EKS纖維與腈綸纖維的結構及性能對比研究

摘要：EKS纖維是一種具有顯著吸濕發(fā)熱性能的亞丙烯酸鹽系纖維。對比了EKS纖維和腈綸纖維的表面形態(tài)，測試與分析了兩種纖維的力學性能、摩擦性能、比電阻、卷曲性能、吸放濕性能及吸濕發(fā)熱性能。結果表明，相比于腈綸纖維，EKS纖維橫截面為圓形，縱向結構粗糙，具有斷裂強度、摩擦系數(shù)、比電阻和卷曲率小，線密度、斷裂伸長率和回潮率大等特點。EKS纖維的吸、放濕速率隨時間呈指數(shù)形式衰減，纖維的初始吸、放濕速率分別為0.39% min-1、8.94% min-1，達到吸、放濕平衡所用時間比腈綸纖維長。EKS纖維具有較好的吸濕發(fā)熱性，吸濕發(fā)熱最高升溫值為8.2 ℃，比腈綸纖維高4.7 ℃。

關鍵詞：EKS纖維；腈綸纖維；形態(tài)結構；性能測試；吸濕發(fā)熱；吸放濕性能

中圖分類號：TS102.5文獻標志碼：A文章編號：1002-4026（2023）03-0069-09

Abstract∶EKS fiber is a subacrylate fiber with significant hygroscopic-heating properties. In this study， the surface morphologies of EKS and acrylic fibers were compared， and their mechanical properties， friction properties， specific resistance， curling properties， moisture absorption and liberation properties， and hygroscopic-heating properties were tested and analyzed. The results showed that compared with the acrylic fiber， the EKS fiber featured a circular cross section and rough longitudinal structure as well as low breaking strength， friction coefficient， specific resistance and curl rate; moreover， it featured a high linear density， elongation at break， and moisture recovery rate. With the initial absorption rate and liberation rate being 0.39% min-1 and 8.94% min-1， respectively， the moisture absorption and liberation rates of the EKS fiber decreased exponentially with time， and the time required to achieve the absorption and liberation balance was longer than that for the acrylic fiber. The EKS fiber exhibited good hygroscopic-heating properties with a maximum hygroscopic-heating value of 8.2 ℃， which was 4.7 ℃ higher than that for the acrylic fiber.

Key words∶EKS fiber; acrylic fiber; morphological structure; performance testing; hygroscopic-heating; moisture absorption and liberation properties

隨著生活水平的提高，人們越來越關注紡織品的功能性和舒適性。吸濕發(fā)熱材料通過吸收空氣中或人體所散發(fā)的水蒸氣，將其轉化成液態(tài)放熱以達到保暖的目的[1]。在低溫、濕冷的秋冬季節(jié)，吸濕發(fā)熱材料的合理運用可以在不增加織物厚度的情況下給人體補充熱量，減少皮膚因為汗液蒸發(fā)而產(chǎn)生的濕冷感[2]，有很好的應用前景。目前市面上有許多不同種類的吸濕發(fā)熱纖維材料，包括改性腈綸纖維、改性聚丙烯酸纖維、亞丙烯酸鹽系纖維及超細旦抗起球腈綸等[3-4]。

應用吸濕發(fā)熱纖維開發(fā)具有熱濕舒適性的保暖面料是國內(nèi)外研究的熱點之一。吸濕發(fā)熱纖維中的EKS纖維（亞丙烯酸鹽系纖維），是日本東洋紡公司開發(fā)的化學纖維材料[5]，屬于腈綸基纖維。其原理是通過交聯(lián)反應將大量的氨基、羧基、羥基和氰基等親水基團引入到聚丙烯酸分子上[1]，使纖維的回潮率大幅度提高，達到26%。該纖維內(nèi)部結構形似蜂窩，有利于水分的附著，可迅速吸收人體產(chǎn)生的汗液或汗氣并產(chǎn)生熱量，達到發(fā)熱保暖的效果。EKS纖維還具有調控pH值、阻燃、抗起球和防靜電等多種功能[6]。目前，國內(nèi)外已經(jīng)有許多學者對EKS纖維的成分鑒別、紡紗工藝的配置、產(chǎn)品的開發(fā)與應用等方面進行了深入研究。劉啟濱等[7]利用燃燒法、顯微鏡法、溶解法等檢驗方法對EKS纖維進行成分鑒別，得出EKS纖維燃燒后不熔不縮、有特殊氣味，且具有特有的中紅外吸收光譜圖等特點，為EKS纖維的快速鑒別提供了有效方法。朱祎俊等[5]采用賽絡紡生產(chǎn)了混紡比為40∶35∶25的精梳長絨棉/超細腈綸/EKS針織紗，紗線質量符合要求。黃學水等[8]將EKS纖維與黏膠纖維進行混紡，并以此混紡紗、雙抗腈綸紗和錦綸包氨綸紗為原料，制備了胖花羅紋組織結構的針織內(nèi)衣面料，該面料具有較好的保暖效果，吸濕放熱最高升溫值達4.6 ℃。但是前人研究中，對EKS纖維的性能，特別是吸濕性能的研究較少。

為了解EKS纖維與其他腈綸基纖維在形態(tài)結構及性能上的區(qū)別，本文選取腈綸纖維為對比纖維，對兩種纖維的線密度、微觀形態(tài)、力學性能、摩擦性能、比電阻、卷曲性能、回潮率、吸放濕性能以及吸濕發(fā)熱性能進行了測試與分析，對比EKS纖維與腈綸纖維在不同性能方面的優(yōu)劣性，并建立EKS纖維的吸、放濕速率回歸方程，為后續(xù)EKS纖維的合理開發(fā)與應用提供參考。

山東科學2023年第3期謝冰冰，等：EKS纖維與腈綸纖維的結構及性能對比研究1實驗部分

1.1實驗材料

普通腈綸纖維（名義線密度為1.11 dtex，名義長度38 mm，上海日舒科技紡織有限公司）；EKS纖維（名義線密度為1.11 dtex，名義長度35 mm，山東陵縣恒豐有限公司）。

1.2實驗儀器

Y171型纖維切斷器（常州第二紡織機械廠），TM3000臺式掃描電子顯微鏡（株式會社日立制作所），LLY-06E型電子纖維強力儀（萊州市電子儀器有限公司），XCF-1A型纖維摩擦系數(shù)測試儀（上海新纖儀器有限公司），XR-1A型纖維比電阻測試儀（上海新纖儀器有限公司），YG362B型纖維卷曲彈性儀（太倉宏大紡織儀器有限公司），YG747通風式快速八籃烘箱（陜西長嶺紡織機電科技有限公司），DHG-9023A電熱恒溫鼓風干燥箱（上海精宏實驗設備有限公司），WTH0T1溫度測試儀（福州望云山信息科技有限公司），GDW-1000L高精度恒溫恒濕箱（合肥安科環(huán)境試驗設備有限公司）。

1.3性能測試

1.3.1線密度

參照GB/T 14335—2008《化學纖維 短纖維線密度試驗方法》[9]，采用中段切斷稱重法測量纖維的實際線密度。

1.3.2微觀形態(tài)

采用TM3000臺式掃描電子顯微鏡分別對EKS纖維和腈綸纖維的橫向和縱向形態(tài)進行掃描分析，纖維橫截面制樣方法用哈氏切片制樣法。

1.3.3力學性能

參照GB/T 14337—2022《化學纖維 短纖維拉伸性能試驗方法》[10]進行測試。每種纖維測試50次，取其平均值。

1.3.4摩擦性能

采用XCF-1A纖維摩擦系數(shù)測試儀，選用摩擦輥轉動法，調節(jié)摩擦輥轉速為30 r/min，張力夾負荷為0.1 cN，測試時間10 s，每種纖維測試20次，取其平均值。

1.3.5比電阻

根據(jù)GB/T 14342—2015《化學纖維 短纖維比電阻試驗方法》[11]進行測試。每種纖維測4次，取其平均值。

1.3.6卷曲性能

根據(jù)標準GB/T 14338—2022《化學纖維 短纖維卷曲性能試驗方法》[12]進行測試。每種纖維測試20次，取其平均值。

1.3.7回潮率

回潮率是用來表示纖維吸濕性能的常用指標，回潮率越大，纖維的吸濕性能越強。參照GB/T 6503—2017《化學纖維 回潮率試驗方法》[13]進行測試，每種纖維測3次，取平均值。

1.3.8吸、放濕性能

吸濕性能測試：稱取1 g的纖維放入105 ℃的電熱恒溫鼓風干燥箱中干燥2 h，烘燥后稱取纖維的質量，記為干質量。隨后將纖維迅速移至溫度為20 ℃，濕度為65%的大氣條件中，稱取纖維初始質量。將纖維盡量保持蓬松狀態(tài)，在該環(huán)境中吸濕，每隔10 min記錄一次纖維質量[14]。每種纖維測3次，取平均值[15]。

放濕性能測試：稱取1 g的纖維放入相對濕度為100%的盛水容量瓶中，密封靜置48 h，使纖維充分吸濕[16]；隨后將纖維取出迅速移至溫度為20 ℃，濕度為65%的大氣條件中稱取纖維初始質量，使纖維盡量保持蓬松狀態(tài)在該環(huán)境中放濕，每隔10 min記錄一次纖維質量，直至放濕平衡；然后將纖維放入105 ℃的電熱恒溫鼓風干燥箱中干燥2 h，烘燥后稱讀纖維的質量，記為干質量。每種纖維測3次，取平均值[14-15]。

1.3.9吸濕發(fā)熱性能

參照標準GB/T 29866—2013《紡織品 吸濕發(fā)熱性能試驗方法》[17]，將開松過的纖維放在105 ℃的電熱恒溫鼓風干燥箱中干燥2 h，稱取干燥后的樣品各10 g，放入正方形網(wǎng)格袋中再繼續(xù)烘燥1 h，取出后放到干燥皿中進行冷卻。然后將纖維置于溫度為20 ℃，相對濕度90%的恒溫恒濕箱中，使用溫度傳感器每12 s對試樣進行一次測量，測量時間為1 h。

2結果與討論

2.1纖維線密度

測試可知，EKS纖維實測線密度為1.22 dtex，變異系數(shù)（coefficient of variation，CV）值為7.16%；腈綸纖維實測線密度為1.04 dtex，CV值為5.27%。EKS纖維的實測線密度大于腈綸纖維，且纖維變異系數(shù)較大，表明EKS纖維間粗細分布不勻率較大，紡紗時容易造成紗線條干不勻。

2.2纖維微觀形態(tài)

EKS纖維和腈綸纖維的橫、縱向形態(tài)如圖1所示。從圖中可以看出，普通腈綸橫截面為不規(guī)則圓形，而 EKS 纖維的橫截面為規(guī)則的圓形。兩種纖維都有縱向溝槽，腈綸纖維的溝槽長且深，但是數(shù)量較少；而EKS纖維的縱向結構比腈綸粗糙，分布著較多的細、淺溝槽。

2.3纖維力學性能

纖維的力學性能是其最重要的性能之一，兩種纖維的測試結果如表1所示。從表中可以看出，EKS纖維的斷裂強力、斷裂強度均小于腈綸纖維，僅為腈綸的52.5%，而斷裂伸長、斷裂伸長率大于普通腈綸，其斷裂伸長率為腈綸的2.11倍，說明EKS纖維的力學性能較差，但韌性較好。造成EKS強力低的原因是其經(jīng)過改性后，結晶度變低[1]，結晶度越低纖維的強度也越小。由于EKS強力較低，一般不適用于純紡，因此需要與其他纖維混紡來提高紗線強力。

2.4纖維摩擦性能

纖維表面摩擦性能影響后續(xù)紡紗、織造過程[18]，EKS纖維和腈綸纖維的摩擦系數(shù)如表2所示。由表2可以看出，無論是EKS纖維還是普通腈綸纖維，其動摩擦系數(shù)都小于靜摩擦系數(shù)，符合紡紗過程中對纖維摩擦的要求。EKS纖維的動、靜摩擦系數(shù)都略小于腈綸纖維，這是由于其本身截面形狀為較規(guī)整的圓形，且表面溝槽細小、深度較淺，而腈綸纖維表面溝槽深且長，所以摩擦系數(shù)更大。

2.5纖維比電阻

纖維比電阻影響產(chǎn)品的最終質量及舒適度，EKS纖維和腈綸纖維的比電阻如表3所示。比電阻的大小會影響纖維的可紡性能，比電阻越大，越易產(chǎn)生靜電[19]，使纖維成紗質量降低。從表3可以看出，EKS纖維的質量比電阻和體積比電阻均小于腈綸纖維，這表明EKS纖維抗靜電性能較好，在紡紗過程不易產(chǎn)生纖維纏繞、斷頭等現(xiàn)象。主要是因為EKS纖維回潮率高，吸濕性能好，纖維導電性強。

2.6纖維卷曲性能

在紡紗時，纖維的卷曲可以提高纖維之間的摩擦力和抱合力，形成具有一定強力的紗線[20]。EKS纖維和腈綸纖維的卷曲性能如表4所示。從表4中可以看出，EKS纖維的卷曲數(shù)與腈綸相近，但是卷曲率及卷曲回復率均小于腈綸纖維。說明EKS纖維受力之后，維持卷曲的能力較腈綸差，這會導致紡紗過程中纖維抱合力變小，影響纖維成紗質量。

2.7纖維回潮率

根據(jù)測試可知，腈綸的回潮率很低，只有1.92%。而EKS纖維的回潮率達到了23.06%，是腈綸纖維的12.01倍，是常見天然纖維回潮率的2～3倍[18]。主要原因是EKS 纖維中含有較多的氨基、羧基、羥基和氰基等親水基團，所以吸濕能力強。和腈綸纖維相比，EKS纖維表面粗糙、溝槽多、比表面積大，使得可吸附的水分子數(shù)增多，提高了纖維的回潮率。

2.8纖維吸、放濕性能

2.8.1纖維吸、放濕曲線

EKS纖維和腈綸纖維的吸濕、放濕曲線如圖2所示。從圖2（a）可以看出，隨著時間延長，EKS纖維吸濕質量變化較為顯著，而腈綸纖維吸濕質量幾乎不發(fā)生變化，兩種纖維的吸濕速率都呈現(xiàn)先快后慢的趨勢。EKS纖維在75 min之前的吸濕較快，隨后吸濕減緩，直至220 min以后，纖維吸濕質量不發(fā)生明顯變化，達到吸濕平衡狀態(tài)，此時纖維的平衡回潮率為14.79%。而同一時刻下，腈綸的回潮率僅為0.83%，兩種纖維差異大。從圖2（b）可以看出，兩種纖維的放濕速率都呈現(xiàn)先快后慢的趨勢，腈綸的放濕速率低于EKS纖維。EKS纖維在經(jīng)過20 min的放濕過程后，回潮率趨于穩(wěn)定，約為16.06%，而腈綸纖維僅在10 min內(nèi)就達到了穩(wěn)定狀態(tài)，平衡回潮率約為1.30%。兩種纖維在高濕狀態(tài)下的回潮率與標準大氣條件下差異較大，EKS 纖維在高濕環(huán)境中回潮率為79.27%，約為標準大氣條件下的5倍，吸濕性明顯優(yōu)于腈綸纖維。

2.8.2纖維吸、放濕速率回歸方程

纖維的吸、放濕速率會影響服裝面料的熱濕舒適性[21]。從圖2可以看出，在測試時間內(nèi)，EKS纖維和腈綸纖維的吸濕速率、放濕速率隨時間不斷發(fā)生改變，特別是EKS纖維，在吸、放濕初始階段速率變化十分明顯。所以，建立纖維吸濕、放濕速率對時間的回歸方程十分必要，這有利于總結EKS纖維吸濕和放濕速率的變化規(guī)律，在實際生產(chǎn)中能更好地根據(jù)需要控制EKS纖維混紡比，為設計具有熱濕舒適性的功能面料提供參考。

根據(jù)菲克方程可推導出纖維吸、放濕曲線理論上為指數(shù)函數(shù)曲線[22]，因此，可將纖維回潮率對時間的回歸方程通式表示為公式（1）：

式中：W為回潮率，%；a、b、c為常數(shù)；t為時間，min。為研究EKS纖維的吸濕、放濕規(guī)律，用Origin pro 2022對實驗數(shù)據(jù)進行擬合，求出a、b、c三個常數(shù)，得到EKS纖維和腈綸纖維吸濕、放濕回潮率對時間的回歸方程如表5，可以看出，方程相關系數(shù)R2大于0.93，表明兩種纖維的吸、放濕回潮率回歸方程與實驗數(shù)據(jù)曲線吻合度較高。

R2=0.984 38纖維吸濕、 放濕速率V定義為標準情況下，單位質量的纖維材料瞬間吸收或放出的水分的量。結合式（1）可將纖維吸、放濕速率對時間的回歸方程通式表示為公式（2）[23]：

V=dWdt=-bce-ct，（2）

式中：V為吸濕、放濕速率，%/min；b、c為常數(shù)；t為時間，min。根據(jù)表5所求得的回潮率回歸方程，計算得到兩種纖維吸濕、放濕速率對時間的回歸方程，見表6，對應的回歸方程曲線如圖3所示。

由圖3可知，在整個吸、放濕的試驗過程中，EKS纖維、腈綸纖維的吸、放濕速率都有呈指數(shù)形式衰減的趨勢。在初始吸、放濕時，纖維內(nèi)部與環(huán)境中的水分含量差異大，所以纖維開始大幅度吸濕、放濕，此時吸、放濕速率較大。隨著時間的延長，纖維與周圍環(huán)境水分子量差異變小，纖維吸、放濕速率逐漸減小，直至降為0。

由圖3（a）可以看到，EKS纖維的初始吸濕速率為0.39% min-1，而腈綸纖維的初始吸濕速率僅為0.02% min-1，差異明顯。相對于腈綸來說，隨著時間的延長，EKS纖維的吸濕速率變化更加顯著。在標準狀態(tài)下，經(jīng)過約200 min的吸濕過程，EKS纖維達到吸濕平衡。由圖3（b）可知，在放濕起始階段，EKS纖維和腈綸纖維的放濕速率分別為8.94% min-1、4.95% min-1，放濕速率較吸濕速率大。放濕40 min后，兩條曲線基本重疊，進入放濕平衡狀態(tài)。

2.9纖維吸濕發(fā)熱性能

EKS纖維和腈綸纖維吸濕發(fā)熱溫度曲線如圖4所示。從圖中可以看出，在溫度為20 ℃，濕度為90%的環(huán)境下，兩種纖維的吸濕發(fā)熱曲線都呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，其中EKS纖維的最高升溫值為8.2 ℃，吸濕發(fā)熱效果更加顯著。在初始階段，兩種纖維的升溫速率都呈指數(shù)上升。相比于腈綸纖維，EKS纖維的最高升溫值更高，維持最高溫度的時間也更長，原因是EKS纖維中含有較多的氨基、羧基、羥基和氰基等親水基團，在初始階段親水基團開始發(fā)揮作用，能快速吸收大量水分子并轉化為熱能，此時升溫速率較快。隨著吸濕的不斷進行，纖維吸濕速率減緩，通過吸濕發(fā)熱產(chǎn)生的熱量也隨之減少。但纖維內(nèi)吸收的水分子量逐漸增多，纖維吸濕產(chǎn)生的熱量既要提供給纖維，又要提供給纖維內(nèi)的水分子，使得升溫速率不斷減小。對于普通腈綸纖維，纖維的回潮率約為2%，吸濕性較差，所以通過吸濕產(chǎn)生的熱量較少，吸濕發(fā)熱曲線峰值比EKS纖維低4.7 ℃，升溫保持在較低的水平。

3結論

本文通過對比EKS纖維和普通腈綸纖維性能得到以下結論： EKS纖維線密度比普通腈綸大，纖維線密度不勻率較大； EKS纖維橫截面為圓形，縱向有較多細小且深度淺的裂紋；EKS纖維的斷裂強力、斷裂強度均小于普通腈綸纖維，而斷裂伸長、斷裂伸長率大于普通腈綸；EKS纖維的動、靜摩擦系數(shù)都略小于腈綸纖維； EKS纖維的體積比電阻和質量比電阻小于腈綸纖維，在后續(xù)加工中不易產(chǎn)生靜電；EKS纖維的卷曲率、卷曲回復率小于腈綸纖維，會影響纖維間的摩擦力及抱合力；EKS纖維的回潮率為23.06%，是腈綸的12.01倍，且纖維吸濕、放濕平衡回潮率大，吸濕滯后性大；EKS纖維在吸濕、放濕過程中的吸濕、放濕速率是不斷變化的，隨著時間的延長，纖維的吸濕、放濕速率呈指數(shù)形式衰減，最終趨于0；EKS纖維的吸濕發(fā)熱性好，吸濕發(fā)熱最高升溫值與普通腈綸相差4.7 ℃。

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