，T400、PTT仍保持較好的彈性回復性，而SPH的彈性回復性急劇下降，塑性變形加大；PET的彈性回復性最差，20%定伸長一次拉伸塑性變形率為61.31%，由于PET的塑性變形較大，實驗過程中測試循環定伸長拉伸比較困難，數據差異較大，故沒有列出。

表2 纖維的彈性回復率Tab.2 Elastic recovery of fibers

表3 纖維的塑性變形率Tab.3 Plastic deformation of fibers

在PET大分子鏈中2個苯環之間僅有2個亞甲基，大分子之間的柔性較差，在受力作用下PET大分子鏈不會發生晶型的轉變，故PET與SPH的彈性回復性相對較差。T400產生的彈性機制是由于PET、PTT二組分熱收縮率的差異而產生自卷曲彈性，且彈性穩定性和持久性好，彈性回復性能好。PTT分子鏈上含有奇數個亞甲基使其具有“奇碳效應”，分子鏈呈現類似于羊毛蛋白質分子鏈的螺旋結構，大分子鏈中—O—CH2—CH2—CH2—O—單元具有一種能量較低的“T—G—G—T”式構象,即具有明顯的“Z”字形構象，導致其大分子鏈具有彈簧一樣的形變和形變回復能力，具有優異的回彈性。

2.3 聚酯纖維吸濕性能分析

回潮率的大小反映纖維吸放濕性能的高低，經實驗測得SPH、T400、PTT和PET纖維的回潮率分別為0.96%、0.80%、0.69%、0.48%。這4種纖維的回潮率都比較低，均低于1%。一般來說，纖維的吸濕性小，織物濕態下折皺回復性好、縮水性小，織物的尺寸穩定性、免燙性好。

2.4 聚酯纖維熱學性能分析

2.4.1 沸水收縮性

沸水收縮率是衡量纖維熱收縮性的重要指標，反映了纖維在加工過程中受熱處理后的尺寸穩定性[8]。表4示出纖維的沸水收縮率指標測試結果?？梢?，SPH、T400的沸水收縮率較大，原因是分子之間存在一定的內應力，同時SPH采用高收縮PET復合形成，熱處理后分子內的結晶度、取向度發生一些變化，產生了不可逆的收縮。結晶度、取向度越大，纖維內部晶區增加、內部分子排列整齊，結構越穩定，纖維越不易收縮。根據以上分析，PET、PTT的結晶度較高，故沸水收縮率低。高收縮性對織物加工有一定的影響，因此，在后續加工中要適當控制溫度[9]。綜上所述，PET、PTT具有較低的熱收縮率。

表4 纖維的沸水收縮率Tab.4 Boiling water shrinkage of fibers

2.4.2 熱穩定性

圖4示出4種纖維的熱學性能曲線。由圖4(a)可知：SPH、PET的熔融溫度分別為252.87、250.58 ℃，由于SPH由2種性能不同的PET復合而成，因此，SPH的熔融溫度與PET接近；PTT的熔融溫度為224.94 ℃，由于奇碳效應的存在，其熔融溫度明顯低于PET；T400纖維由PET和PTT雙組分纖維復合而成，因此，在DSC曲線中存在2個熔點，分別為225.55、249.69 ℃。

由圖4(b)曲線可知，SPH、PET這2種纖維的熱穩定性最好且基本接近，T400次之，PTT的熱穩定性最差。PTT纖維分解后的殘留物最少，因此PTT纖維是比較環保的生物基化學纖維。

2.5 聚酯纖維卷曲形態分析

圖5示出纖維反復拉伸和沸水處理前后的卷曲形態。由圖5可知：SPH從卷裝上直接退繞下來的纖維形態幾乎無卷曲(見圖5(a))；經過反復拉伸后形成大而稀疏的卷曲狀，束絲開始散開(見圖5(b))；沸水處理后的SPH纖維形態發生較大變化，卷曲充分顯現，變得小而密，束絲散開成單絲(見圖5(c))。由于SPH纖維內部的二組分具有不同的收縮性且平行排列，經過拉伸作用后或熱處理，纖維在內應力作用下會形成類似羊毛小而密的卷曲態，因而獲得良好的蓬松性與彈性，即纖維的自卷曲效應[10]。卷裝上退繞下來的T400纖維有少量卷曲(見圖5(d))；反復拉伸后卷曲發生變化，卷曲變得小而密，卷曲態更均勻，束絲變得更抱合(見圖5(e))；煮沸后的T400纖維，卷曲發生很大改變，有部分纖維散開成單絲，部分纖維形成類似彈簧形的螺旋狀(見圖5(f))。PTT、PET這2種纖維反復拉伸后及沸水處理前后纖維形態無明顯變化，纖維比較順直無卷曲狀，如圖5(g)～(l)所示。

圖5 纖維反復拉伸和沸水處理前后的卷曲形態(×100)Fig.5 Curl morphology of fibers before and after repeated stretching and boiling water treatment(×100). (a) SPH unprocessed; (b) SPH after repeated stretching; (c) SPH after boiling; (d) T400 unprocessed; (e) T400 after repeated stretching; (f) T400 after boiling; (g) PTT unprocessed; (h) PTT after repeated stretching; (i) PTT after boiling; (j) PET unprocessed; (k) PET after repeated stretching; (l) PET after boiling

SPH較普通的滌綸有較好的蓬松性和卷曲彈性。SPH、T400具有的天然的卷曲可長期保持不變，經過熱處理后這種卷曲仍熱存在，使服裝始終保持較好彈性。通過纖維卷曲態的變化圖也可說明，T400的沸水收縮率最大，SPH次之，PTT、PET沸水收縮率較低(僅為8.4%、9.0%)。

3 差別化聚酯纖維特性及其應用

SPH纖維表面有溝槽，拉伸或熱處理后具有羊毛的卷曲效果，由其做成的織物既有吸濕排汗作用，又具有一定的彈性。SPH斷裂強度及斷裂伸長率小，適合應用在對彈力要求不高的面料中，如彈力襯衫、西服西褲、彈力女裝、夏季T恤等。T400長絲因其優異的拉伸性能及彈性回復性而可單獨織造，也可與棉、粘膠、滌綸、錦綸等進行交織，同時還可做成包芯紗應用在牛仔面料、襯衫面料中，以提高織物的彈性及保形性。T400長絲熱收縮率較高，在后續加工中應適當控制溫度。PET長絲具有絲綢般柔軟、滑爽的特性，可用來做高檔高密滌塔夫，仿蠶絲等高端紡織產品，也可與精梳棉短纖復合生產高支包芯紗或包覆紗，應用在高檔免燙襯衫面料中。由于PET長絲線密度小，因此強力低，在后續使用時需降低車速，優化工藝。PTT纖維的斷裂伸長率大于其他聚酯纖維，既有錦綸的柔軟性、腈綸的蓬松性、滌綸的抗折皺性和抗污性，又有本身固有的彈性，優異的形態穩定性，把各種纖維優良的服用性集于一身。主要應用于時裝、襯衫、運動服、形狀記憶面料等高端服飾領域。高性能的PTT已經開始在醫學方面應用，如PTT彈性人造血管、PTT聚合物支架在骨修復中作為干細胞載體[11]。PTT熔點低，熱穩定性不及PET，使得PTT纖維染色性能好，可采用常壓染色，但PTT織物的熱定形溫度不宜過高。

4 結 論

本文對4種差別化聚酯纖維進行測試與表征，研究結果表明：SPH截面近似啞鈴狀，由性能不同的2種PET復合而成，二組分結合處形成表面溝槽，可賦予纖維良好的吸濕排汗作用，SPH經拉伸或熱處理后可產生纖維的自卷曲效應，具有良好的彈性；T400斷裂強度高，具有天然的卷曲，使其具有較好的彈性及彈性回復性，受熱后產生近似彈簧形的螺旋狀，具有永久的彈性，但T400有較高的熱收縮性，對后續生產加工及織造不利；PET具有較高的強度，熱穩定性好，其織物有蠶絲般的柔、滑，可應用到高檔紡織品中；PTT分子結構獨特的奇碳效應，使纖維具有較好的彈性和彈性回復性，斷裂伸長大，纖維的韌性較好，應用領域廣。

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