亲水抗静电共混聚酯母粒的制备及其性能

马 娟，金 剑，金 欣，肖长发

(1. 天津工业大学 材料科学与工程学院，天津 300387；2. 中国纺织科学研究院，北京 100025)



亲水抗静电共混聚酯母粒的制备及其性能

马 娟1,2，金 剑2，金 欣1，肖长发1

(1. 天津工业大学 材料科学与工程学院，天津 300387；2. 中国纺织科学研究院，北京 100025)

为改善聚酯纤维的吸湿性和抗静电性，将具有高吸水性的纳米级聚丙烯酸钠粒子与常规聚酯混合制备共混母粒，对共混母粒的热性能、熔融结晶性能、亲水性能和流变性能进行了表征。结果表明，高吸水性微粉的加入明显改善了聚酯的亲水性，且其热稳定性与普通聚酯相近。然后用一定比例共混母粒与常规聚酯混合进行熔融纺丝，并研究了共混纤维的吸湿性和抗静电性。高吸水性微粉的加入使共混聚酯结晶速率提高，亲水性改善，纤维的吸湿性、抗静电性提高；当聚丙烯酸钠的添加量为0.4%时，可制得力学性能优良且回潮率达到2.09%、体积比电阻达到2.3×109Ω·cm的纤维。

聚丙烯酸钠；聚酯；共混；吸湿性；抗静电性

聚酯(PET)纤维具有优良的物理、化学和力学性能，自工业化以来，其纺织品深受消费者喜爱。但因聚酯大分子以共价键相连，极性基团较少，且结晶区域完善，在标准环境下的回潮率仅为0.4%[1]。与天然纤维相比，所得纺织品具有透气性差、吸湿性差、抗静电性差等缺点，影响其穿着舒适性[2]。

目前，提高聚酯纤维吸湿性的方法有多种，例如：聚合时，在PET大分子主链上引入带亲水基团的多元醇或多元醇的低聚物[3-4]等，改善聚酯纤维的吸湿性；纺丝时，在普通聚酯中添加高吸湿性材料进行共混纺丝，或通过改变喷丝孔的形状，使纤维截面异形化[5]及通过复合纺丝，得到芯鞘型纤维等[6]，以提高聚酯纤维的回潮率；织物后整理时，在织物表面涂覆亲水性整理剂，使织物具有一定的吸湿性[7]。

本文实验通过双螺杆挤出机将具有高吸水性的纳米级聚丙烯酸钠与常规聚酯切片共混制得亲水母粒，对亲水母粒的热性能、熔融结晶性、吸湿性和流变性能等进行测试。在此基础上选择质量分数为6%的亲水母粒与常规聚酯切片共混，经熔融纺丝制备出亲水性聚酯纤维，并对改性聚酯短纤维进行力学性能、吸湿性、抗静电性等方面的测试与分析。

1 实验部分

1.1 原 料

常规聚酯切片(中国纺织科学研究院武清基地生产)，特性黏数[η]为0.67 dL/g；聚丙烯酸钠(中国纺织科学研究院自制)。

1.2 仪器与设备

CH-100Y型高速混合机(北京塑料机械厂)；CTE20型双螺杆挤出机(科培隆南京机械有限公司)；DSC8000型差示扫描量热仪(DSC)(美国 Perkin Elmer公司)；JC98A型静态水接触角测试仪(上海中晨数字技术设备有限公司)；RHEOGRAPH25型高压毛细管流变仪(德国Gottfert公司)；YXQM型行星球磨机(长沙米淇仪器设备有限公司)；Instron2343 型万能材料实验机(英国 Instron公司)。

1.3 共混母粒的制备

将聚丙烯酸钠溶液(含水率为80%)在80 ℃下进行真空脱水处理，然后在120 ℃下交联40 min，经粉碎、球磨机研磨后制得高吸水性微粉，用粒径为8.3 μm的分样筛将微粉粒径控制在10 μm左右，常规聚酯采用真空转鼓烘箱干燥，干燥条件为65 ℃、3.5 h和135 ℃、10 h。高吸水性微粉采用真空烘箱干燥，条件为135 ℃、10 h；采用质量分数为3%、6%(分别记为样品b和c)。将干燥微粉与常规聚酯在高速混合机中混合后经双螺杆挤出造粒，双螺杆挤出温度为240～273 ℃。常规聚酯作为对比样，记为样品a。

1.4 高吸水性聚酯纤维的制备

根据测试，选择质量分数为6%的共混母粒与常规聚酯共混，制得聚丙酸钠与常规聚酯质量分数为0.2%、0.4%、0.6%的样品，经真空转鼓烘箱干燥后在单螺杆纺丝机上进行共混熔融纺丝，纺丝温度为270～ 288 ℃，纺丝速度为1 000 m/min，线密度为204 dtex，初生丝的牵伸倍数为3.5，分别记为2#、3#、4#，常规聚酯纤维作为对比样，记为1#。

1.5 共混母粒的性能测试

1.5.1 热性能及结晶性能测试

热重曲线(TGA)测试：测试前将共混母粒分别在65、105 ℃下干燥2 h后，在氮气氛围下测试，升温速率为50 ℃/min，升温范围为50～600 ℃。

热分解温度测试：氮气氛围下，升温速率为20 ℃/min，测试温度由 30 ℃升至280 ℃，恒温5 min以消除热历史，再由 280 ℃开始以20 ℃/min的速度降至30 ℃，再以20 ℃/min升温至280 ℃。由二次升温曲线可得玻璃化温度(Tg)、冷结晶温度(Tcc)、熔点温度(Tm) 和熔融焓(△Hm)，由降温曲线得到降温结晶温度(Tc)。

1.5.2 水接触角测试

采用体积为0.8 μL的水滴，在25 ℃下测试样品的静态水接触角。重复3次，求平均值。

1.5.3 吸水率测试

称取一定质量的样品置于烧杯中，放在真空烘箱干燥(65 ℃，2 h；105 ℃至质量恒定)，称得质量为m0；向烧杯中加水，使试样全部浸没于水中，将烧杯置于恒温恒湿(温度为(25±1)℃，相对湿度为60%)环境中平衡48 h后，取出切片，用滤纸吸去表面水分后称量，记此时的质量为m。吸水率(W)按下式计算。

1.5.4 黏度测试

采用直径为0.8 mm的乌氏黏度计测试，以苯酚和四氯乙烷混合液(质量比为1∶1)为溶剂，配制质量浓度为5 mg/mL的溶液，在(25±1)℃的恒温槽中测试。

1.5.5 共混母粒断面形貌表征

将母粒在液氮中淬断，表面喷金，采用JSM6360型场发射扫描电子显微镜观察母粒的断面形态。

1.5.6 共混母粒的流变性能测试

将共混母粒和常规聚酯在真空烘箱中于75 ℃预结晶4 h，135 ℃干燥12 h后进行含水率测试，保证切片含水率低于0.005%，在高压毛细管流变仪上进行流变测试，其毛细管的长径比为40∶1。测试温度为285 ℃，剪切速率范围为15～1 220 s-1。

1.6 纤维性能测试

1.6.1 纤维拉伸力学性能测试

采用Instron2343型万能材料试验机测定纤维强度。测试条件为：上下夹头距离为37 mm，拉伸速度为500 mm/min，从开始拉伸到纤维断裂的过程中，仪器会自动记录拉伸强度和拉伸应变的关系，每种纤维重复测量15次，求平均值。

1.6.2 回潮率测试

按照GB/T 6503—2008 《化学纤维回潮率的试验方法》 ，取50 g纤维用四氯化碳洗去纤维表面油剂，放入真空烘箱中干燥至质量恒定后，在恒温恒湿环境(20 ℃，相对湿度65%)吸湿平衡48 h后，放入八篮烘箱称量，记此时的质量为G0，105 ℃干燥至质量恒定(2次称量间隔10 min且之间的质量差小于第2次质量的0.05%)后称量，记此时的质量为G。回潮率(A)按下式计算。

1.6.3 纤维体积比电阻测试

采用GB/T 14342—2015 《化学纤维 短纤维比电阻的试验方法》 ，清洗纤维表面的油剂后，在湿度为10%～25%、温度不超过50 ℃的条件下预调湿2 h；然后随机称取15 g纤维，用镊子将纤维均匀地填入测试盒后，加电压测试，以通电1 min后的电阻仪示数为所测样品的电阻值，每种纤维重复取样2次，纤维体积比电阻按下式计算。

ρv=12Rf

式中：ρv为纤维体积比电阻，Ω·cm；12为仪器常数，cm；R为纤维实测电阻值，Ω；f为纤维的填充度，无量纲。

2 结果与讨论

2.1 共混母粒的热性能及结晶性能

2.1.1 共混聚酯的热稳定分析

图1示出共混聚酯的TG曲线。由图所示，共混母粒与常规聚酯有相似的热失重曲线，都只有1个质量损失平台，随着高吸水性微粉添加量的增加，相比于常规聚酯，共混聚酯母粒的起始质量损失温度[8](Td为质量损失率达到5%时对应的温度)和质量损失最快温度(Tdm)均有所下降，a样品的Td为409.6 ℃，b、c样品的Td分别为408.3、380.9 ℃，而b、c样品的Tdm均在443.0 ℃处，较a样品的Tdm低10 ℃左右，这说明高吸水性微粉添加使聚酯的热稳定性降低。由TG曲线还可知，600 ℃以上，共混母粒的分解残留物比常规聚酯稍高，这可能是聚丙烯酸钠微粉在此温度下不分解而留在残留物中的缘故。

通常聚酯纺丝、拉伸后加工过程中的温度不超过300 ℃，由TG分析可得出，与高吸水性微粉共混制得的共混聚酯母粒，其稳定性与常规聚酯相近，因此可参考PET的相关工艺参数进行纺丝。

图1 共混聚酯的TG曲线Fig.1 TG curve of blended polyester

2.1.2 共混聚酯的熔融与结晶性能

图2示出共混物的DSC升温曲线和降温曲线。

图2 共混聚酯的DSC曲线Fig.2 Heating (a) and cooling (b) curves of blended polyester

由图2可看出，共混物的熔融过程只有1个熔融峰，随着共混比例的增加，共混物的熔点无明显变化，从而保证了共混物熔融纺丝的热稳定性。表1示出共混聚酯的热性能参数。由表可知，与常规聚酯相比，随着聚丙烯酸钠微粉含量的增加，共混物的冷结晶温度(Tcc)逐渐降低，且冷结晶峰面积减小，降温结晶温度(Tc)向高温方向偏移，这表明共混聚酯较易结晶且结晶较完善。这可能是由于共混聚酯晶核的形成偏向于异相成核，存在母粒中的纳米级微粉吸附熔体中的高分子链有序排列而形成晶核[9]，从而使共混聚酯较易结晶。

表1 共混聚酯的热性能Tab.1 Thermal properties of blended polyester

2.2 共混聚酯的亲水性能

表2示出共混聚酯的特性黏度及亲水性能。由表可知，与高吸水微粉熔融共混后的聚酯母粒，其水接触角较小且随着比例的增大而减小，共混母粒还表现出较大的吸水性。这表明共混母粒的亲水性比常规聚酯好。这是因为共混微粉是聚丙烯酸钠，是含有亲水基团羧基的高吸水性聚合物，其分布在常规聚酯切片中呈现海岛结构，从而改善聚酯的亲水性。共混母粒的黏度较常规聚酯有所下降，这可能是因为高吸水性微粉的加入引起聚酯中自由体积的增加，致使共混母粒的黏度下降。

表2 共混聚酯的特性黏度及亲水性Tab.2 Viscosity and hydrophilicity of blended polyester

2.3 共混聚酯的断面分析

图3示出添加高吸水性微粉的聚酯母粒(质量分数为6%)与常规聚酯的断面图。由图可知，常规聚酯母粒的断面较为光滑，加入高吸水性微粉后，其断面粗糙度明显增加，高吸水性微粉在聚酯母粒中分散良好。

图3 常规与共混聚酯的断面形貌照片Fig.3 Cross-sectional morphologies of regular and blended polyesters. (a) Regular polyester; (b) 3% Blended polyester; (c) 6% Blended polyester

2.4 共混聚酯的流变性能

图4示出常规聚酯和共混聚酯母粒的熔体在285 ℃下的流动曲线。由图可知，共混聚酯母粒与常规聚酯具有相似的流动曲线，表明共混聚酯仍属于典型的假塑性非牛顿流体[10]。在相同剪切速率下，常规聚酯的表观黏度(ηa)比共混母粒的高1个数量级，且在低剪切速率下，共混母粒的ηa下降得较快。表明共混母粒的ηa对剪切速率的依赖较常规聚酯强。这是因为加入的高吸水性微粉存在于常规聚酯的自由体积中，由于共混母粒自由体积增大，致使在较低剪切速率下ηa就下降较快。不同比例的共混母粒，在低剪切速率下其流动曲线几乎重叠，在高剪切速率下样品的ηa相对较小。

图4 共混母粒和常规聚酯熔体的流动曲线Fig.4 Rheologic curves of blended masterbatch and polyester

2.5 纤维的拉伸力学性能

表3示出纤维的拉伸力学性能。由表可知，随着高吸水性微粉比例的增加，牵伸丝的线密度逐渐下降。这是因为加入的高吸水性微粉在纤维中仍以微小的固体颗粒存在，在牵伸过程中易在颗粒周围产生毛丝从而使牵伸丝的线密度下降。另外纤维的拉伸强度也呈现下降的趋势且下降趋势较大，拉伸应变也剧烈下降。这可能是因为高吸水性微粉分布在纤维中，在拉伸过程中，高吸水性微粉形成缺陷，纤维易发生断裂。随着高吸水性微粉比例的增加，纤维中的缺陷越多，其断裂时所需的强度也越低，对应的应变也越小。

表3 纤维的力学性能Tab.3 Mechanical properties of fiber

2.6 纤维的抗静电性及回潮率

表4示出聚酯纤维的回潮率及体积比电阻。与常规聚酯纤维相比，共混改性聚酯纤维的回潮率呈现升高的趋势，这是因为随着共混比例的增加，更多的聚丙烯酸钠微粉进入纤维，从而使纤维的回潮率提高。与常规聚酯纤维相比，共混改性聚酯纤维的体积比电阻降低1～2个数量级，这是因为聚酯纤维吸湿性的提高使纤维上聚集的静电荷更易泄露，从而改善聚酯纤维的抗静电性。

表4 聚酯纤维的回潮率及体积比电阻Tab.4 Moisture regain and volume resistivity of polyester fiber

3 结 论

由聚丙烯酸钠微粉与常规聚酯通过双螺杆共混制得质量分数为6%的共混母粒，具有较高的亲水性且流动性良好。选用质量分数为6%的共混母粒与常规聚酯切片共混并进行熔融纺丝，当聚酯纤维含质量分数为0.4%的聚丙烯酸钠时，所得纤维具有优良的吸湿性、抗静电性和拉伸力学性能，其回潮率为2.09%，体积比电阻为2.3×109Ω·cm。

FZXB

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Synthesis and properties of hydrophilic antistatic polyester masterbatch by melt blending

MA Juan1,2，JIN Jian2，JIN Xin1，XIAO Changfa1

(1.SchoolofMaterialScienceandEngineering,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China；2.ChinaTextileAcademy,Beijing100025,China)

In order to improve hygroscopicity and antistatic property of polyester (PET) fiber, the blend master batch was prepared by blending the nano-sized superabsorbent sodium polyacrylate particles with conventional polyester, and its thermal properties, melt crystallization, hydrophilicity and rheological properties were researched. The results show that the hydrophilicity of polyester is significantly improved with addition of superabsorbent powder. The thermal stability of masterbatch is similar to that of ordinary polyester. A certain proportion of masterbatch is selected to mix with conventional polyester to manufacture staple fiber by melt spinning, and the hygroscopicity and antistatic property of the blended fibers were analyzed, respectively. The results show that the addition of superabsorbent micropowder improves the crystallization rate and the hydrophilicity of the blended polyester. The hygroscopicity and antistatic property of the blended fiber are also enhanced. The fiber with excellent mechanical properties is obtained by adding 0.4% of sodium polyacrylate, and its moisture absorption reaches 2.09% and the volume resistivity reaches 2.3×109Ω·cm.

sodium polyacrylate；polyester；blend；hygroscopicity；antistatic property

10.13475/j.fzxb.20161007805

2016-10-31

2017-04-05

国家重点研发计划项目(2016YFB0302800)

马娟(1990—)，女，硕士生。主要研究方向为聚酯纤维的亲水和抗静电改性。金剑，通信作者,E-mail: jinjian@cta.com.cn。

TQ 342.21

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