熱處理和堿處理對陽離子可染短纖維力學性能的影響

楊童童，韓春艷,2，陳 艷，尹建新，賈君君，李 娜，雷青松

(1. 中國石化儀征化纖有限責任公司，江蘇儀征 211900； 2. 江蘇省高性能纖維重點實驗室，江蘇儀征 211900)

聚酯滌綸纖維具有強度高、模量高、尺寸穩定性好、耐磨耐熱、挺括不皺等特點，被廣泛用于各類紡織品領域[1]。但由于滌綸纖維只能在高溫高壓下使用分散染料進行染色，并且具有吸濕透氣性差、靜電大、易起球等特點，這限制了滌綸纖維的應用和發展。而ECDP纖維不僅可以使用陽離子染料在常壓下進行染色，上染率高，色譜廣，色澤鮮艷[2]，而且與普通滌綸纖維相比，其抗起毛起球性能好，具有手感柔軟、吸濕性好、環保低能等特點，也可作為腈綸和黏膠的替代產品在毛紡、棉紡上有一定應用。經查閱，有關聚酯滌綸纖維堿處理的報道較多[3-8]，而對ECDP纖維的熱處理和堿處理系統的研究報道甚少。ECDP纖維經過熱處理和堿處理，纖維的柔軟性和吸濕性提高，滿足后道使用需求。因此，ECDP纖維的耐熱耐堿性尤其受到關注。本文系統地研究了熱處理工藝分別對酯型和醚型ECDP纖維力學性能的影響，以及堿處理工藝對醚型ECDP纖維結構和力學性能的影響。通過對比測試分析，找出合適的處理條件，為今后的生產實踐提供參考。

1 試 驗

1.1 原料

材料：1.33 dtex×38 mm的酯型和醚型兩種ECDP纖維，中國石化儀征化纖有限公司熔體直紡。

試劑：氫氧化鈉，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；去離子水，自制。

1.2 儀器設備

振蕩式常壓染色機，HBC-24型，佛山順德容桂市薈寶染整機械廠；電熱恒溫鼓風干燥箱，DHG-9146A型，上海精宏實驗設備有限公司；PH計，PHS-3C型，上海雷磁儀器有限公司；電子分析天平，MS-204S型，瑞士METTLER TOLETO公司；短纖強伸儀，XQ-2型，上海新纖儀器有限公司；掃描電子顯微鏡，Nova NanoSEM 450型，FEI公司。

1.3 熱處理和堿處理實驗

1.3.1 熱處理實驗

熱處理實驗采用電熱恒溫鼓風干燥箱，對酯型和醚型兩種ECDP纖維進行干熱處理，將兩種ECDP纖維在松弛狀態下放入烘箱內，在指定的溫度下處理一定時間，取出后放在溫度為20 ℃濕度為65%的標準條件下平衡24 h后待用。通過改變干熱處理溫度(160～200 ℃)，探討熱處理溫度和時間對酯型和醚型ECDP纖維力學性能的影響。

1.3.2 堿處理實驗

堿處理實驗采用振蕩式常壓染色機，按浴比1∶100 配制處理液，將處理液置于振蕩水浴鍋中加熱到規定的溫度，投入經準確稱量的醚型ECDP纖維，恒溫下處理一定時間，取出，用水沖洗，晾干，待用。通過改變堿液濃度(2.5～200 g/L)、堿處理溫度(75～95 ℃)和堿處理時間(15～90 min)，探討堿液濃度、處理溫度、處理時間對醚型ECDP纖維力學性能的影響。

1.4 分析測試

1.4.1 表面形態表征

將分散的ECDP纖維樣品平鋪在固定的樣品座上，放入208HR離子濺射儀進行噴鍍處理，經處理后的試樣用Nova NanoSEM 450型掃描電子顯微鏡觀察纖維表面形態結構。

1.4.2 纖維力學性能表征

纖維力學性能測試采用纖維強伸度儀，參照標準GB/T 14337中“斷裂強力和斷裂伸長測定方法”，夾持長度為20 mm，拉伸速度為20 mm/min。

2 結果與討論

2.1 熱處理對ECDP短纖維力學性能的影響

本實驗選取醚型和酯型兩種ECDP纖維，分別在不同條件下進行熱處理10 min，處理溫度均高于常壓可染陽離子纖維的玻璃化轉變溫度(60～70 ℃)，測定干熱處理試樣熱處理前后的斷裂強力和斷裂伸長率、定伸長負荷和模量。熱處理條件對醚型和酯型兩種ECDP纖維的強度保持率、斷裂伸長率、定伸長負荷以及模量的影響如圖1～4所示。

圖1 干熱處理溫度對醚型和酯型ECDP 纖維斷裂強度的影響

由圖1可以看出，當醚型ECDP纖維的熱處理溫度在170 ℃以內，酯型ECDP纖維的熱處理溫度低于190 ℃時，兩者的強度保持率均高于100%，這可能是因為較低的熱處理溫度使得纖維內的一些相對不穩定的分子間作用力得到了舒解，并且重建成了較為穩定的分子間作用力，不僅調整了纖維間的微細結構，而且使纖維的總體取向度和結晶度提高，結晶區的大小和結晶度達到一個新的狀態，使纖維結構均勻化。整體上來看，熱處理時間不變，隨處理溫度的升高，醚型ECDP纖維強度有明顯的下降趨勢，但其強度保持率仍能在92%以上。酯型ECDP纖維強度下降不明顯，且當處理溫度達到200 ℃時，酯型ECDP纖維強度的保持率仍高于96%。這可能是由于纖維受熱后，伴隨著非晶區大分子鏈段的“解凍”以及纖維取向結構的變化，纖維內部不同結構區域發生熱收縮，斷裂強度下降。并且由以上結果可以看出，酯型ECDP纖維的耐熱性要比醚型的好，并且ECDP纖維的熱處理溫度在180 ℃以下時，較為合適。

由圖2可以看出，醚型和酯型ECDP纖維在不同溫度下進行干熱處理后，其斷裂伸長率總體上呈現增大趨勢(醚型ECDP斷裂伸長率為30.43%，酯型為38.34%)，但在160～180 ℃范圍內處理時間相同時，伸長率的變化較為復雜，這說明在該溫度范圍內，纖維的微觀結構的變化較為復雜，這是纖維大分子鏈解取向和結晶同時作用的結果。當處理溫度超過180 ℃時，其斷裂伸長率陡然升高，此時，解取向占主要作用，在外力作用下，收縮的大分子鏈可能伸長，伸長率升高。由圖3可知，熱處理溫度對纖維在10%定伸長率下的拉伸負荷影響也比較明顯(醚型ECDP為2.19 cN，酯型為2.22 cN)，醚型和酯型ECDP纖維在160 ℃下處理10 min后，10%定伸長負荷基本降到2.0 cN以下，且隨溫度的升高而不斷減小。這一指標是纖維與棉、黏膠等纖維混紡時相匹配的指標，纖維的定伸長負荷過低，混紡過程中強力低于棉等纖維，會導致紗線強力過低。因此，10%定伸長負荷不宜過低。從圖4結果可看出，ECDP纖維經高溫熱處理后拉伸模量均變大(醚型模量為21.56 cN/dtex,酯型為23.64 cN/dtex)，在160 ℃ 熱處理10 min后，纖維的模量均顯著提高，而隨著溫度進一步升高，纖維的模量基本保持穩定，不再上升，表明纖維在經熱處理后，大分子鏈結構發生了變化，纖維結晶度提高，致使纖維模量提高。纖維模量增大會導致其織物手感變硬，影響后道使用。綜合圖1～4來看，ECDP纖維在170～180 ℃溫度下處理10 min，既能保證纖維具有較好的定型效果又具有優良的彈性，并且醚型ECDP纖維熱處理溫度需要略低于酯型。

圖2 干熱處理溫度對醚型和酯型ECDP 纖維斷裂伸長率的影響

圖3 干熱處理溫度對醚型和酯型ECDP 纖維10%下定伸長負荷的影響

圖4 干熱處理溫度對醚型和酯型 ECDP纖維模量的影響

2.2 堿處理對醚型ECDP纖維形態結構的影響

堿處理對聚酯纖維的降解是由表及里，處理條件達到一定程度，聚酯纖維表面便會產生破洞。堿液處理前后醚型ECDP纖維表面形態如圖5所示。

堿處理過程中，堿液從纖維表面逐漸向纖維內部浸潤，聚酯纖維表面結構較疏松的非晶區和結晶有缺陷區域的大分子首先被水解而溶蝕[9]。由聚酯纖維的堿減量理論可知，堿液對纖維形成的刻蝕、損傷隨著堿濃度的提高及處理溫度、時間的上升而逐漸加大[10]。由圖5可知，未用堿液處理的醚型ECDP纖維表面光滑平整。在堿液濃度不變的情況下，在75 ℃下處理15 min后，纖維表面有輕微的刻蝕和龜裂；當在75 ℃下處理45 min后，纖維表面刻蝕嚴重，并出現凹坑和破洞現象；將處理溫度提高到85 ℃，處理時間仍為45 min時，纖維表面出現嚴重破洞和凹槽，纖維嚴重受損。由此可知，在堿液濃度不變的情況下，隨處理時間和處理溫度的提高，醚型ECDP纖維損傷越嚴重，因此，需要嚴格控制堿處理的條件。

圖5 堿處理對醚型陽離子可染短纖維形態結構的影響

2.3 堿處理對醚型ECDP短纖維力學性能的影響

ECDP纖維在后道的應用中大多是替代滌綸纖維與棉、黏膠等纖維進行混紡，由于ECDP纖維的強力比普通滌綸低，經過退漿、精練、絲光等工序處理后，纖維的強度會進一步降低，將會影響織物的使用性能，因此必須對ECDP纖維的耐堿性進行探究，從而制定適宜的堿處理條件，既要滿足染整要求，又要保證ECDP纖維比較小的強度降。

本實驗通過控制堿液濃度、堿處理時間和溫度，探究堿處理條件對醚型ECDP纖維斷裂強度和斷裂伸長的影響，如圖6和圖7所示。

圖6和圖7分別列出了在堿液濃度(5 g/L)不變時，經過不同的堿處理溫度和時間，醚型ECDP纖維斷裂強度和斷裂伸長率的變化情況。從圖中可以看出，當堿處理時間較短在15 min時，溫度對醚型ECDP纖維斷裂強度的影響不是很大，當溫度低于85 ℃時，醚型ECDP纖維斷裂強度保持率可達到95%，當溫度逐漸升高，斷裂強度有所下降，但仍能保持在90%以上。隨著堿處理時間的延長，在溫度低于85 ℃時，醚型ECDP纖維斷裂強度保持率隨時間的延長而略有降低，說明在溫度低于85 ℃時，處理時間對醚型ECDP纖維斷裂強度的影響并不顯著。當溫度超過85 ℃，隨著堿處理時間的延長，醚型ECDP纖維斷裂強度保持率呈現出急劇下降的趨勢，進一步地，當溫度超過85 ℃，處理時間大于45 min 時，纖維斷裂強度保持率不足80%，此時醚型ECDP纖維損傷嚴重。因此，醚型ECDP纖維堿處理溫度最好能控制在85 ℃以下。由圖7可知，醚型ECDP纖維經堿處理后，其斷裂伸長率大幅下降(原樣為28.26%)，并且隨處理溫度的升高和處理時間的延長而不斷下降，當溫度超過85 ℃時，斷裂伸長率不再大幅下降，呈現逐漸穩定的趨勢。

圖6 堿處理溫度和時間對醚型ECDP 纖維斷裂強度的影響

圖7 堿處理溫度和時間對醚型ECDP 纖維斷裂伸長率的影響

由上述分析可知，堿處理時溫度應控制在85 ℃以內，為了進一步地研究醚型ECDP纖維在堿溶液中處理時，堿液濃度和處理時間對其力學性能的影響，圖8～9展示了堿處理溫度(85 ℃)不變時，醚型ECDP纖維經不同濃度的堿溶液處理不同時間后纖維強度和斷裂伸長率的變化。

由圖8可以看出，醚型ECDP纖維在堿溶液濃度較小時，即使處理較長時間，其強度保持率仍較高，可達到90%以上，其強度損失較小。而堿液濃度增大至10 g/L后，隨處理時間的延長，纖維強度陡降，纖維損傷嚴重。由圖9可知，醚型ECDP纖維的斷裂伸長率整體上隨堿液濃度和處理時間的增大而下降(原樣為28.26%)。由此可見，堿液濃度對醚型ECDP纖維強度和斷裂伸長率的影響較大，這可能是由于堿液會破壞纖維中的結晶部分，使得纖維的結晶度和取向度下降，隨堿液濃度的增加，纖維強度和斷裂伸長率明顯下降。綜上所述，在纖維以及織物的后整理過程中，考慮到醚型ECDP纖維的耐堿性，堿處理溫度不宜超過85 ℃，堿濃度最好低于7.5 g/L，時間控制在45 min以內。

3 結 論

本文采用掃描電子顯微鏡、短纖強力儀對ECDP纖維進行測試和表征，討論了熱處理和堿處理工藝條件對ECDP纖維表面形態和力學性能的影響，通過實驗得出了ECDP纖維合適的熱處理和堿處理的工藝條件。

a) 隨溫度的升高，酯型和醚型ECDP纖維的斷裂強度先增大后減小；其斷裂伸長率隨溫度的升高而增大；溫度在160～200 ℃時，纖維的10%定伸長負荷隨溫度升高而減小，且減小到2 cN以下；纖維模量經熱處理后變大，但受溫度影響不大。酯型和醚型ECDP纖維在170～180 ℃溫度下處理10 min，既能保證纖維具有較好的定型效果又具有優良的彈性。

b) 酯型ECDP纖維比醚型ECDP纖維耐熱性好。在進行干熱處理時，醚型ECDP纖維的熱處理溫度要略低于酯型ECDP纖維。

c) 在堿液濃度不變的情況下，隨處理時間和處理溫度的提高，醚型ECDP纖維損傷逐漸嚴重，并且纖維表面伴隨出現龜裂和刻蝕，以及凹坑和破洞。因此，需嚴格控制堿處理的條件。

d) 醚型ECDP纖維的耐堿性比普通聚酯纖維弱，堿處理溫度不宜超過85 ℃，堿濃度最好低于7.5 g/L，時間控制在45 min以內。