抗菌PTT POY的结构与性能研究

2014-08-05沈金科巫晓华蒋佳莉王秀华

合成纤维工业 2014年1期

沈金科，巫晓华，钱杨，蒋佳莉，王秀华

(浙江理工大学纺织纤维材料与加工技术国家地方联合工程实验室，浙江杭州310018)

随着人们生活水平的提高，对织物的健康卫生功能提出了更高的要求，例如织物的抗菌性、阻燃性、抗紫外性、抗静电性等。抗菌织物可以通过织物后整理和直接使用抗菌纤维的方法进行生产，后者具有抗菌效果更持久的优点。抗菌纤维的制备方法很多，其中通过添加抗菌剂与原料熔融共混纺丝，使抗菌剂均匀分布在纤维中，是目前常用的制备方法［1］。聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)纤维是一种新型化纤材料，具有优良的回弹性、柔软性和染色性等，已广泛应用于纺织服装、地毯等领域［2］。目前对于涤纶、丙纶、锦纶等抗菌纤维的研究已有较多报道［3－5］，而对于 PTT抗菌纤维的研究报道则较少。

作者采用母粒添加法，将抗菌母粒和PTT切片共混熔融挤出，在一定纺丝速度下，通过改变泵供量，制得不同规格的抗菌 PTT预取向丝(POY)。重点探讨了抗菌剂的加入及工艺条件对抗菌PTT POY的结晶、取向、热性能以及力学性能的影响，为抗菌PTT纤维的研究开发提供一定的参考和借鉴。

1 实验

1.1 原料与设备

PTT 切片:特性黏数(［η ］)为 1.05 dL/g，美国杜邦公司生产;抗菌母粒:银系抗菌剂(NOVARON AGT330)，日本SR商事株式会社提供;一位纺丝试验机:浙江古纤道股份有限公司提供。

1.2 PTT POY试样的制备

将PTT切片和抗菌母粒在120～140℃下干燥12 h，使其含水率低于30 μg/g。抗菌母粒通过计量装置在螺杆挤压机入口加入，添加抗菌母粒质量分数为5%。纺丝时螺杆挤压机各区温度为275～285℃，纺丝箱体温度为273～275℃，侧吹风风速为0.4 m/min，纺丝速度为2 800 m/min。通过调节泵供量，纺制不同规格的PTT POY试样，其中喷丝头拉伸比是纺丝速度与喷丝孔喷出速度之比。

PTT POY试样的具体工艺条件见表1。

表1 不同工艺条件制得的PTT POY试样Tab.1 PTT POY samples prepared under different process conditions

1.3 测试及表征

差示扫描量热(DSC)分析:采用梅特勒-托利多公司的DSC-1型差示扫描量热仪测试，氮气保护，升温速率为10℃/min，温度为30～280℃。结晶度(Xc)按以下公式计算:

式中:△Hc为冷结晶放热焓;△Hm为试样的熔融吸热焓;△H0为完全结晶聚合物的熔融焓，对于PTT，△H0为 145.63 J/g［6］。

体积结晶度(Vc):采用密度梯度法测试。以正庚烷和四氯化碳为混合溶剂配置密度梯度管，在25℃恒温水浴中测定纤维小球的密度。Vc按以下公式计算:

式中:ρ为所测纤维密度，ρa为非晶密度，为1.295 g/cm3;ρc为晶区密度，为 1.432 g/cm3［7］。

双折射(△n):在江南光学仪器厂的XPT-6型偏光显微镜上，采用色那蒙补偿法测定补偿角(θ)，纤维截面干涉环数(n)，利用伯拉莫(上海)精密仪器有限公司的XTL101-B-XY显微镜和上海力华仪器制造有限公司的MCu-15型测微目镜测得纤维直径(d)，并按照公式(3)计算纤维的△n:

式中:λ为钠光灯波长。

声速取向:采用杭州富阳电表厂的SCY-Ⅲ声速取向仪测试。随机抽取一定数量的纤维试样，分别测定每个试样在20 cm和40 cm处声速传播的时间，并计算出取向因子(fs)，取PTT纤维的声速值(Cu)为 1.341 km/s。

沸水收缩率:按GB/T 6505—2008测试。

断裂强度和断裂伸长率:按照GB/T 14344—2008在东华大学的XL-2型纱线强伸度仪上进行测试。

抗菌性能:按照GB/T 20944.1—2007和GB/T 20944.3—2008进行测试，选择金黄色葡萄球菌和大肠杆菌为菌种对抗菌PTT POY进行抗菌性能评价。

2 结果与讨论

2.1 结晶性能

图1为试样的DSC升温曲线，有关热性能数据见表2。从图1和表2可看出，与不加抗菌剂的0#试样比较，随着抗菌剂的加入，3#试样的Xc从34.9%下降到29.9%，过热程度冷结晶温度(Tc)与玻璃化转变温度(Tg)的差值(△Th)从6.42℃增加到了8.22℃。△Th值用于表征聚合物的结晶能力，其值越小，结晶能力越强。说明抗菌母粒的加入破坏了PTT分子链的规整度，降低了其结晶能力和Xc。

图1 PTT POY的DSC曲线Fig.1 DSC curves of PTT POY

从表2还可看出，随着PTT POY线密度下降，即喷丝头拉伸比的增加，纤维的Tg略有增加，Tc降低，△Th值减小、Xc提高。这是由于随着喷丝头拉伸比的增加，丝条所受的拉伸应力增加，应力诱导结晶，使POY的Xc提高。Xc的提高，无定形区的链段运动受到束缚，使链段开始运动的温度提高，表现出Tg有增大的趋势;随Xc的提高，纤维可在比较低的温度下开始冷结晶，即Tc，△Th出现下降趋势［8］。

表2 PTT POY的热性能Tab.2 Thermal properties of PTT POY

从表3可见，密度梯度法所测Vc与上述DSC法得到的Xc呈现相同的规律，即抗菌剂的加入，试样的Vc下降，而随着喷丝头拉伸比的增加，抗菌纤维Vc有所增加。

表3 PTT POY的VcTab.3 Vcof PTT POY

2.2 取向性能

从表4可见，对于相同规格的PTT POY，抗菌剂的加入使POY的fs由未加抗菌剂时的0.158增加到0.169，△n 也从0.053 1 增加到0.053 9，这可能是因为在初生纤维的成形过程中，无机抗菌小颗粒增加了分子间距，起到了润滑作用，有利于大分子发生取向;随着喷丝头拉伸比的增加，fs和△n都呈现增加的趋势。这是由于在纺丝速度不变的情况下，喷丝头拉伸比越大，丝条形变取向越大，初生纤维的取向度也越高，所以取向度随喷丝头拉伸比增大而增大［9］。

表4 PTT POY的△n和fsTab.4 △n and fsof PTT POY

2.3 物理性能

从表5可见，随着喷丝头拉伸比的增加，纤维沸水收缩率下降。这是因为喷丝头拉伸比增加，虽然纤维的总取向度增加，但同时Xc也增加，使得实际非晶区的取向反而减小。因此，纤维的沸水收缩率出现下降［10］。抗菌剂的加入对沸水收缩率的影响较小。

表5 PTT POY的物理性能Tab.5 Physical properties of PTT POY

从表5还可看出，随着抗菌剂的加入，抗菌剂中的微粒影响了分子链间的缠结、降低了分子间的作用力，使POY的断裂伸长和断裂强度都有所下降;随着喷丝头拉伸比的增加，抗菌PTT POY断裂伸长率下降，断裂强度增加，这与前节中随着喷头拉伸比的增加，Xc，fs变化规律相一致。

2.4 抗菌性能

抗菌PTT纤维中所加入的抗菌剂是高效银系抗菌剂，对广谱生物菌类都有很好的抑菌效果。当细菌和病毒接触纤维表面时，抗菌剂中的有效成分Ag+能穿透带负电的细菌细胞壁，迅速与细菌体内酶蛋白上的巯基、氨基等结合，破坏蛋白质和核酸的正常结构，造成微生物死亡或丧失繁殖能力从而达到抑菌和杀菌作用［11］。

选用3#抗菌PTT POY，采用琼脂平皿扩散法和振荡法对其进行定性和定量的抗菌性能测试。图2的定性测试结果显示，抗菌纤维试样对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌带宽度分别为3.2，1.5 mm，均大于1 mm，且试样下面无细菌繁殖，抗菌效果较好。定量测试结果得到抗菌纤维对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率分别为88.9%和94.4%，说明加入质量分数5%抗菌母粒后，改性PTT纤维具有良好的抗菌效果。