仿棉聚酯纤维及其制品的开发与研究

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摘要：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

　　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

　　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。

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