三种弹性纤维的结构与性能研究

魏艳红 苏旭中 刘新金 谢春萍 吉宜军

摘要： 为了更好地了解不同弹性纤维的性能，为后续产品开发提供参考，文章选取了新型国产聚烯烃弹性纤维（XLA）、莱卡、国产千禧氨纶三种弹性纤维。分别通过扫描电镜、红外光谱、X射线衍射对纤维形态、化学结构及聚集态结构进行了对比分析，利用差示扫描量热法、热重、沸水收缩研究了纤维的热学性能，使用XQ-2型纤维强伸度仪分析了纤维的拉伸弹性回复性能。结果表明：XLA在较小的应力下可以产生较大的伸长，初始模量比氨纶高，热稳定性好;莱卡具有较好的拉伸性和弹性回复性，但沸水收缩性及热稳定性不及XLA和千禧氨纶;千禧氨纶在力学性能方面可以与莱卡相媲美。

关键词： 弹性纤维;结构;弹性回复;伸长;热稳定

中图分类号： TS101.921   文献标志码： A   文章编号： 1001-7003（2019）05-0044-07    引用页码： 051108

Abstract： In order to better understand the properties of different elastic fibers and provide reference for the subsequent product development， three kinds of elastic fibers were selected， including new domestic polyolefin elastic fiber （XLA）， Lycra， and domestic Qianxi spandex. The fiber morphology， molecular structure and aggregate structure were compared and analyzed by scanning electron microscopy， infrared spectroscopy and X-ray diffraction. The thermal properties of the fiber were studied by differential scanning calorimetry， chemical structure and boiling water shrinkage. The tensile elastic recovery properties of the fibers were analyzed by an XQ-2 fiber strength meter. The results showed that XLA could produce large elongation under small stress; the initial modulus was higher than spandex， and the thermal stability was good. Lycra had good stretchability and elastic recovery， but boiling water shrinkage and thermal stability were not as good as XLA and Qianxi spandex; Qianxi spandex could compete with Lycra in terms of mechanical properties.

Key words： elastic fiber; structure; elastic recovery; elongation; thermal stability

随着人们对舒适性要求的提高，弹性纤维因其低模量、高回弹性、高断裂伸长率，被广泛应用于织物中，应用领域从传统的织袜、内衣、运动装拓展到休闲装、高档成衣，并向医学领域、汽车领域渗入，如Domenico M.Romeo等[1]提出莱卡弹性套装可改善脑瘫患儿的运动功能和静态平衡。目前弹性纤维有聚氨酯、聚醚酯、聚烯烃、PTT 及双组分复合卷曲聚酯纤维等[2]。氨纶为开发最早，应用最为广泛的高弹性纤维，它是聚氨基甲酸酯纤维的简称，1962年由美国杜邦公司实现大规模工业化生产，并命名为Lycra（莱卡）。中国氨纶生产起步于20世纪80年代末，虽起步晚但发展较快，代表公司为烟台氨纶股份有限公司、浙江华峰氨纶股份有限公司等。新型聚烯烃弹纤维DOW XLA是2002年由美国陶氏化学公司纺织纤维部开发的，以烯烃为基础由熔融纺丝交联聚合而成新一代耐热耐化学药剂的弹性纤维[3]。XLA为国产聚烯烃弹性纤维，是一种能够为梭织产品提供长效弹性及回复性的弹性纤维，承受高达220℃的温度，具有抗强酸、强碱、强氧化剂的特性。本文选择了不同规格的三种弹性纤维，对其内部结构、形态特征、吸湿性、力学性、热学性进行了对比研究分析，为后续产品开发提供参考。

1 试 验

1.1 材 料

新型聚烯烃XLA弹性纤维（24.4、46.7dtex），采用熔融纺丝法生产[4]（上海连晟纺织品有限公司），Lycra（莱卡）（22.2、44.4dtex）（英威达纤维（佛山）有限公司），国产千禧氨纶（22.2、44.4dtex），采用干法（間歇聚合）生产[5]（浙江华峰氨纶股份有限公司）。

1.2 仪器与方法

1.2.1 仪 器

SU1510扫描电子显微镜（日本日立株式会社），NICOLET is10傅立叶红外变换光谱仪（美国赛默飞世尔科技中国有限公司），D2 PHASER X射线衍射仪（德国布鲁克AXS有限公司），XQ-2型纤维强伸度仪（东华大学），YG020B单纱强力仪（常州第二纺织机械有限公司），数显恒温水浴锅（常州金坛实验仪器），YG 747型通风式快速八蓝烘箱（南通宏大试验仪器有限公司），Q-500热重分析仪、Q-200差示扫描量热仪（美国TA仪器公司）。

1.2.2 形貌分析

用Y172型纤维切片器将弹性纤维制作切片，纤维喷金后使用SU1510扫描电子显微镜观察弹性纤维的横截面，将剪成数根8mm长的纤维粘在导电胶上观察纵截面，放大倍数×1000。

1.2.3 分子结构

利用NICOLET is10傅立叶红外变换光谱仪研究纤维的分子基团结构，将纤维用切片器切成均匀的粉末，用溴化钾压片法制样，测量范围500～4000cm-1。采用D2 PHASER X射线衍射仪测定聚集态结构，制样方法为粉末状，扫描速度2°/min，扫描范围5°～80°。

1.2.4 弹性测试

参照FZ/T50007—2012《氨纶丝弹性试验方法》标准，利用XQ-2型纤维强伸度仪测试弹性纤维的弹性回复性。试验条件为：夹钳隔距长度20mm，拉伸速度40mm/min，预加张力0.001cN/dtex，重复测试5次，结果取其平均值。一次定伸长拉伸回复试验设置定伸长分别是50%、100%、200%、300%，停顿时间30s，回复时间30s。循环定伸长弹性测试，设定定伸长分别是50%、100%、200%、300%，循环测试5次，前4次拉伸循环中没有停顿，第5次循环拉伸至相应定伸长时停顿30s，回到原位后再停30s，然后进行拉伸，依次求取塑性变形、弹性回复率。计算公式如下：

1.2.5 拉伸性能测试

参照FZ/T50006—2013《氨纶丝拉伸性能试验方法》，利用YG020B单纱强力仪分别测试弹性纤维的断裂强度、断裂伸长率，以及300%伸长时的强力。试验条件为：夹持间隔距离50mm，拉伸速度500mm/min，预加张力0.001cN/dtex，每个卷装取5根试验，试验总次数为10次。

1.2.6 沸水收缩率测试

参照GB/T6505—2008《化学纤维长丝热收缩率试验方法》，采用单根法，从每个样品筒管上剪取60～70cm长的试样3个，放在绒板上煮沸前平衡3h。将试样逐根夹入1m立式量尺上端的夹持器中，试样下端夹持预加张力0.001cN/dtex，等待30s后，用黑色记号笔在零点和50cm处做标记，煮前长度L0为50cm。将平衡后的试样用纱布包好，放入100℃去离子沸水中，使用数显恒温水浴锅煮沸30min，在标准大气条件下自然晾干，试样在松弛状态下煮沸后平衡18h，测量煮沸后两个标记点间长度L1。沸水收缩率是指化纤试样经沸水收缩处理前后长度的差值对处理前长度的百分率，计算公式如下：

1.2.7 吸湿性测试

参照GB/T6503—2008《化学纤维回潮率试验方法》，采用YG 747型通风式快速八蓝烘箱测试纤维回潮率。称取50g试样，烘燥温度（105±3）℃，烘燥时间2h。

1.2.8 热性能分析

将纤维烘干，用哈氏切片器将纤维切成粉末状，并称取5mg左右置于陶瓷坩埚内，利用Q-500热重分析仪在氮气环境下，氮气流60mL/min，以20℃/min速率升温，在50～700℃内测试弹性纤维的热失重。采用Q-200差示扫描量热仪分析弹性纤维的熔融温度，称取5mg左右的粉末状纤维样品置于铝坩埚内，以氮气为保护气，N2速率50mL/min，初始温度0，以10℃/min速率升温至300℃。

2 结果与分析

2.1 纤维的结构

2.1.1 化学结构分析

图1为三种纤维的傅里叶红外光谱图，观察发现XLA的红外光谱在2917.25cm-1和2849.04cm-1有强吸收峰，对照标准谱，为—CH2—基团伸缩振动;1464.93cm-1和719.31cm-1处的吸收峰为—CH2—和—[CH]n—的弯曲振动;谱图中未出现高于3000cm-1的吸收带，表明分子中不存在不饱和的烃基，因此表现出优异的化学稳定性。根据图1中莱卡、千禧氨纶的红外光谱图，在3325.53cm-1和3323.20cm-1处的吸收峰为N—H对称伸缩振动;2960～2800cm-1是H3C—CO—CH3的—CH3伸缩振动;1101.24cm-1和1104.20cm-1是醚基C—O—C的伸缩振动特征峰。以上可以看出，两种氨纶的峰值变化趋势基本相同，表明莱卡与千禧氨纶的主要成分与基团一致。对比分析发现，莱卡、千禧氨纶的图谱中在1637.29cm-1和1637.52cm-1处有吸收峰，是脲基中的C═O的伸缩振动峰[6]，而采用熔融纺丝法生产的XLA图谱中没有此峰。

图2为三种纤维的X射线广角衍射强度曲线，谱图有尖锐峰，表明试样中存在晶态与非晶态且“两相”差别明显，2θ与晶型有关。衍射角相同时，波峰越高纤维对X射线的衍射强度就越大，纤维的结晶度也就越高[7]。从图2可以看出，XLA的结晶度高于氨纶，两种氨纶的X射线衍射峰位、峰型、衍射峰强度无明显差别，表明其主要超分子结构基本相同。

XLA采用特殊的聚烯烃弹性新材料，经特殊工艺加工制成，XLA纤维的微观结构显示（图3），它是由非晶体与高分子结晶体共存，其中非晶体柔性链形成交联网络，起着物理连接作用[8]。XLA纤维的弹性是由分子的結晶度、柔性链的长度和交联网络三者共同决定的，独特的三维立体、树杈型分子结构使他具有其他任何弹性纤维所不具备的优异的物理及化学性能。氨纶是由软链段和硬链段构成的线性嵌段共聚物，其微观分子结构示意，如图4所示。

2.1.2 形貌结构

图5为XLA24.4dtex、莱卡22.2dtex、千禧氨纶22.2dtex的SEM图。三种纤维的截面形态比较接近圆形，无皮芯或其他复合结构如图5（a）（b）（c）所示。从图5（d）（e）（f）可以看出，XLA为一根单丝构成，而莱卡、千禧氨纶均为两根单纤形成的一根复丝;XLA、千禧氨纶表面有凹凸不平，而莱卡表面比较光滑，三种纤维表面都无沟槽、实心。

2.2 力学性能

2.2.1 拉伸性能

通过对不同规格的XLA、莱卡、千禧氨纶进行拉伸性能测试，其结果如表1所示。相同线密度莱卡与千禧氨纶的断裂强度差异不大均较高，XLA的拉伸断裂强度远低于两种氨纶，但300%伸长强力差异有所减小。XLA的断裂伸长率比氨纶的高，即在低应力下可以产生较高的伸长。

2.2.2 拉伸弹性回复性能

在弹性织物中，如果拉伸力与回复力太大，会使人产生压迫感与被束缚感。图6为XLA（24.4dtex）与氨纶（22.2dtex）一次定伸长拉伸曲线，可以发现XLA和千禧氨纶的初始模量比莱卡高，XLA在低应力有较高的伸长，同样伸长的XLA纤维回复力较小，这一特性使其具有柔和的弹性，用在织物中使其可以伸缩自然，有舒适的弹力、穿着贴身[9]。而XLA的伸长率在0～50%时的应力比同规格的氨纶反而要大一些，如图6（a）所示，且XLA的回复力与组织结构应力是同方向的作用力，所以在最终的梭织弹性面料之中（通常梭织面料的弹性在10%～30%），含XLA的弹性面料的弹性回复率比含氨纶的弹性面料高。随着定伸长的增加，从图6（d）可以清楚地看到，当氨纶拉伸到一定程度后，就进入了氨纶的塑形变形区，如22.2dtex千禧氨纶当伸长达到200%（3.0倍）、22.2dtex莱卡伸长达225%（3.25倍）时，拉伸曲线开始出现不规则性呈锯齿状，XLA曲线比较平滑。当其伸长进入塑性变形阶段后，弹性回复率降低，因此织出的匹布，会出现弹性下降的情况。

图7为XLA（46.7dtex）与两种氨纶（44.4dtex）一次定伸长拉伸弹性回复性能比较，表明定伸长小于等于200%时，三种弹性纤维的弹性回复率均较且大于90%;当定伸长大于200%，三种弹性纤维弹性回复率开始有所降低，300%时XLA的弹性回复率明显减少到80.92%，莱卡的弹性回复性最优。因此在生产中弹性纤维的牵伸倍数不易过大，为了节约成本且使织物保持较高的弹性及弹性回复性，一般222～46.7dtex的纤维，XLA的牵伸倍数在3.25左右，氨纶的牵伸倍数为3.5左右。

表2、表3分别是不同规格的三种弹性纤维循环定伸长塑性变形与弹性回复性能。数据表明，当定伸长大于200%时XLA塑性变形开始增大，弹性回复率逐渐减小，当伸长为300%时，XLA（24.4dtex）的弹性回复性仅为66.24%，而氨纶经反复拉伸弹性回复性仍较好，尤其莱卡弹性回复率仍然保持90%以上，正是因为氨纶软硬链段的分子结构赋予了它良好的延伸性和弹性回复性。随着定伸长值的增加，纤维越粗弹性回复性越好，塑性变形越小，XLA（46.7dtex）300%的循环定伸长弹性回复性为7452%。尽管在高伸长时XLA、千禧氨纶的弹性回复性不及莱卡氨纶，但在定伸长小于200%时，国产XLA与国产千禧氨纶表现出较为优秀的弹性回复性。

2.3 吸湿性能

通过以上对XLA、莱卡、千禧氨纶分子结构的分析，可以得到XLA为聚烯烃类，烯烃基是疏水基團，纤维几乎没有活性基团;氨纶分子中存在着醚基，其中千禧氨纶中还有少量脲基，莱卡与千禧氨纶分子中具有一定数目的弱亲水基团。因此，XLA纤维的回潮率比氨纶低，千禧氨纶中脲基的存在使其吸湿性比莱卡的略好，具体回潮率见表4。一般来说，纤维吸湿性小，织物在湿态下的折皱回复性好，缩水性小，织物的免烫性越好。

2.4 热学性能

2.4.1 沸水收缩性

沸水收缩率是影响织物保形因素之一。表5中数据显示，XLA的沸水收缩率小于氨纶，同时千禧氨纶的沸水收缩小于莱卡，表明XLA具有良好的热稳定性与抗皱性。这是由XLA与氨纶结晶度与晶区结构的差异造成，提高结晶度、取向度，纤维内部晶区增加、内部分子排列整齐，结构稳定，纤维不易收缩，故沸水收缩率低[10]。随着纤维线密度的增加，沸水收缩率逐渐减少，如千禧氨纶22.2dtex沸水收缩率为9.7%，44.4dtex为8.1%。

2.4.2 热学性能

由仪器自带的TA Universal Analysis软件分析得出，三种纤维的熔融温度分别120.38、268.36、25938℃;热焓值ΔH分别是38.71、6.982、7.396J/g，如图8所示。XLA具有较低的结晶度，赋予纤维较好的内热性，虽然熔融温度低，但由于分子间的共价交联作用，纤维没有发生分解，直到425℃才发生大量分解，如图9所示。XLA热稳定性比莱卡、千禧氨纶好，莱卡与千禧氨纶的热稳定性差异不大，三种纤维的初始分解温度（95%）分别是366、280、293℃。XLA纤维的耐热性不是来自结晶体，而是柔性链之间的网络交联起主要作用，耐高温达220℃，热定型温度只需120℃即可，是一种真正可低温定型的弹性纤维。XLA只有C—H键，主要成分是可循环利用的聚烯烃，且在纺丝加工过程中没有产生任何副产品，热分解后无残留物，是一种比较环保的新型弹性纤维，已获得Oketex-100认证。

3 实践应用分析

这三种弹性纤维，裸丝都具有低强高伸的特点，单独使用会给生产带来一定困难，故一般作为包覆纱的芯丝[11]。XLA独特的耐高温耐化学腐蚀，如耐强酸强碱强氧化剂等，它能承受剧烈的漂白、丝光处理，几乎不影响其织物的弹性回复性，有较好的悬垂性，手感蓬松柔软接近棉感。XLA弹性纤维最适合生产弹性10%～20%舒适弹性面料，包括舒弹衬衫面料、舒弹裤装面料、舒弹毛料、舒弹工装面料、舒弹牛仔面料等领域，在国外XLA纤维通过主要的品牌生产商和大型零售商“Perry Ellis”“Tommy Hilfiger”和“Calvin Klein”，已成功打入男式衬衫市场。氨纶由于其优异的弹性回复性适合各类高弹性织物，裸丝一般做紧身衣、袜子等，另外还有包芯纱、包覆纱及合捻纱等，研究发现莱卡在医学领域也有广泛应用。

4 结 论

观察三种弹性纤维的形态结构，XLA为单丝，莱卡与千禧氨纶均为两根单丝形成的复丝;在分子结构中因XLA分子中不存在不饱和的烃基，表现出优异的化学稳定性，可以做丝光、液氨、潮交联等处理。XLA和千禧氨纶的初始模量比莱卡高，XLA具有柔和的伸缩性能，但其弹性回复性不及氨纶。两种氨纶都具有优良的拉伸性和弹性回复性，但耐热性、耐氯漂性不及XLA。千禧氨纶中因含有少量的脲基，初始分解温度比莱卡略高，吸湿性比莱卡好。由于结晶度与大分子取向度的差异，造成三种纤维的沸水收缩率不同，XLA沸水收缩率最小且回潮率低，因此在梭子织物中加入XLA纤维，可使衣物表现出较好的保形性和免烫性，且具有舒适的弹性、易护理。

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