仿棉聚酯纤维及其制品的开发与研究

赵明良 宁新 邢明杰

摘要：  针对我国棉花存在的价格偏高，供需矛盾突出，但聚酯产能过剩，产品附加值低等问题，本文对聚酯纤维（PET纤维）进行技术手段改性，运用化学方法从分子链的化学结构上对PET纤维改性，并对其结构和性能进行综合分析。聚合过程中添加含多亲水基团（如羟基）的单体，可提高PET纤维亲水性能。在纤维大分子链的适当位置引入亲染料基团（如磺酸盐）的单体共聚，利用磺酸基团结合染料分子，从而改善纤维的可染性。在苯二甲酸（PTA）和乙二醇（EG）聚合过程中，将柔性链段引入PET纤维分子链段，可改善手感。同时，在纺丝过程中，加入功能性组份，可改善纤维的功能性。通过分析仿棉PET纤维的四大性能（吸湿、染色、外观、功能性），探究纤维结构与性能的关系。研究结果表明，化学方法改性PET纤维，性能较优良，效果较持久;由仿棉PET纤维制得的涤纶仿棉织物的导湿性、透气性优于纯棉织物，抗静电性能优良，在悬垂性、抗皱性、尺寸稳定性等方面有明显改善。该研究对后续新型仿棉聚酯产品的研发提供了理论依据。

关键词：  仿棉聚酯纖维; 结构性能; 纤维改性; 应用领域

中图分类号： TS102.52+2;TS105.1  文献标识码： A

棉纤维具有吸湿透气性良好、易染色、柔软保暖的性能特点，因此由它制成的棉纺织品吸湿性良好、光泽柔和、手感柔软，受到消费者的广泛青睐[1]。而对于我国庞大的纺织工业，棉花的需求量较大。近年来，国内外棉价差异明显、价格波动幅度较大，我国愈加依赖进口棉花资源。严峻的经济形势和资源压力，使开发新型可替代棉纤的纤维原料诉求日益强烈。开发仿棉聚酯纤维，使聚酯纤维具备较高的附加值和良好的服用性能[2]，为缓解国内棉花资源压力提供了可行的技术方法。聚酯纤维（PET纤维）的商品名为涤纶，目前我国已经成为涤纶生产和消费的第一大国。聚酯产业大规模的快速发展，为合成纤维及其相关产品的开发和应用提供了重要机遇，促进了棉纺织行业开发和推广仿棉纤维及其制品的进程，巨大的市场空间使仿棉产品应运而生。仿棉PET纤维及其纺织品的研发，可引导PET纤维向新的功能化、差别化方向发展，使棉和其它类合成纤维相互组合，形成新一代纺织产品，不仅适合纺织市场的发展需求，达到更高的性价比，而且能降低产品综合成本。对于聚酯仿棉，其产品要同时具备棉纤和涤纶的优良特性，将“仿棉似于棉，仿棉胜过棉”作为目标，以达到在特定领域可以部分乃至全部代替棉纤维。通常早期的涤纶仿棉产品是将涤纶短纤作为原料，利用短纤维的特点来仿制棉纤的毛感，在外观上呈现出一定的蓬松性和柔软性。在化纤行业合成和纺丝技术的持续发展下，采用复合化、细旦化、纳米技术等多种手段对PET纤维原料进行处理，使纤维的特性发生相应的改变，经过聚合、纺丝、织造等生产工序，各种新型功能性PET纤维被开发出来[34]。因此，仿棉PET纤维一方面要具备天然棉纤维的某些优良特性，如棉的色泽、良好的吸湿保暖性、手感柔软等，另一方面又要保留涤纶耐磨、耐高温、悬垂性、速干等自身的优良特性。此外，开发PET纤维的附加功能也受到了重视，通过加入有机的或无机的添加剂制得功能性材料，其所含纤维自身具备抗菌消臭、抗静电、远红外、防紫外线等性能，提升了面料的健康舒适性，满足了消费者的不同需求。仿棉PET纤维在外观、性能、功能等方面可达到甚至超越棉纤维和涤纶纤维[5]。目前，国内外对PET纤维改性的研究主要是集中改善PET纤维的某一特定性能上，且用物理方法对其改性的偏多，但是运用共聚方法从分子链的化学结构上对PET纤维进行改性，对其结构和性能进行综合分析，且在亲水性、染色性、手感和光泽等多种性能上进行综合仿棉的研究很少。因此，本文在总结已有研究成果的基础上，重点从分子链的化学结构上对PET纤维改性，对其结构和性能进行详尽研究，为最终制备综合性能优良的仿棉PET纤维产品进行探索。

1 仿棉材料的改性研究

1.1 棉纤维的结构与性能

棉纤维有天然的扭转，即“转曲”，其截面常态呈现为不规则腰圆形，有中腔结构，棉纤维横截面如图1所示。棉纤维的主要组成成分为纤维素，约占94%～95%，在纤维素大分子中含有多个对水分子有亲和力的羟基基团，吸湿能力较高，公定回潮率为8.5%，回潮率最高限度可达10%左右。目前，我国最主要的棉花品种是细绒棉，细绒棉长25～35 mm，细1.5～2.0 dtex，断裂伸长率3%～7%左右，断裂强度20～25 cN/tex，初始模量0.27～0.62 N/dtex[6]。纤维细长柔软，吸湿性好，易染色，耐强碱。但棉纤维及其制品具有弹性差、弹性恢复性差、抗皱性差、易发霉、不耐酸蚀等缺点。细绒棉如图2所示。

1.2 聚酯纤维的结构与性能

PET纤维是由对苯二甲酸（PTA）和乙二醇（EG）脱水缩聚后生成的聚对苯二甲酸乙二酯，PET纤维分子链的化学结构如图3所示。由PET纤维的分子组成来看，它包括端醇羟基、苯环、酯基、短脂肪烃链。其中，短脂肪族烃链使涤纶分子具有一定的柔曲性，不能内旋转的苯环使其具有一定的刚性，因此涤纶大分子是典型的刚柔并济，且以刚性为主;大分子链中缺乏亲染色基团和亲水性基团，因此纤维的吸湿性低，公定回潮率只有0.4%，且染色性能差。常规涤纶短纤的截面呈正无限多边形，纤维表面光滑，纤维断裂伸长率在

20%～30%左右，断裂强度约为50 cN/tex，初始模量为1.1 N/dtex[7]。PET纤维是目前合成纤维的首要品种，该纤维及其制品具有强度高、回弹性适中、耐磨、耐腐蚀、耐热性高、洗可穿等优点，但也有染色性差、吸湿性差、不抗静电、易起球等明显缺点。

1.3 聚酯仿棉的方法

目前，国内外仿棉技术已有多种方法，可归纳为化学改性和物理改性。化学改性是通过化学方法（如共聚、接枝等）改变聚纤的大分子链结构，则其化学性能等得以改善;物理改性是采用物理方法（如共混、截面异形化等）使纤维的形态（如截面的形状、纤维的细度、卷曲度等）和聚集态结构（如结晶度、取向度等）改变，则纤维性能改善[8]。

1.3.1 化学改性的基本手段

1） 分子结构改性。在聚酯切片合成的过程中，引入改性单体。常用方法有嵌段聚合、交替共聚、无规共聚等。其效果是分子结构上发生根本改性，获得持久的改性效果，但纤维会失去原来部分优良性能。

2） 接枝改性。在一定外部条件激发下，聚合物表面通过支链形式引入改性单体。常用方法有化学接枝法和辐射接枝法，常用含亲水性基团的化合物作接枝单体。辐射法可用γ射线、紫外线等诱导接枝。其效果是分子结构上发生根本改性，获得持久的改性效果，但纤维会失去原部分优良性能。

3） 表面改性。可在纤维或织物表面进行，即将一层改性的化合物加在其表面。常用方法有碱减量处理法、表面活性剂处理、等离子体处理等。其工艺简单，具有明显的改性效果，其缺点是耐洗涤性差，改性效果不太持久。

化学改性的实质是在PTA与EG缩聚时加入其他单体进行聚合反应，使聚酯大分子的结构和组分发生改变，通过分子间的化学反应达到纤维改性目的[9]。涤纶改性常用化学方法，由此得到的改性纤维性能优良，效果持久。

1.3.2 物理改性的基本手段

1） 復合改性。在纺丝时进行多组份复合，两种或以上性质的纺丝熔体，经过特殊结构的纺丝装置，制得的每根纤维中均含有两种或以上的性质成分，通常有海岛型和芯鞘型等，纺丝成型过程较麻烦，要求复合组份间的相容性较好。

2） 共混改性。软化或熔融状态下，均匀混合聚酯高聚物和改性组份，然后采用挤压等物理方法，使其成型。常见的异形截面形状有十字形、三角形、三叶形、星形、W形和异形中空等。操作简单易行，但共混时要保证均匀，共混物质的熔融条件应相近。

3） 纤维截面异形化。通过调整纺丝工艺参数，改变喷丝孔的形状，制备出多种非圆形截面纤维。常见的异形截面形状有十字形、三角形、三叶形、星形、W形和异形中空等。特殊截面形态可使纤维表面呈现大量沟槽，利用芯吸效应可提高吸湿性，也可改善透气性、抗起毛起球性等。而多孔中空、三叶变形中空、四管状等截面形态模拟了棉纤中腔结构，进一步提高吸湿性能。

4） 纤维表面粗糙化。纤维表面被特殊试剂处理，表面光滑度降低、粗糙度增大。比表面积增加，吸附性能提高，多应用于亲水性和吸附性的提高。显著改善纤维的吸湿性，纤维的观感和手感似棉胜棉。

2 仿棉聚酯纤维的性能研究

2.1 吸湿性能的研究

织物的湿传递性能关系到织物的吸湿排汗特性。吸湿性是指织物吸收气态水的能力，纤维材料的化学组成和结构会对其产生影响。液态水分润湿在纤维表面，由纤维内部吸收保持。纤维的亲水性能包括吸湿和吸水两方面[1011]。人体着装状态时产生的汗液，经织物传导至外界，以气态和液态形式完成，一种形式是液态水与织物能够直接接触，通过纱线和纤维结构中毛细管的毛细作用，从织物内表面传递至织物外表面;另一种形式是人体汗液在皮肤表面蒸发出水汽，皮肤与织物内表面的水蒸气压力大于周围环境中水蒸气压力时，气态水通过纱线间和纤维间的空隙从高压一面向低压一面扩散[12]。

提高PET纤维亲水性能的方法如下：

1） 添加含亲水基团（如羟基）的单体，在聚合过程中进行共聚，控制反应率。

2） 将醚键类基团引入纤维大分子链上，进行亲水接枝改性，则其吸湿快干性能提高，同时易去污和抗静电效果优异。

3） 采用低聚体聚乙二醇进行共聚，使纤维表面获得永久的亲水化，同时具备一定程度的抗静电性[1315]。

改善其吸湿速率的方法主要有截面异形化、细旦化或超细旦化和中空化。截面异形化是在纺丝时改变喷丝板形状，纺纤维的截面呈现出异形，某些会使纤维表面形成沟槽，利于吸湿导湿，吸湿速度加快;细旦化或超细旦化是采用细旦、超细旦丝使纤维比表面积增加，芯吸速率提高;中空化，即将仿棉PET纤维做成中空状结构[1617]。以上方法使PET纤维发生表面状态的改变，纤维及其织物的芯吸效应明显改善，导湿性能提高。仿棉PET纤维的异型横截面如图4所示。

2.2 染色性能研究

通常纤维经过一系列加工工序制成织物后，需要对其进行染色。棉纤维的分子链段较为柔软，染料分子易于进入，且分子结构中含有大量的羟基，容易结合染料分子，故棉纤维的染色性能较好。而PET纤维的分子链段以刚性为主，染料分子进入较难，分子结构中含有极少数量的羟基，更缺乏亲染料基团，故其染色性能较差[18]。改善染色性一般采用如下3种方式：

1） 在纤维大分子链的适当位置引入亲染料基团的单体进行共聚，如磺酸盐等，利用磺酸基团结合染料分子，从而改善纤维的可染性。

2） 直接将着色剂添加进聚合物熔体中，使着色剂能够在纤维中永久存在，并在纤维内均匀分布。

3） 通过引入柔性链段和亲水基团，PET纤维分子结构的规则性被破坏，结晶度降低，纤维的染色性能有所提高。在不同染色时间、不同染色温度下，仿棉PET纤维结合染料的能力不同。例如染色温度为变量时，将纤维染色60 min，当温度由70 ℃升至100 ℃时，仿棉PET纤维的染料上染率快速增加，可达90%以上，当温度超过100 ℃后，继续提高染色温度，染料上染率几乎不再增加，对于聚酯短纤材料，温度达到90 ℃后才开始上色，到120 ℃后上染率才能达到90%以上。

2.3 外观性能研究

1） 手感。棉纤维横截面为不规则的腰圆形，有中腔结构，纤维纵向呈扁平带状，有螺旋形的扭曲，即为“天然转曲”，是在棉纤维生长过程中自然形成，且棉纤维的模量小，这些特性使其具有蓬松柔软的手感。而PET纤维中含有苯环，不能内旋，分子链段刚性较大，因此手感发硬。对纤维的横截面、分子链段和纤维模量进行调控，使仿棉PET纤维表面获得类似棉纤维的手感和蓬松性，PTA与EG聚合过程中，将柔性链段引入PET纤维分子链段，减弱其刚性，改善手感;在纺丝阶段，改变喷丝板形状，通过使用U形、十字、中空等制得异形纤维，使其手感接近于棉纤维[19];采用空气网络变化的方式，长丝被吹成相互缠连的凹凸状态，呈现出卷曲膨松、稍显弯曲立体;调节原料的混合比例，将种类、收缩比各异的仿棉涤纶原料合理组合后进行染整处理，纤维以不同比例收缩，则会呈现出一定的毛感效果;对涤纶织物表面进行磨毛处理，织物的外观风格发生改变，在织物表面产生细密短小的绒毛，更接近于棉织物的蓬松手感。

2） 光泽性能。棉纤维光泽柔和，而PET纤维光泽度高。通过改性技术对PET纤维的光泽进行调控，达到近似棉纤的自然光泽效果，观感似棉。影响纤维光泽的因素主要有纤维横截面形状、纤维表面状态、纤维内部结构等。目前，减弱PET纤维光泽的常用方法主要有添加无机消光剂材料使其均匀消光。通过在聚合过程中添加无机粒子，作用于分子的取向度和结晶度，即破坏内部分子结构的规整程度，削弱纤维反射光，纤维表面光泽减弱。此外，无机粒子的用量应根据实际生产情况来控制调整，避免破坏熔体的可纺性，保证纤维在后加工时具有良好性能。采用添加无机粒子方法，诸如在聚合过程中添加TiO2母粒，使其均匀分布于纤维内，改善纤维光泽。另外可添加呈液态的纳米级TiO2，这适用于超细纤维的全消光聚酯产品。将纤维材料细旦或超细旦化，表面漫反射的能力得到提高，纤维表面呈现柔和光泽[20]。

2.4 功能性研究

功能性是指加入添加剂（有机或无机），使纤维本身具备防紫外线、远红外、抗菌等性能。可采用将添加剂与反应单体一起纺丝或产品后整理的方法实现，以提高PET纤维的附加功能[21]。其中，防紫外线PET纤维制成的织物可以将辐射到人体的紫外线屏蔽掉，保护人体不受伤害。将聚酯和紫外线屏蔽剂进行皮芯复合纺丝或共混纺丝来制备防紫外线PET纤维。在该种纤维研发方面，日本的可乐丽公司处于领先地位，其产品的紫外线屏蔽剂为氧化锌[22]。远红外PET纤维具有将吸收到的人体自身体热或者外界能量再次辐射给人体的效能，有利于新陈代谢，可促进血液循环。一般可通过3种技术生产，即在纺丝过程中，加入远红外辐射物质;在聚合过程中，加入远红外辐射物质;聚酯和远红外母粒进行复合纺丝。远红外PET纤维目前被广泛应用于一系列保健产品中[23]。抗菌除臭纤维能够抑制细菌的产生，同时加速分解恶臭物质。广泛应用在毛巾、鞋垫、袜子及长期卧床人群的用品上。抗菌剂种类繁多，目前常添加在PET纤维中的种类主要有含Zn、Ag等离子的陶瓷微粉末和泡沸石，日本多家公司包括钟纺、帝人、东丽在内均有该种产品。此外，日本生产出的AUSR纤维具有良好的抗菌除臭性，它以海底火山喷发出的3种天然矿石为原料，将其超微粒化并混入聚酯中进行纺丝制得[24]。为提高抗起毛起球性，纺丝时可采用低聚合度的聚酯，为提高抗静电性能，在聚合过程中可添加具备抗静电性能的单体[25]。

3 应用领域

仿棉PET纤维开发前景广阔，符合市场需求。仿棉PET纤维广泛应用于棉织、毛织、针织、家纺织物生产加工中，涵盖了织造的多类产品，如各类混纺织物、牛仔织物、色织物等[2627]。其中，家纺床上用品与皮肤的接触较多，故可将涤纶仿棉吸湿排汗纱线作为织物原料，制品的吸湿速率快，舒适性良好，外观具有棉型感。其次，仿棉涤纶长丝也普遍用于经编运动面料，该产品在运动服中一般有3类，即运动面料的里布（全是经编网眼布），春夏季运动面料（有经编网眼布和平布两种，网眼布多用于背心、篮球服等）和秋季运动面料（以绒布为主）。

南京东华纤维公司对PET纤维改性，得到轻柔蓬松、亲肤性良好的Porel纤维，其纺制的纱线可用于贴身穿着织物或毛巾织物，其吸湿速干和柔软性均优于全棉毛巾。再者是功能性產品的开发，进一步提高了涤纶纤维的附加性能，普遍应用在医学、生物学、卫生学等领域[28]，如免烫仿棉聚酯衬衣、防紫外线PET纤维制品、远红外PET纤维服装、抗菌防臭聚酯制品。另外，在产业用领域中，开发具有绿色环保、可降解类聚酯产品安全性能的产品，可极大降低对环境的破坏和污染，而且仿棉聚酯纤维吸湿性较好，可以用于高档内衣和运动衣等制作中;仿棉聚酯纤维具有较好的吸湿排汗功能，可应用于衬衣和运动服等制作中;仿棉聚酯纤维有较好的手感和舒适性，可应用于牛仔、时装、休闲服、西裤等行业。

4 结束语

本文对仿棉PET纤维及其制品的制备、改性、结构、性能、应用进行了综合研究。通过化学方法和物理方法对PET改性后，仿棉PET纤维的染色性能得到明显改善;仿棉PET纤维的吸湿性能、导湿性能、回潮率得到明显提升;仿棉PET纤维在外观性能方面得到明显改善，纤维呈现棉型感和蓬松性，手感似棉，光泽观感似棉;仿棉PET纤维的抗静电性能明显提高。另外，利用改性的仿棉PET纤维制备的仿棉织物，其导湿性、透气性、抗皱性均优于纯棉织物，其亲水性比普通的没有改性的PET织物有明显提高。本文对仿棉聚酯纤维及其仿棉产品的研究和探索，提高了产品的附加值，拓展了应用领域。该研究对后续新型仿棉聚酯产品的研发乃至产业化提供了理论参考。

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Development and Research of the CottonLike Polyester Fibers and its Products

ZHAO Minglianga，b，c， NING Xina，b，c， XING Mingjiea，b，c

（a. College of Textiles & Clothing; b. Shandong Center for Engineered Nonwovens; c. Industrial Research Institute of Nonwovens & Technical Textiles， Qingdao University， Qingdao 266071， China）

Abstract：  Cotton price is high in China， and the contradiction between supply and demand is prominent. But polyester is overcapacity， and its added value is low. It is very necessary to develop imitation cotton fiber and its products. In this paper， polyester fiber was modified by technical means. Chemical methods were used to modify the PET from the chemical structure of the molecular chains， and structure and properties were comprehensively analyzed. It is found that adding monomers containing many hydrophilic groups （such as hydroxyl groups） can improve the hydrophilicity of polyester fibers in the polymerization process. It is found that monomers with dyefriendly groups （such as sulfonate） are introduced into the proper position of the fiber macromolecular chain to copolymerize. Sulfonic acid groups are used to bind dye molecules. It can improve the dyeability of the fibers. The results show that the flexible segment is introduced into the PET molecular segment during the polymerization of PTA and EG， which can improve the fiber handle. It is found that adding functional components in spinning process can improve the function of fibers. By analyzing the four properties （moisture absorption， dyeing， appearance and function） of imitation cotton polyester fiber， the understanding of the relationship between fiber structure and performance is deepened. The results show that the modified polyester fiber has better wettability and permeability than that of pure cotton fabric， and its antistatic property is excellent. Drape， wrinkle resistance， dimensional stability and other aspects have been improved significantly.

Key words： cottonlike polyester fiber; structure and property; modified fiber; application field