并列型聚丙烯复合纤维织物的开纤工艺与吸湿性能研究

2020-10-28毛绪国王立诚李斯文孙俊芬

合成纤维工业 2020年5期

毛绪国，王立诚，李斯文，孙俊芬*，陈龙

(1.中国石化仪征化纤股份有限公司，江苏仪征 211900；2.东华大学材料科学与工程学院，上海 201620；3.东华大学纤维材料改性国家重点实验室，上海 201620)

复合纤维是指在同一根纤维截面上存在两种或两种以上不相混合的聚合物纤维，根据组分间的形状分布有并列型、皮芯型、海岛型等。通过将多种聚合物种类进行复合，可以将不同聚合物的特性融合在一起，制得的复合纤维具有多种功能，广泛应用于医疗卫生、民用家用纺织品、工程材料等领域[1-4]。并列型复合纤维两组分并列排列，通过其织物后处理的开纤工艺可以使两组分产生分离从而得到超细纤维结构，超细纤维结构往往存在芯吸效应，从而赋予纤维织物特殊的性能如高导湿、透气性等[5]。并列型复合纤维的开纤程度直接影响到最终织物的吸湿导湿能力[6]，开纤方法主要包括酸碱处理法、机械处理法以及热处理法，选择何种方法需要根据不同聚合物的性质决定[7]。酸碱处理法是并列型复合纤维常用的开纤方法，是通过酸或碱溶液对纤维中的某一组分进行轻度刻蚀从而使两组分产生分离。

作者选取以聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚己内酰胺(PA 6)分别与PP复合的并列型PP/PET和PP/PA 6复合纤维为原料，制成织物后分别采用碱、酸处理方法对复合纤维织物进行开纤处理，对开纤后织物的碱(酸)减量率和纤维表面形态的变化进行探究，确定较佳的开纤工艺参数，并对开纤后两种复合纤维织物的吸湿导湿性能进行了对比研究。

1 实验

1.1 主要原料及设备

PP/PET、PP/PA 6并列型复合纤维：组分质量比分别为4:6和5:5，自制；氢氧化钠(NaOH)、盐酸(HCl)：分析纯，平湖化工试剂厂产；乙醇：分析纯，国药试剂有限公司产。

HC585型织袜机：无锡市宏成纺制机械电子有限公司制；S-4800场发射扫描电子显微镜：日本日立公司制。

1.2 复合纤维织物的制备及开纤处理

首先，通过织袜机将复合纤维制备成织物，用酒精去除表面的油剂，对织物进行干燥，精确称取20.0 g的织物试样。按照浴比1:20和一定范围的碱(酸)浓度制备开纤溶液，PP/PET复合纤维织物的开纤溶液为质量分数1.0%～5.0%的NaOH溶液，PP/PA 6复合纤维织物的开纤溶液为质量分数8%～26%的HCl溶液。将织物试样浸没于预热至100 ℃的开纤溶液中进行一定时间的开纤处理，开纤处理结束后用去离子水洗净，然后将织物烘干，记录开纤处理后织物的质量。

1.3 分析与测试

减量率(S)：用于表征复合纤维碱(酸)开纤处理程度的指标。在开纤处理前后分别精确称量织物的质量，通过织物的质量损失与未处理试样的比较，对开纤织物的损伤程度进行评价，按式(1)计算织物的S。

S=(W1-W2)/W1×100%

(1)

式中：W1为织物开纤前的质量；W2为织物开纤后的质量。

吸水率(A)：参考GB/T 21655.1—2008《纺织品吸湿速干性的评定第一部分：单行组合实验法》，对织物在无外力状态下对液体的吸收率进行测试。裁剪10 cm×10 cm的织物试样，置于去离子水的烧杯中自然浸没10 min，然后取出自然平整地垂直悬挂，控制环境温度(20±2)℃、相对湿度(65±3)%；当观察到试样不吸水后滴水时立刻用镊子取出试样，按式(2)计算织物的A，同一试样测试3次取平均值。

A=(m-m0)/m0×100%

(2)

式中：m0为织物的原始质量；m为织物浸湿吸水后不滴水时的质量。

芯吸高度(H)：用于表征织物对液态的导湿能力。参考FZ/T 01071—2008《纺织品毛细效应实验方法》，测试温度(20±2)℃，相对湿度(65±3)%，织物规格25 cm×3 cm；将织物的一端垂直悬挂，下端施加3 g左右的张力，并浸湿1.5 cm于去离子水(加入微量蓝黑墨水显色)中保持30 min，记录结束时水沿纺织材料上升的高度作为H，同一试样测试3次取平均值。

纤维形貌：采用场发射扫描电子显微镜(SEM)对织物开纤前后的表面形态进行观察，放大倍数为500。

2 结果与讨论

2.1 复合纤维织物开纤工艺条件

2.1.1 开纤时间(t)对织物S的影响

通过固定开纤溶液浓度研究t对织物S的影响，通常而言织物开纤处理的S应控制在1%～5%[8-10]。PP组分对于酸碱的耐受性较好，PP复合纤维织物开纤的过程主要是侵蚀PET或者PA 6组分。因此，考察t的影响时选择两组分较平均的织物即组分质量比为5:5的PP/PET、PP/PA 6复合纤维织物进行开纤处理。

从图1可看出：PP/PET复合纤维织物的碱处理开纤中，随着t增加，织物S逐渐升高；开纤溶液的浓度越高，织物S的增长速率越高，当wNaOH为5.0%时，t为20 min时织物S就已接近6.0%，60 min时S高达14.58%。因此，结合织物S应控制在5%以内的要求，在开纤溶液wNaOH为1.5%，2.0%，3.0%条件下，PP/PET复合纤维织物的碱处理开纤中，t控制在30～50 min即可。

图1 不同wNaOH下碱处理PP/PET复合纤维织物的S随t的变化Fig.1 Plots ofS versus t of alkali-treated PP/PET composite fabric at different wNaOH■—1.0%；●—1.5%；▲—2.0%；▼—3.0%；◀—5.0%

从图2可以看出：在PP/PA 6复合纤维织物的酸处理开纤中，随着t的增加，织物的S逐渐增加；开纤溶液的浓度越高，织物的S越高，当wHCl为25%时，t的增加会显著提升织物的S，30 min时织物S接近7%。因此，结合织物S应控制在5%以内的要求，在开纤溶液wHCl为15%，18%，20%条件下，t控制在30～50 min即可。

图2 不同wHCl下酸处理PP/ PA 6复合纤维织物的S随t的变化Fig.2 Plots of S versus t of acid-treated PP/PA 6 composite fabric at different wHCl■—12%；●—15%；▲—18%；▼—20%；◀—25%

根据图1和图2结果，在两种复合纤维织物的开纤处理中，开纤溶液的浓度过高及t过长均会大幅度提高织物的S，从而影响织物的强度。综合考虑织物开纤处理的效率，选择t为30 min较适当。

2.1.2 开纤溶液浓度对织物S的影响

为了更加明显地了解开纤溶液浓度的适应范围，选取组分质量比为4:6的PP/PET、PP/PA 6复合纤维织物进行开纤处理，计算不同碱(酸)浓度下织物的S，选定t为30 min，研究开纤溶液浓度对开纤处理后织物S的影响。

从图3可以看出：在PP/PET复合纤维织物的碱溶液开纤处理中，随着碱溶液浓度的增加，织物的S逐步提高，这是因为织物中的PET部分溶解程度开始提高，织物中的并列型复合纤维在两组分界面处因刻蚀发生分离；当碱溶液wNaOH超过3.5%后，织物的S迅速增加，当wNaOH达到5.0%时织物的S高达7.45%，且能观察到织物发生一定程度的破损。因此，为了不破坏织物强度，控制碱溶液wNaOH在1.5%～3.5%进行PP/PET复合纤维织物的开纤处理较为合适。

图3 碱溶液浓度对PP/PET复合纤维织物的S的影响Fig.3 Effect of alkali solution concentration on S of PP/PET composite fabric

从图4可以看出：在PP/ PA 6复合纤维织物的酸溶液开纤处理中，酸溶液液浓度对织物S的影响趋势与PP/PET复合纤维织物碱溶液处理的情况大致相同，随着酸溶液浓度的增加，织物的S逐步提高；当酸溶液wHCl小于15%时，织物的S小于0.5%，酸溶液几乎对织物内复合纤维未造成侵蚀，结合文献[8，10]，S小于0.5% 时可以认为织物几乎未发生开纤现象；当酸溶液wHCl超过18%后织物的S增加迅速，当wHCl达到25%时织物的S高达5.67%。因此，为了保证织物的强度，控制酸溶液wHCl在15%～20%进行PP/PA 6复合纤维织物的开纤处理较为合适。

图4 酸溶液浓度对PP/PA 6复合纤维织物的S的影响Fig.4 Effect of acid solution concentration on S of PP/PA 6 composite fabric

2.2 开纤工艺对复合纤维织物形貌的影响

织物的S作为开纤程度的判断是较为简便和快捷的方法，而对于实际开纤效果仍需考察织物内纤维的微观形貌。在t为30 min条件下，以wNaOH为1.5%～3.5 %的碱溶液和wHCl为15%～20%的酸溶液分别对组分质量比为4:6的PP/PET和PP/PA 6复合纤维织物进行开纤处理，观察处理后复合纤维织物中纤维的表面形貌。

从图5可以看出：与未开纤的PP/PET复合纤维织物对比，经wNaOH为1.5%的碱溶液开纤处理后，织物中复合纤维两组分已基本开纤，且纤维表面未见有明显的侵蚀痕迹，比较平整光滑；而当碱溶液wNaOH为3.0%时，纤维已明显分开，但纤维表面已经能够观察到部分粗糙凹凸点，纤维表面开始发生侵蚀。因此，结合开纤效果，碱溶液wNaOH为1.5%已经能够满足开纤要求。

图5 开纤前后PP/PET复合纤维织物表面的SEM照片Fig.5 Surface SEM photographs of PP/PET composite fabric before and after splitting process

从图6可以看出：与未开纤的PP/ PA 6复合纤维织物对比，经wHCl为15%的酸溶液开纤处理后，织物中复合纤维两组分已基本开纤，且纤维表面仍然比较平整光滑；而当酸溶液wHCl为20%时，复合纤维的开纤效果与wHCl为15%相似，纤维表面的粗糙度较wHCl为15%时稍有增加，但增加幅度不大。综合考虑织物的S和力学性能，开纤处理时选择酸溶液wHCl为15%较适合。

图6 开纤前后PP/PA 6复合纤维织物表面的SEM照片Fig.6 Surface SEM photographs of PP/PA 6 composite fabric before and after splitting process

在对两种复合纤维织物开纤前后表面形态进行对比之后，结合现有的评价标准[11]，可以得出织物的较佳开纤工艺分别如下：(1)PP/PET复合纤维织物开纤处理中碱溶液wNaOH为1.5%，t为30 mim；(2)PP/PA 6复合纤维织物开纤处理中酸溶液wHCl为15%，t为30 mim。

2.3 复合纤维织物的吸湿导湿性能

2.3.1 复合纤维织物的吸湿性能

使用较佳开纤工艺对复合纤维织物进行开纤处理，通过测定开纤后织物的A来表征其吸湿性能。参考GB/T 21655.1—2008 《纺织品吸湿速干性的评定第一部分：单项组合实验法》对针织类纺织品吸湿速干性能的评价标准，要求织物的A大于等于200%。从表1可知：开纤处理后，除了组分质量比为4:6的PP/PET复合纤维织物外，组分质量比为5:5的PP/PET复合纤维织物和组分质量比为4:6、5:5的PP/PA 6复合纤维织物的A均大于200%，都达到了吸湿类产品的要求；PP/PA 6复合纤维织物的A明显高于PP/PET复合纤维织物。

表1 开纤处理后复合纤维织物的ATab.1 A of composite fabric after splitting process

分析原因，这是由于PA 6中含有亲水性基团酰胺基，因而有利于纤维对水分子的捕捉；而PET中的酯基虽然也属于极性基团，但双键上的氧电负性较大，使碳上的电子云偏向于氧原子，和羰基相连的氧又具有一定的亲核性，会形成离域π键贡献出了电子使本身的电子云密度下降，因而PET的亲水性较弱；此外PET重复单元上的苯环也一定程度上影响了对水分子的亲和力，所以两者相互作用使PP/PET复合纤维织物的吸湿性能弱于PP/PA 6复合纤维织物[12]。

从表1还可发现，组分质量比为5:5时，两种复合纤维织物的A均高于组分质量比为4:6时织物的A，尤其是PP/PA 6复合纤维织物的A达347.9%。这可以从PP/PA 6初生复合纤维的卷曲形态(见图7)来解释，从图7可以观察到组分质量比为5:5时初生复合纤维的卷曲程度较高，织物吸水是依靠芯吸效应，而卷曲程度越高的纤维组分之间空隙越多，经过开纤处理后芯吸效应会更加明显，因此，组分质量比为5:5时织物能够吸收更多的水分。

图7 不同组分质量比的PP/PA 6初生复合纤维卷曲形态Fig.7 Crimp morphology of as-spun PP/PA 6 fiber at different component ratios

2.3.2 复合纤维织物的导湿性能

开纤后复合纤维织物的导湿性能可以通过测试织物的H进行表征。参考GB/T 21655.1—2008 《纺织品吸湿速干性的评定第一部分：单项组合实验法》对针织类纺织品吸湿速干性能的评价标准，要求织物的H大于等于100 mm。从表2可知：开纤处理后，不同组分质量比的复合纤维织物的H均未达到GB/T 21655.1—2008要求，其中组分质量比为5:5的PP/PA 6复合纤维织物的H最高，为81 mm；对比不同组分比的复合纤维织物的芯吸高度，组分质量比为5:5的织物的H远高于组分质量比为4:6的织物，这是因为复合纤维卷曲程度越高，两组分纤维之间会有更多的空隙，不仅是吸水能力得到提升，也同时有助于水分子的流动，因而呈现出优良的芯吸效应。从表2还可以发现，开纤处理后，PP/PA 6复合纤维织物的H均远高于PP/PET复合纤维织物。这与文献[12]报道的结果相似，PP由于极高的疏水特性因而具有较好的毛细管芯吸效应，结合吸水能力较强的PA 6进行复合并开纤后，复合纤维的尺度达到微米级，PP进行导湿，PA 6进行吸收并锁住水分，而PET的吸水性比PA 6要低得多，所以PP/PA 6复合纤维织物的导湿性能显著优于PP/PET复合纤维织物。