几种差别化聚酯纤维的结构与性能

魏艳红， 刘新金， 谢春萍， 苏旭中， 吉宜军

(1. 生态纺织教育部重点实验室(江南大学)， 江苏 无锡 214122； 2. 南通双弘纺织有限公司， 江苏 南通 226600)

差别化纤维是指在原来纤维组成的基础上进行化学或物理改性处理，使其纤维形态、性能与常规化学纤维有显著不同，弥补了普通合成纤维的不足，主要分为变形丝、异形纤维、复合纤维、超细纤维等。 差别化是由日本化纤业在20世纪80年代首先提出的，我国对差别化聚酯纤维的开发始于20世纪80年代初[1]。随着人们生活水平的提高，普通聚酯纤维已不能满足高档面料生产的需求。聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)、低黏度PET/高收缩PET复合弹性纤维(SPH)、PET/PTT双组分网络复合纤维(T400)等新型聚酯纤维相继被开发，满足了人们对舒适性、功能性和环保性的要求。

SPH是一种采用双螺杆多组分生产的新型弹性纤维，是 2012年南通永盛纤维新材料有限公司在国内开发的新专利产品。超细旦PET长丝具有轻薄、染色性能好等特点，其织物具有丝绸般的轻、柔、滑、爽，有良好的服用性。T400最早是由杜邦公司开发的一种复合纤维。 PTT是20世纪90年代中期由Hell公司开发的一种性能优异的聚酯类新型纤维，具有优异的综合性能，在服装、工业、医学等领域都有广泛的应用[2-3]。高庆文[4]研究了SPH纤维的制备方法，柳敦雷等[5]介绍了超细旦PET的开发过程。目前，国内外学者对SPH、超细旦PET的结构与性能方面的研究比较少；SPH、T400、PET、PTT同属于差别化聚酯纤维，4种纤维之间的性能差异目前还尚未进行深入研究。

为更好地了解新型聚酯纤维的特性，本文对4种差别化新型聚酯纤维的分子结构、力学与热学性能、形貌与卷曲形态进行对比分析研究，以期为后续产品开发提供参考依据。

1 实验部分

1.1 实验材料

SPH，线密度为3.33 tex(24 f)，采用低黏度PET与高收缩PET通过复合纺丝法生产，具有永久的三维卷曲效应，购自南通永盛纤维新材料有限公司；T400，线密度为3.33 tex(24 f)，由PTT与PET通过复合纺丝工艺制成的双组分新型复合纤维，具有自然永久螺旋卷曲、优异的蓬松性以及特别柔软的手感，购自英威达公司；PTT，线密度为3.33 tex(24 f)，由对苯二甲酸和1，3-丙二醇经酯化缩聚而成的聚合物，购自韩国晓星集团；高强度PET，线密度为0.88 tex(6 f)，采用熔体直纺工艺，通过新型喷丝板、优化的工艺塔回流水装置等工艺条件制成，购自恒力集团江苏恒科新材料有限公司。

1.2 测试与表征

1.2.1 分子结构表征

利用NICOLET iS10型傅里叶红外变换光谱仪(美国赛默飞世尔科技中国有限公司)研究纤维的分子结构，采用衰减全反射法(ATR)测试，测量范围为4 000～500 cm-1。

采用D2 PHASER 型X射线衍射仪(德国布鲁克AXS有限公司)测定纤维聚集态结构，首先将纤维平行密集地排列在圆形样板上，纤维轴与衍射仪轴呈直角。扫描速度为2(°)/min，扫描范围为5°～80°。

1.2.2 形貌观察

将纤维切片经喷金处理后，使用SU1510型扫描电子显微镜(日本日立株式会社)观察纤维的横截面和表面形貌。

1.2.3 力学性能测试

参照GB/T 14344—2008《化学纤维 长丝拉伸性能试验方法》、GB/T 3916—2013《纺织品 卷装纱 单根纱线断裂强力和断裂伸长率的测定(CRE法)》，测试4种长丝纤维的拉伸性能。利用YG068C型全自动单纱强力仪(苏州长风纺织机电科技有限公司)测试SPH、T400、PTT的断裂强度、断裂伸长率、断裂功等。测试条件为：夹持隔距500 mm，拉伸速度500 mm/min，预加张力(0.05±0.005) cN/dtex。由于选用的PET线密度较小，采用YQ-2型纤维强伸度仪(东华大学)测试其断裂强力及断裂伸长率，测试条件为：夹持距离20 mm，下夹持器下降速度20 mm/min，预加张力(0.05±0.005)cN/dtex。每种纤维分别测试20次，结果取平均值。

1.2.4 弹性性能测试

由于长丝的弹性测试没有统一的国家或企业标准，因此，参照FZ/T 50007—2012 《氨纶丝弹性试验方法》及东华大学制定的XL-2型纱线强伸度仪使用说明书，利用XL-2纱线强伸度仪测试纤维的弹性回复性。在断裂伸长范围内进行一次定伸长、循环定伸长拉伸弹性回复实验，设置定伸长分别为5%、10%、15%、20%。实验条件为：夹钳隔距长度500 mm，拉伸速度500 mm/min，预加张力0.2 cN/dtex，每组实验测试5次，取平均值。一次定伸长弹性实验拉伸停顿时间为30 s，回复时间为30 s。循环定伸长弹性测试，循环5次，前4次拉伸循环中没有停顿，第5次循环拉伸至相应的定伸长时停顿30 s，回到原位后再停30 s。依次求取塑性变形率和弹性回复率，计算公式为：

式中：SD为塑形变形率，%；E为弹性回复率，%；L0为未伸长时的夹持长度，mm；L1为设定伸长时的长度，mm；L2为达到试样预加张力值时的长度，mm。

1.2.5 吸湿性能测试

参照GB/T 6503—2008《化学纤维 回潮率试验方法》，采用YG747型通风式快速八篮烘箱(南通宏大实验仪器有限公司)测试纤维的回潮率。称取50 g试样，烘燥温度为(105±3) ℃，烘燥时间为1 h。

1.2.6 热学性能测试

将纤维烘干，用哈氏切片器将纤维切成粉末状并称取5 mg左右置于陶瓷坩埚内，利用Q-500型热重分析仪(美国TA仪器公司)在氮气环境下(氮气流速为60 mL/min)，以20 ℃/min速率升温，在50～800 ℃温度范围内测试纤维的热稳定性。

采用Q-200型差示扫描量热仪(DSC，美国TA仪器公司)分析纤维的热性能曲线。采用哈氏切片器将纤维切成粉末状，称取5 mg左右的样品置于铝坩埚内，以氮气为保护气，N2流速为50 mL/min，初始温度为0 ℃，以10 ℃/min速率升温至300 ℃得到升温曲线。

参照GB/T 6505—2008《化纤纤维 长丝热收缩率试验方法》，采用绞丝法测试纤维的热收缩性。利用缕纱测长仪摇取10 m长丝，放在绒板上平衡4 h。然后将试样悬挂在吊钩上，下端施加预加张力0.2 cN/dtex，等待30 s后测量其长度L0(cm)。将平衡后的试样在松弛状态下放入100 ℃去离子沸水中，使用数显恒温水浴锅加热煮沸30 min，自然晾干并平衡8 h。测量煮沸后长度L1(cm)。每种试样测试3次，结果取其平均值。沸水收缩率S(%)计算公式为

1.2.7 卷曲形态测试

利用VHX-5000型超景深三维数码显微镜(基恩士公司)分别观察未处理即直接从卷装上退绕下来的纤维、经反复拉伸后的纤维如沸水处理后的纤维的卷曲形态。

2 结果与分析

2.1 聚酯纤维结构分析

2.1.1 分子结构

图1 纤维的红外光谱图Fig.1 Infrared spectroscopy of fiber

图2示出4种聚酯纤维的XRD图谱。可以看出，谱图有尖锐的衍射峰，表明试样中存在晶态与非晶态且两相差别明显。2θ值与试样晶型有关，当衍射角相同时，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]。由图2看出：PET的结晶度最高；T400的结晶度较低，故弹性较好。PET、PTT均属于三斜晶系，但晶体结构存在明显差异，SPH有3个衍射峰，也属于三斜晶系。

图2 纤维的XRD图谱Fig.2 XRD pattern of fiber

2.1.2 形貌结构

图3示出4种纤维的扫描电镜照片。由图3(a)可知：SPH纤维横截面近似哑铃状，单丝由2种横截面为圆形且面积不等的丝体用物理与化学方法相结合而成，其中一种纤维嵌入另一纤维中；纤维截面平整无分界，表明二组分具有很好的界面相容性；2种纤维的结合处形成沟槽(见图3(b))，此沟槽可产生毛细效应，能迅速吸收皮肤表面汗水并传递到纤维表面蒸发，具有吸湿排汗作用。T400的横截面成8字型(见图3(c))，其纤维为双组分纤维复合而成，2种组分各占一半，在二组分结合处形成微沟槽(见图3(d))，具有导湿快干的特性。PTT截面形态为三叶形(见图3(e))，表面形态结构基本上与PET相似，呈光滑条状，光的反射、折射较强，表面有空隙，具有导湿、透气与保暖性。超细旦PET纤维横截面近似于圆形(见图3(g))，由6根单丝形成复丝，表面光滑无沟槽(见图3(h))。

2.2 聚酯纤维力学性能分析

2.2.1 拉伸性能

表1示出4种纤维的强伸性能。可以看出，PET的断裂强度最高，T400次之，SPH与PTT较低。由于PTT大分子链以螺旋型构象出现，使其具有较好的拉伸，因此，PTT的断裂伸长率是4种纤维中最高的，且断裂功大，表明PTT具有较好的韧性。

表1 纤维的强伸性能Tab.1 Strength and elongation of fibers

2.2.2 弹性回复性能

在4种新型聚酯纤维的断裂伸长率范围内进行弹性回复性、塑性变形测试，结果如表2、3所示。可以看出：SPH、T400、PTT在低伸长率(5%)下都具有较好的弹性回复性，循环定伸长弹性回复率基本在90%以上；塑性变形小，尤其是T400，其一次定伸长(5%)拉伸弹性回复率高达98.4%；随着定伸长的增加，T400、PTT仍保持较好的弹性回复性，而SPH的弹性回复性急剧下降，塑性变形加大；PET的弹性回复性最差，20%定伸长一次拉伸塑性变形率为61.31%，由于PET的塑性变形较大，实验过程中测试循环定伸长拉伸比较困难，数据差异较大，故没有列出。

表2 纤维的弹性回复率Tab.2 Elastic recovery of fibers

表3 纤维的塑性变形率Tab.3 Plastic deformation of fibers

在PET大分子链中2个苯环之间仅有2个亚甲基，大分子之间的柔性较差，在受力作用下PET大分子链不会发生晶型的转变，故PET与SPH的弹性回复性相对较差。T400产生的弹性机制是由于PET、PTT二组分热收缩率的差异而产生自卷曲弹性，且弹性稳定性和持久性好，弹性回复性能好。PTT分子链上含有奇数个亚甲基使其具有“奇碳效应”，分子链呈现类似于羊毛蛋白质分子链的螺旋结构，大分子链中—O—CH2—CH2—CH2—O—单元具有一种能量较低的“T—G—G—T”式构象,即具有明显的“Z”字形构象，导致其大分子链具有弹簧一样的形变和形变回复能力，具有优异的回弹性。

2.3 聚酯纤维吸湿性能分析

回潮率的大小反映纤维吸放湿性能的高低，经实验测得SPH、T400、PTT和PET纤维的回潮率分别为0.96%、0.80%、0.69%、0.48%。这4种纤维的回潮率都比较低，均低于1%。一般来说，纤维的吸湿性小，织物湿态下折皱回复性好、缩水性小，织物的尺寸稳定性、免烫性好。

2.4 聚酯纤维热学性能分析

2.4.1 沸水收缩性

沸水收缩率是衡量纤维热收缩性的重要指标，反映了纤维在加工过程中受热处理后的尺寸稳定性[8]。表4示出纤维的沸水收缩率指标测试结果。可见，SPH、T400的沸水收缩率较大，原因是分子之间存在一定的内应力，同时SPH采用高收缩PET复合形成，热处理后分子内的结晶度、取向度发生一些变化，产生了不可逆的收缩。结晶度、取向度越大，纤维内部晶区增加、内部分子排列整齐，结构越稳定，纤维越不易收缩。根据以上分析，PET、PTT的结晶度较高，故沸水收缩率低。高收缩性对织物加工有一定的影响，因此，在后续加工中要适当控制温度[9]。综上所述，PET、PTT具有较低的热收缩率。

表4 纤维的沸水收缩率Tab.4 Boiling water shrinkage of fibers

2.4.2 热稳定性

图4示出4种纤维的热学性能曲线。由图4(a)可知：SPH、PET的熔融温度分别为252.87、250.58 ℃，由于SPH由2种性能不同的PET复合而成，因此，SPH的熔融温度与PET接近；PTT的熔融温度为224.94 ℃，由于奇碳效应的存在，其熔融温度明显低于PET；T400纤维由PET和PTT双组分纤维复合而成，因此，在DSC曲线中存在2个熔点，分别为225.55、249.69 ℃。

由图4(b)曲线可知，SPH、PET这2种纤维的热稳定性最好且基本接近，T400次之，PTT的热稳定性最差。PTT纤维分解后的残留物最少，因此PTT纤维是比较环保的生物基化学纤维。

2.5 聚酯纤维卷曲形态分析

图5示出纤维反复拉伸和沸水处理前后的卷曲形态。由图5可知：SPH从卷装上直接退绕下来的纤维形态几乎无卷曲(见图5(a))；经过反复拉伸后形成大而稀疏的卷曲状，束丝开始散开(见图5(b))；沸水处理后的SPH纤维形态发生较大变化，卷曲充分显现，变得小而密，束丝散开成单丝(见图5(c))。由于SPH纤维内部的二组分具有不同的收缩性且平行排列，经过拉伸作用后或热处理，纤维在内应力作用下会形成类似羊毛小而密的卷曲态，因而获得良好的蓬松性与弹性，即纤维的自卷曲效应[10]。卷装上退绕下来的T400纤维有少量卷曲(见图5(d))；反复拉伸后卷曲发生变化，卷曲变得小而密，卷曲态更均匀，束丝变得更抱合(见图5(e))；煮沸后的T400纤维，卷曲发生很大改变，有部分纤维散开成单丝，部分纤维形成类似弹簧形的螺旋状(见图5(f))。PTT、PET这2种纤维反复拉伸后及沸水处理前后纤维形态无明显变化，纤维比较顺直无卷曲状，如图5(g)～(l)所示。

图5 纤维反复拉伸和沸水处理前后的卷曲形态(×100)Fig.5 Curl morphology of fibers before and after repeated stretching and boiling water treatment(×100). (a) SPH unprocessed; (b) SPH after repeated stretching; (c) SPH after boiling; (d) T400 unprocessed; (e) T400 after repeated stretching; (f) T400 after boiling; (g) PTT unprocessed; (h) PTT after repeated stretching; (i) PTT after boiling; (j) PET unprocessed; (k) PET after repeated stretching; (l) PET after boiling

SPH较普通的涤纶有较好的蓬松性和卷曲弹性。SPH、T400具有的天然的卷曲可长期保持不变，经过热处理后这种卷曲仍热存在，使服装始终保持较好弹性。通过纤维卷曲态的变化图也可说明，T400的沸水收缩率最大，SPH次之，PTT、PET沸水收缩率较低(仅为8.4%、9.0%)。

3 差别化聚酯纤维特性及其应用

SPH纤维表面有沟槽，拉伸或热处理后具有羊毛的卷曲效果，由其做成的织物既有吸湿排汗作用，又具有一定的弹性。SPH断裂强度及断裂伸长率小，适合应用在对弹力要求不高的面料中，如弹力衬衫、西服西裤、弹力女装、夏季T恤等。T400长丝因其优异的拉伸性能及弹性回复性而可单独织造，也可与棉、粘胶、涤纶、锦纶等进行交织，同时还可做成包芯纱应用在牛仔面料、衬衫面料中，以提高织物的弹性及保形性。T400长丝热收缩率较高，在后续加工中应适当控制温度。PET长丝具有丝绸般柔软、滑爽的特性，可用来做高档高密涤塔夫，仿蚕丝等高端纺织产品，也可与精梳棉短纤复合生产高支包芯纱或包覆纱，应用在高档免烫衬衫面料中。由于PET长丝线密度小，因此强力低，在后续使用时需降低车速，优化工艺。PTT纤维的断裂伸长率大于其他聚酯纤维，既有锦纶的柔软性、腈纶的蓬松性、涤纶的抗折皱性和抗污性，又有本身固有的弹性，优异的形态稳定性，把各种纤维优良的服用性集于一身。主要应用于时装、衬衫、运动服、形状记忆面料等高端服饰领域。高性能的PTT已经开始在医学方面应用，如PTT弹性人造血管、PTT聚合物支架在骨修复中作为干细胞载体[11]。PTT熔点低，热稳定性不及PET，使得PTT纤维染色性能好，可采用常压染色，但PTT织物的热定形温度不宜过高。

4 结 论

本文对4种差别化聚酯纤维进行测试与表征，研究结果表明：SPH截面近似哑铃状，由性能不同的2种PET复合而成，二组分结合处形成表面沟槽，可赋予纤维良好的吸湿排汗作用，SPH经拉伸或热处理后可产生纤维的自卷曲效应，具有良好的弹性；T400断裂强度高，具有天然的卷曲，使其具有较好的弹性及弹性回复性，受热后产生近似弹簧形的螺旋状，具有永久的弹性，但T400有较高的热收缩性，对后续生产加工及织造不利；PET具有较高的强度，热稳定性好，其织物有蚕丝般的柔、滑，可应用到高档纺织品中；PTT分子结构独特的奇碳效应，使纤维具有较好的弹性和弹性回复性，断裂伸长大，纤维的韧性较好，应用领域广。

FZXB