滌綸纖維表面復合改性對其親水性的影響

邵靈達 申曉 金肖克 田偉 祝成炎

摘要： 為了改善滌綸纖維分子缺乏親水基團親水性能差的問題，文章采用等離子體和硅烷偶聯劑對其進行復合改性，并對滌綸試樣的表面微觀形貌、表面接觸角、質量變化、單絲強度、官能團等進行測試和分析。結果表明：等離子體處理可以顯著改善滌綸的表面親水性，表面接觸角相比無處理之前降低58.5°，但在存放過程中滌綸纖維表面的極性基團變少，表面接觸角逐漸增大;經等離子體和硅烷偶聯劑復合改性后，表面接觸角降低46.3°，維持在85.7°左右。這些改性方式均使滌綸表面親和作用提升，浸潤性得到改善，同時對滌綸纖維質量和單絲強度的影響都很小。

關鍵詞： 滌綸纖維;表面改性;纖維表面性能;浸潤性;表面接觸角;單絲強度

中圖分類號： TS102.522文獻標志碼： A文章編號： 10017003（2020）02001906

引用頁碼： 021104DOI： 10.3969/j.issn.10017003.2020.02.004

Effect of surface modification of polyester fiber on its properties

SHAO Lingda， SHEN Xiao， JIN Xiaoke， TIAN Wei， ZHU Chengyan

（Key Laboratory of Advanced Textile Materials and Manufacturing Technology， Ministry of Education，

Zhejiang SciTech University， Hangzhou 310018， China）

Abstract： In order to solve the problem of poor hydrophilic performance due to the lack of hydrophilic group in the polyester fiber， it was modified by plasma and silane coupling agent. The surface topography， surface contact angle， mass change， functional group， and monofilament strength of polyester samples were tested and analyzed. The results show that the plasma treatment can significantly improve the surface hydrophilicity of the polyester. The surface contact angle was 58.5° lower than before treatment. But the polar groups on the surface of the polyester fiber decreased during the storage process， and the surface contact angle gradually increased. After composite modification with plasma and silane coupling agent， the surface contact angle decreased by 46.3°， it remained around 85.7°. These modification methods enhance the affinity of the polyester surface and improve the wettability. At the same time， the effect on the quality of polyester fiber and the strength of monofilament is very small.

Key words： polyester fiber; surface modification; fiber surface properties; wettability; surface contact angle; monofilament strength

滌綸是一種強度高、耐腐蝕、熱塑性好的合成纖維。因為良好的性能和低廉的價格滌綸行業發展得很快，同時石油工業的發展為滌綸生產提供了豐富而且廉價的原料，使其在化學纖維領域大發光彩，由傳統的服用領域向要求更高的產業用紡織品領域不斷發展[1]。但是滌綸分子排列緊密結晶度高，大分子上缺少親水基團，因此滌綸纖維親水性差且易產生靜電[24]，影響了滌綸織物的上染率[56]。目前滌綸纖維表面改性方法大致分為兩類（表1）：一類是通過物理方法，主要包括紫外線[78]、等離子體[9]、高能輻射射線[1011]和激光[12]等;另一類是通過化學方法，主要包括堿處理[13]、酶處理[14]。紫外線和高能輻射射線處理對儀器操作人員要求較高，難以實現工業化的生產。堿處理和酶處理不僅會對材料本身的力學性能產生較大的影響，同時也會對環境造成污染。Junkar等[15]對滌綸纖維進行等離子體處理，發現處理后的分子充滿了富氧官能團，通過水接觸角測試表明滌綸表面的親水性能有所增加。李宏英等[16]通過對無預處理和經等離子體預處理的滌綸織物進行測試，證明了經等離子體預處理的滌綸織物接枝率大幅提高，親水性也得到了的改善。但是經等離子處理后的纖維性能存在時效性，會在一定時間后失效。目前主要通過對不同處理對象采用合適的等離子體氣氛、處理功率、處理時間來改善等離子體處理存在的時效性。Kim[17]通過調整等離子體氣氛氬氧氣的比例，研究對等離子體時效性的影響，結果表明當氬氣和氧氣的比例為9︰1時處理效果最好，時效性較不明顯。硅烷偶聯劑是一類具有兩種不同性質基團（可水解基團和非水解基團）的有機硅化合物，其應用領域日益擴大，多應用于材料的表面改性，改善其浸潤性、流變性、黏接力等，具有用量少、效果明顯、時效性長等優點。本文以滌綸纖維為研究對象，對其進行等離子體處理和硅烷偶聯劑處理，同時嘗試采用一種物理與化學結合的方法使等離子體和硅烷偶聯劑復合改性，通過對表面處理前后性能的測試，來研究不同改性方法對滌綸纖維親水性能的影響。

1實驗

1.1材料、試劑與儀器

材料：平方米質量400g/m2滌綸織物（江蘇天裕集團）。

試劑：KH550硅烷偶聯劑（南京全希化工有限公司），無水乙醇、丙酮（杭州高晶精細化工有限公司）。

儀器：HD1A/B冷等離子體處理儀（常州中科常泰等離子體科技有限公司），JSM5610掃描電子顯微鏡（日本電子株式會社），視頻接觸角張力儀（德國Kruss公司），Instron3369萬能試驗機（美國英斯特朗公司）。

Effect of surface modification of polyester fiber on its properties滌綸纖維表面復合改性對其親水性的影響

1.2試樣處理

滌綸在加工過程中會加入油劑，這些油劑會停留在表面形成一層保護膜，所以在纖維改性之前應進行預處理，去除多余的油劑。

1.2.1滌綸纖維預處理

將滌綸試樣浸泡在丙酮溶液中24h去除油劑，然后將處理后的試樣放入鼓風干燥箱內，溫度設定為75℃，時間為12h，去除殘留的丙酮溶液。

1.2.2等離子體表面處理

將滌綸試樣放入等離子體處理室中，處理10min后排空處理室內的氣體，裝入真空袋備用[1819]。

1.2.3硅烷偶聯劑處理

將乙醇溶液硅烷偶聯劑按照97︰3配置成溶液。然后將經過預處理的滌綸試樣浸入溶液中，處理1h后使用乙醇溶液洗去未反應的硅烷偶聯劑，隨后將試樣放入鼓風干燥箱，充分干燥后裝入真空袋備用。

1.3結構表征和性能測試

在經等離子體表面處理和硅烷偶聯劑處理后，滌綸纖維的親水性能得到改善，通過測試表面接觸角來表征滌綸纖維的親水程度。為研究改性前后滌綸各項性能變化，本文對滌綸的微觀結構、表面接觸角、質量變化率和單絲強度進行對比分析。

1.3.1微觀結構表征

將滌綸纖維表面噴金后，使用JSM5610型掃描電子顯微鏡觀察纖維表面處理前后的形態變化，測試電壓為10kV，放大倍率2000。

1.3.2表面接觸角測試

使用德國Kruss公司生產的視頻接觸角張力儀來測試表面接觸角，將去離子水滴在滌綸機織物表面，每種試樣測試8個不同位置并記錄其水接觸角。

1.3.3纖維質量變化率

本文采用稱重法，每種試樣測試5次取平均值。

1.3.4纖維單絲強度

通過光學顯微鏡測試滌綸纖維直徑并使用Instron3369萬能試驗機進行測試，夾距為20cm，測試速度設定為10mm/min，每組試樣測試5次取平均值。

2結果與分析

2.1滌綸纖維表面形貌

圖1為滌綸纖維經不同改性處理后的掃描電鏡圖。

通過觀察對比圖1（a）（b），可以發現經等離子體處理后滌綸纖維表面出現了較為明顯的溝槽，增大了接觸面積。這是因為不穩定的電漿體在電磁場的作用下轟擊到纖維表面，通過物理作用剝離了纖維的表層物質。對比圖1（a）（c）可以看出，經硅烷偶聯劑處理后，原本光滑纖維表面被一層硅烷偶聯劑所覆蓋，表面變得粗糙。

對比圖1（b）（d）可以看出，在經硅烷偶聯劑處理后，滌綸纖維表面因等離子體處理而產生的溝槽被硅烷偶聯劑所覆蓋，等離子體處理能夠使硅烷偶聯劑接枝效果變得更好。

2.2表面改性處理對滌綸織物表面接觸角的影響

2.2.1等離子體及硅烷偶聯劑處理對滌綸織物表面接觸角的影響

圖2、圖3分別為不同改性處理后的滌綸織物表面接觸角測試及變化情況。

通過圖3可以看出，未經處理的滌綸織物表面接觸角為132°，去離子水停留在纖維表面濕潤性較差，呈現疏水性。滌綸織物經不同改性處理后的表面接觸角均發生一定程度的降低，其中經等離子體處理后的滌綸織物表面接觸角降低最明顯，這是由于等離子體束中的電漿體轟擊滌綸纖維表面，使滌綸纖維表面發生刻蝕作用同時產生更多的羥基親水基團。但此時滌綸表面處于非常不穩定的高能狀態，由于物質系統能量越低越穩定因此隨著時間的推移纖維的羥基基團會變少，表面改善的親水性能又恢復到之前的疏水狀態[20]。通過引入硅烷偶聯劑，滌綸纖維表面會物理吸附一些硅烷偶聯劑大分子的同時通過化學接枝使氨基增加羥基減少，但因為羥基的親水性優于氨基，導致親水性稍稍下降，共同作用下表面接觸角穩定在85.7°左右，經過測試復合改性可以有效避免等離子體表面處理失效。

2.2.2等離子體及硅烷偶聯劑處理對滌綸纖維質量變化率和單絲強度的影響

圖4為不同表面處理后滌綸纖維的質量變化率和單絲強度。

由圖4可見，經等離子體處理后，滌綸纖維的質量減少了1.04%，單絲強度提高了2.47%，這是由于等離子體穿透性不強，對纖維的損傷小，滌綸纖維的纖度減小，從而纖維單絲強度稍稍增加。經硅烷偶聯劑和復合處理的滌綸纖維質量分別增加了0.89%、1.05%，單絲強度降低了1.39%、0.39%。經硅烷偶聯劑處理后，纖維表面附著有偶聯劑大分子，滌綸纖維的纖度提高，單絲強度稍稍降低[21]。結果表明，三種改性方式對纖維質量和單絲強度影響不大。

2.2.3等離子體及硅烷偶聯劑處理對滌綸纖維表面官能團的影響

圖5為經不同表面處理后滌綸纖維的傅里葉紅外光譜圖。

由圖5（a）可見，970cm-1是滌綸大分子鏈末端—OH的振動峰，1409cm-1是苯環上C—H的振動峰，滌綸纖維大分子鏈的酯鍵分別在1710cm-1和1241cm-1處具有較強的—CO對稱伸縮特征。觀察圖5（b），在1578cm-1處的峰變明顯，這是由于硅烷偶聯劑中存在的—NH2和苯環振動吸收峰在此處相互疊加[22]。觀察圖5（c），1710cm-1處的強度明顯增強，表面被激活—CO基團強度增大，在3200～3600cm-1處的—OH伸縮振動譜帶變高變寬。這是由于纖維經過等離子體處理之后會產生很多的含氧極性基團，這些基團與空氣中的水接觸，增加了纖維表面的—OH基團數量[23]。

3結論

通過對滌綸纖維進行等離子體和硅烷偶聯劑復合處理，滌綸織物的親水性得到改善。

1）SEM結果表明，滌綸纖維經等離子體處理后，因刻蝕作用產生了溝槽，接觸面積增加，有利于改善滌綸的親水性;經硅烷偶聯劑處理后，與纖維表面活性基團形成化學鍵覆蓋在纖維表面，有利于改善滌綸的親水性。

2）經等離子體和硅烷偶聯劑處理后，滌綸織物表面接觸角有不同程度的降低。經等離子處理滌綸的表面接觸角降低最明顯，表面接觸角相比之前降低58.5°，通過復合改性處理表面接觸角維持在85.7°，穩定性較好，表明復合改性處理有利于降低滌綸纖維的表面接觸角，同時改善等離子體處理時效性差的問題。

3）測試纖維質量和單絲強度變化的結果表明，經三種改性方式處理后的滌綸纖維質量和單絲強度均小幅上漲或下降，說明等離子體和硅烷偶聯劑處理對纖維損傷小，不會對纖維的力學性能造成明顯影響。

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收稿日期： 20190521; 修回日期： 20191212

作者簡介： 邵靈達（1995），男，博士研究生，研究方向為紡織復合材料。通信作者：祝成炎，教授，cyzhu@zstu.edu.cn。