滌綸纖維磷酸化改性

許黛芳，銀磊鑫

（嘉興學院設計學院，浙江嘉興 341001）

聚酯纖維又稱聚對苯二甲酸乙二酯，俗稱滌綸，是由對苯二甲酸和乙二醇通過縮聚反應以及酯交換反應制得的成纖高聚物。滌綸有著合成纖維所有的眾多優點，例如彈性好、強度大等，但是也有缺陷。滌綸分子有著較高的排列緊密結晶度，大分子上又缺少親水基團，導致滌綸纖維的親水性以及導電性差，容易產生靜電［1］。為了提高滌綸與基體間的相互作用，需要改善滌綸親水性以及導電性差的缺陷，對其表面進行改性處理可以解決問題。

目前滌綸表面改性方法主要有堿處理法［2-3］、多巴胺改性法［4］、硅烷偶聯劑處理法和等離子處理法［5］、輻照接枝改性法［6］、生物酶改性法［7］、微波改性法［8］、磷酸和硫酸改性法［9］等。這些方法各有優點，也存在不足。堿處理方法較為常用，但是處理后的聚酯纖維力學性能損失較大，而且殘留的廢液難以處理，會對環境造成破壞；酶處理法相對堿處理法而言較為溫和，不容易污染環境，但是作用時間較長，效果也達不到預期；使用接枝法令纖維表面接枝親水單體是提高聚酯纖維親水性較持久且有效的方法，織物的親水性能會變好，但是透氣性和手感變差，力學性能也會下降；通過涂覆親水整理劑來改善滌綸纖維的親水性能，成本低且工藝成熟，但是存在不耐水洗的缺點，而且織物表面容易發硬、粗糙，導致手感變差。本實驗通過研究滌綸纖維在浸漬稀磷酸溶液后，在高溫下使粘附于滌綸纖維表面的稀磷酸溶液逐漸濃縮并對滌綸纖維進行磷酸化改性，以求得到工藝流程短、效率高、成本低、環境友好且能大規模處理的滌綸改性技術。

1 實驗

1.1 材料與儀器

材料：DTY 滌綸長絲（拉伸變形絲，即滌綸低彈絲，較卷曲，線密度為56 dtex/144 f），FDY 滌綸長絲（全拉伸絲，較硬直，線密度為83 dtex/24 f），磷酸（質量分數為85%），去離子水。儀器：Nicolet is10 傅里葉變換紅外光譜儀［美國賽默飛世爾科技（中國）有限公司］，SU1510 型掃描電子顯微鏡（日本日立公司），D8 型X 射線衍射儀（德國布魯克AXS 有限公司），Q500 型熱重分析儀（TA 儀器公司），YG061F0 型電子單紗強力儀（紹興市元茂機電設備有限公司）。

1.2 改性滌綸的制備

將滌綸長絲放入磷酸溶液中浸漬10 min，再放入130 ℃烘箱中焙烘5 min，取出后用離子水反復清洗至中性，最后放入60 ℃烘箱中烘干后保存。

1.3 測試

1.3.1 紅外光譜

采用傅里葉變換紅外光譜儀進行測試，測試參數為：分辨率2 cm-1，掃描范圍4 000～500 cm-1。

1.3.2 掃描電鏡

采用掃描電子顯微鏡進行觀察。

1.3.3 X 射線衍射

采用X 射線衍射儀進行測試，Cu Kα 輻射，管電壓為40 kV，管電流為100 mA，掃描速率為1°/min，掃描范圍為3°～60°。

1.3.4 熱穩定性

采用熱重分析儀對改性前后的滌綸纖維進行熱失重分析，氮氣氣氛，溫度范圍為30～800 ℃，升溫速率為10 ℃/min。

1.3.5 力學性能

參考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》，采用電子單紗強力儀進行測試，拉伸速度為250 mm/min，夾持距離為250 mm，預加張力為0.5 cN/tex，每種紗線測試20 次，取平均值。

2 結果與討論

2.1 表征

2.1.1 紅外光譜

由圖1a 可知，在2 926 cm-1處有C—H 的伸縮振動峰，在1 716 cm-1處有酯基中的伸縮振動峰，在1 089 cm-1處的吸收峰由酯基中C—O—C 的伸縮振動引起，都是滌綸纖維所特有的特征峰。改性后的DTY 與FDY 纖維，在1 089 cm-1處的特征峰強度下降，說明經過磷酸處理后的滌綸纖維C—O—C 發生斷裂，引入新的基團［9］。由圖1b、1c 可知，DTY 與FDY纖維改性后均在1 040 cm-1處出現新的特征峰，說明磷酸與聚酯大分子發生酯交換反應，引入了P—OH基團，反應式如下：

圖1 滌綸改性前后的紅外光譜圖

2.1.2 掃描電鏡

由圖2 可知，改性前滌綸纖維表面較為光滑，經過磷酸改性處理的滌綸纖維表面變得粗糙，形成了微小溝槽，這是纖維強力削減的表現。這些微小的溝槽增大了滌綸纖維的表面積，使滌綸纖維和其他基體之間的摩擦力增大，有利于改善滌綸纖維的浸潤性和與其他物質的粘附牢度［10］。

圖2 滌綸纖維改性前后的掃描電鏡圖

2.1.3 X 射線衍射

滌綸改性前后的X 射線衍射圖譜見圖3。

圖3 滌綸改性前后的X 射線衍射圖譜

由圖3 可以看出，DTY 和FDY 在改性前后的圖譜比較相似。在DTY 中，改性前有4個衍射峰，分別位于17.43°、23.34°、25.78°和44.18°處；改性后4 個衍射峰位于17.03°、22.69°、25.41°和43.92°處。在FDY 中，改性前有4 個衍射峰，分別位于17.67°、22.69°、25.01°和44.17°處；改性后也有4 個衍射峰，分別位于17.55°、23.47°、25.91°和43.91°處。說明磷酸改性前后滌綸纖維的衍射峰位置及衍射峰寬度基本沒有變化，也沒有出現新的衍射峰。磷酸改性沒有對纖維原有的結晶結構造成影響，也沒有生成新的結晶結構。結果表明磷酸改性的條件較為溫和，只發生于纖維的表面，對纖維的主要結構不會造成影響。

2.1.4 熱穩定性

由圖4 和表1 可以看出，磷酸改性后的DTY 熱分解開始溫度相對于DTY 提前28 ℃，磷酸改性后的FDY 熱分解開始溫度相對于FDY 提前169 ℃，說明磷酸改性加速了DTY 與FDY 滌綸纖維的分解。磷酸改性后的FDY最大熱失重速率與FDY相比，從19.9%/min減小到7.5%/min。磷酸改性后的FDY 在800 ℃時的殘炭量與FDY 相比，從1.8%增加到18.3%，說明磷酸熱解出酸源聚磷酸，形成熱穩定性更好的炭層，提高了FDY 的熱穩定性。

表1 滌綸改性前后在氮氣氣氛下的TGA 和DTG 數據

圖4 滌綸改性前后的熱重分析

2.2 力學性能

由表2 可知，經磷酸溶液改性后的DTY 滌綸纖維斷裂強力減少約64 cN，斷裂伸長率降低約2%。經磷酸溶液改性后的FDY 滌綸纖維斷裂強力減少約60 cN，斷裂伸長率有所增加，原因可能是FDY 滌綸纖維有較強的韌性，在拉伸實驗中出現變形但是未斷裂，或者部分斷裂部分未斷裂。經磷酸改性后的DTY 和FDY 滌綸纖維斷裂強力都降低，原因是磷酸溶液對纖維表面有刻蝕作用，纖維表面產生的微小溝槽令滌綸纖維的斷裂強力減小。

表2 滌綸改性前后的力學性能

3 結論

（1）紅外光譜分析表明，經磷酸改性處理后的滌綸纖維在1 040 cm-1處增加了P—OH 基團。

（2）經磷酸改性處理后的滌綸纖維表面較為粗糙，局部區域形成微小溝槽和脫落層，增大了纖維的表面積以及表面摩擦力。

（3）滌綸纖維經磷酸改性后沒有生成新的結晶結構，說明磷酸改性只發生于纖維表面，對纖維的主要結構不會造成影響。

（4）磷酸改性后的FDY 滌綸纖維在800 ℃時的殘炭量與FDY 滌綸纖維相比增加了9倍，說明磷酸改性提高了FDY 滌綸纖維的熱穩定性。

（5）經磷酸改性后的滌綸纖維斷裂強力降低，可能與磷酸對纖維表面的刻蝕作用與改性后纖維表面產生的微小溝槽有關。