架状硅酸盐粉末改性聚酯纤维的制备及性能研究

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(浙江理工大学材料与纺织学院，杭州　310018)

强度大、加工性能优异且耐化学腐蚀的聚酯(PET)纤维在中国的民用纤维市场占有重要地位，在各类服装面料中均有大量应用。近年来随着人民生活水平的提高，人们对PET纤维织物的舒适性提出了更高的要求，凉爽、吸湿透气、抗紫外等差别化纤维织物受到市场青睐[1-4]。近期，韩国(株)量子能技术研究所利用韩国产天然长石类黏土矿物(Osaekhyulto)为原料，制备得到了粒径在几十到几百纳米不等的新型架状硅酸盐复合材料，其商品名为量子能粉末®(简称QE粉)[5]。QE粉具有抗氧化、吸湿以及紫外吸收和红外辐射等许多独特的性能，在新型聚合物材料领域表现出了良好的应用前景[6-8]。本文关注到QE粉具有较强的吸湿性且对紫外光存在一定的吸收，因此将其作为新型改性剂引入到PET纤维中用以开发兼具吸湿和抗紫外性能的新型多功能聚酯纤维。采用纺牵一步法制备得到PET/QE纤维，研究了QE粉的添加对PET纤维的表面形貌、力学性能以及吸湿、抗静电性能的影响，并讨论了PET/QE纤维的紫外吸收性能。

1　实　验

1.1　实验原料

工业丝用PET切片(特性黏度0.95 dL/g，上海石化有限公司)；纤维级PET切片(特性黏度0.64 dL/g，浙江恒逸聚合物有限公司)；量子能粉(粒径为40～200 nm，韩国(株)量子能技术研究所)。上述原料使用前均在真空度为-0.095 MPa、干燥温度为105 ℃的条件下干燥12 h。

1.2　PET/QE改性纤维的制备

将干燥的QE粉与工业丝用PET切片混合均匀，得到QE粉质量分数为20%的PET/QE混合料。采用TSE-30A型双螺杆挤出机对其进行挤出、造粒，得到QE粉改性的PET母粒，共混物熔融温度为280 ℃，挤出温度为265 ℃。

在高速纺丝机上，采用纺牵一步法工艺制备PET/QE纤维。熔融、纺丝温度为288～280 ℃，热辊温度为85～160 ℃，牵伸比为1.60倍。纺丝工艺流程：自制母粒与纤维级PET切片的共混熔融→熔体过滤→计量→纺丝细流→拉伸及吹风冷却→初生纤维上油→热牵伸→卷绕→FDY丝，制得的PET/QE改性纤维所含的QE粉质量分数理论值为0.6%。取部分PET/QE改性纤维在KU482A型染色试验编织机上摇制袜筒以用于后续的测试。

1.3　PET/QE改性纤维的测试

1.3.1表面形貌

PET/QE纤维经乙醇洗涤除去表面灰尘后用JSM-5610型扫描电子显微镜(SEM)对纤维的表面形貌进行观察，加速电压为5 kV，放大倍数为1 500倍；并通过X射线能谱仪(EDS)对改性剂QE粉的成分组成进行分析。采用Leica DMLP型偏光显微镜(POM)对纤维截面形貌进行观察，放大倍数为500倍。

1.3.2纤度测试

用YG086型缕纱测长仪卷绕100 m PET/QE纤维并用电子天平称得绞丝质量，然后换算成纤维线密度，试样测试3次并取平均值。纤维预加张力为0.05 cN/dtex。

1.3.3力学性能测试

采用XL-2型纱线强伸度仪测试PET/QE纤维的力学性能，试样测试10次并取平均值。夹具间距250 mm，预加张力为0.05 cN/dtex，拉伸速度为250 mm/min。

1.3.4吸湿性能测试

纤维回潮率：将PET/QE纤维在20 ℃，相对湿度65%的环境下调湿48 h，称取一定量纤维记录质量后将其置于105 ℃烘箱内干燥；干燥至恒重后再次记录纤维质量，根据烘前与烘后质量计算纤维回潮率。

QE粉的吸湿曲线：称取一定质量QE粉并置于称量瓶内，将其置于105 ℃烘箱内干燥；干燥至恒重后置于20 ℃，相对湿度65%的环境中，每5 min称量样品的质量并记录。

纤维的吸湿爬杆曲线：PET/QE纤维经长尺卷绕10次后得30 cm的纤维束，给纤维施加适当捻度以使纤维抱合后得到测试样条。将测试纤维悬垂于蓝色染料中，每3 min记录染料的爬升高度。

1.3.5抗静电性能测试

纤维体积比电阻：采用YG321型纤维比电阻仪对PET/QE纤维的体积比电阻进行测试，试样测试3次并取平均值。

织物静电性能：采用YG401型织物感应式静电测试仪对PET/QE改性织物的静电性能进行测试，测试模式采用定压法，放电电压设置为10 kV，试样测试3次并取平均值。

1.3.6紫外吸收性能测试

采用UH4150型紫外可见近红外分光光度计对QE粉和PET/QE织物的紫外吸收性能进行测试。测试采用漫反射模式，测试区间为800～200 nm。

2　结果与讨论

2.1　改性剂的X射线能谱分析

新型架状硅酸盐改性剂QE粉的制备工艺如下：将天然长石类矿物原料粉碎至粒径小于320目→筛除原料中的重金属等有害物质→经筛选后的原料在850 ℃下煅烧10 h→煅烧产物与植物浸出液混合后在-10～200 ℃下熟成10～90 d[5]。制得的QE粉微观下呈片层状，层间距约0.898 nm。利用X射线能谱(EDS)对QE粉的组成元素及含量进行分析，结果如图1所示。可以看到QE粉的成分与其他常见长石类硅酸盐相似，即Al元素、Si元素和O元素占主要成分，摩尔比nAl∶nSi∶nO=1∶3∶10.50。可以看到，除Al3+外，QE粉中还含有Na+、Ca2+、Fe3+、Ti4+、K+和Mg2+等金属阳离子，属于纳米硅酸盐复合材料。

图1　改性剂QE粉的EDS谱图

2.2　纤维形态结构

利用自制QE粉母粒改性PET得到的PET/QE纤维的线密度为154.3 dtex/46根，断裂伸长率和断裂强度分别为28.0%和2.6 cN/dtex，其纤维形态结构如图2所示。图2(a)为PET/QE纤维的截面形貌的POM图像，可以看到纤维的截面呈圆形且尺寸均匀，改性剂颗粒均匀分布在纤维中。图2(b)为PET/QE纤维表面的SEM图像，可以看出，纤维表面均匀分布有数目众多、尺寸不一的明显颗粒，证明改性纤维表面成功负载了改性剂QE粉；粉体自身出现了团聚，导致部分颗粒尺寸较大；此外改性剂的添加也使纤维表面变得粗糙，增大了纤维的比表面积，这有益于纤维吸湿及抗紫外性能的提高。

2.3　纤维性能分析

2.3.1吸湿性能

图3为干燥的改性剂QE粉在标准条件下(20 ℃，相对湿度65%)的吸湿曲线，从图3中可以看到QE粉在5 min内就吸湿增重了2.04%，4 h内最高增重可达3.32%左右，具有很高的吸湿速率和能力，表明QE粉具备用于PET纤维吸湿改性的潜力，改性后PET纤维的回潮率达1.23%。

图2　PET/QE改性纤维的形态结构

图3　改性剂QE粉的吸湿曲线

图4为经QE粉改性的PET/QE纤维和常规PET纤维的吸湿爬杆曲线，可以看到PET/QE纤维的吸湿能力明显优于常规PET纤维，纤维悬垂于蓝色染料内3 min时，PET/QE纤维蓝色部分高度为6.5 cm，而常规PET纤维为4.5 cm；经过6 min后随着时间的增长，两者的芯吸高度始终相差约1 cm。QE粉不仅能够改善PET的吸湿性能，其在环境中短时间的强吸湿能力也会在加工过程中造成PET熔体降解的问题，因此尽量避免生产过程中干燥QE粉暴露在高湿环境下是维持PET/QE熔体的纺丝细流稳定性的重要措施之一。

图4　PET/QE改性纤维和常规PET纤维的吸湿爬杆曲线

2.3.2抗静电性能

表2为PET/QE纤维的回潮率、纤维比电阻和织物静电性能。QE粉的添加增强了PET的吸湿性能，使得PET/QE纤维的回潮率较常规PET纤维增加了0.83%。纤维回潮率的增加也使纤维的抗静电性能得到加强，PET/QE纤维的纤维比电阻较常规PET纤维下降了32%，显著改善了纤维加工过程中的静电效应，提高了纤维的可纺性。利用定压法进一步测试了PET/QE织物的静电性能，其结果也列于表2。可以看到PET/QE织物的静电电压峰值和半衰时间分别为111 V和0.49 s，较常规PET织物均下降了49%左右，说明经QE粉改性的PET/QE织物同样具有较好的抗静电性能，静电荷在PET/QE织物的表面不易积累且逸散速度较快。

表2　PET/QE改性纤维的回潮率、纤维比电阻和织物静电性能

2.3.3紫外吸收性能

图5为QE粉、PET/QE纤维和常规PET纤维的固体紫外漫反射曲线。由图5(a)可见，QE粉对紫外线具有一定的吸收能力，其对波长400 nm以下的紫外线反射率低于40%，且对波长245 nm左右的吸收效果最好。将QE粉与PET复合后，纤维的紫外吸收性能如图5(b)所示，可以看到QE粉的添加提高了PET的紫外吸收能力，PET/QE纤维在UVA波段(320～400 nm)的反射率相较于常规PET纤维下降了25%～30%。在可见光波段PET/QE纤维同样拥有更低的反射率，表明PET/QE纤维对可见光也有一定的吸收作用。除QE粉对紫外的吸收作用外，PET/QE纤维粗糙的表面也使其拥有较大的比表面积，加强了对紫外线的吸收。

图5　QE粉、PET/QE纤维和常规PET纤维的固体紫外漫反射曲线

3　结　论

a) 利用自制QE粉母粒成功制备了PET/QE纤维，纤维表面及截面都均匀分布有大量改性粉体；纤维线密度为154.3 dtex/46根，断裂伸长率和断裂强度分别为28.0%和2.6 cN/dtex。

b) 吸湿性能测试表明PET/QE纤维的吸湿能力明显提高，其芯吸高度及液态水扩散速率均优于常规PET纤维，纤维回潮率也达到了1.23%。吸湿性能的提高使改性纤维的静电性能也得到了改善，相较于常规PET，PET/QE纤维的纤维比电阻下降了32%，其纤维织物的感应静电电压峰值和半衰时间较常规PET织物也分别下降了107 V和0.47 s，说明PET/QE纤维具有较好的抗静电性能，表面电荷不易积累且逸散速度较快，提高了纤维的可纺性。

c) 紫外吸收测试表明PET/QE纤维在紫外及可见光波段均有一定的吸收，相较于常规PET纤维其UVA波段的反射率下降了25%～30%，可见光波段则由80%下降至60%左右。因此，经QE粉改性的PET/QE纤维也具有一定的紫外吸收性能。

综上所述，QE粉的引入可以提高PET的吸湿性，改善纤维的静电和紫外吸收性能，在提高织物的加工性能的同时可以满足对织物穿着舒适性及日常防护的需求。