王金花

中國(guó)紡織科學(xué)研究院有限公司 北京 100025

1 前言

滌綸的許多物理、化學(xué)性能都優(yōu)于天然纖維，但由于滌綸是疏水性纖維，大分子中缺乏親水基團(tuán)，吸濕性差，導(dǎo)致其易產(chǎn)生靜電、易沾污和染色困難等問(wèn)題，影響了服裝的穿著舒適性。改進(jìn)滌綸織物的吸濕性能，改善其織物穿著的舒適感受，是滌綸研究中的一個(gè)重要方向。

對(duì)滌綸的改性，主要是通過(guò)化學(xué)改性和物理改性的方法賦予其較高的吸水性和疏水性，以提高滌綸織物穿著的舒適感[1]。為保留滌綸織物的特性，提高其服用舒適性，世界各大化纖公司都相繼開(kāi)發(fā)出了吸濕快干的異形滌綸[2]，使纖維具有溝槽結(jié)構(gòu)，并且在纖維壁上設(shè)計(jì)出許多微孔，這樣水氣就可以順著溝槽和微孔導(dǎo)出。

雖有較多文獻(xiàn)報(bào)道對(duì)織物的吸濕快干性進(jìn)行了研究[3-5]，但針對(duì)纖維的吸濕快干性評(píng)價(jià)報(bào)道較少，本文選取了較為常規(guī)的“+”字形截面異形滌綸纖維，進(jìn)行了吸濕快干性評(píng)價(jià)。通過(guò)對(duì)纖維保水率、失水率和干燥速率的測(cè)定，結(jié)合纖維表面溝槽對(duì)其吸水和排水能力的影響，總結(jié)出影響纖維吸濕快干性的因素。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 材料和試劑

PET切片，中國(guó)石化集團(tuán)洛陽(yáng)石化分公司提供，特性粘數(shù)：0.678 dl/g。工作中使用的試劑均為分析純。

2.2 紡絲和牽伸

在中國(guó)紡織科學(xué)研究院有限公司的單螺桿紡絲機(jī)上進(jìn)行紡絲，噴絲板為“+”字形36孔，紡絲速度3000m/min。英國(guó)萬(wàn)能電子強(qiáng)力機(jī)INSTRON-2340測(cè)試?yán)w維的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能，夾持距離200mm，拉伸速度200mm/min。

2.3 掃描電鏡觀察

用日本JEOL JSM-6360掃描電子顯微鏡（SEM）觀察纖維側(cè)面和橫截面形貌。

2.4 吸濕快干性測(cè)試

2.4.1 保水率測(cè)試

將纖維脫油后干燥并稱(chēng)重，記錄質(zhì)量W，再完全浸入蒸餾水中1h，取出后自然排水2 min，然后裝入底部帶有小孔的離心套管中以2000 r/min的速度離心脫水5min，取出纖維迅速放入天平中稱(chēng)重，記錄質(zhì)量W1，根據(jù)公式（1）計(jì)算纖維保水率。

2.4.2 干燥速率

測(cè)試保水率的纖維不取出天平，直接在托盤(pán)上每隔5min記錄其質(zhì)量的變化，直到纖維重量達(dá)到平衡，并根據(jù)公式（2）算出纖維失水率，然后對(duì)失水時(shí)間作纖維干燥速率曲線，稱(chēng)量過(guò)程中保持天平內(nèi)濕度為75%。

圖1 纖維橫截面和側(cè)面的SEM照片

表1 纖維的力學(xué)性能

表2 三種纖維尺寸參數(shù)和保水率值

3 結(jié)果和討論

3.1 纖維力學(xué)性能

纖維的力學(xué)性能列于表1，A、B、C三種纖維為不同紡絲溫度下的纖維樣品。纖維B的線密度最大，纖維最粗，而A和C線密度接近，纖維較細(xì)，纖維B力學(xué)性能也弱于其他兩種纖維。

3.2 纖維截面和側(cè)面觀察

經(jīng)SEM 觀察纖維截面和側(cè)面，如圖1所示。纖維A截面形狀與B和C有明顯區(qū)別，“十”字形凹槽輪廓不明顯；B 和C 則呈規(guī)則“十”字形，纖維表面的凹槽形狀在圖中也很清晰，B纖維較粗，表面凹槽寬大；C纖維表面凹槽明顯。

3.3 纖維的異形度和比表面積

纖維截面的異形度是指非圓形纖維截面形狀凹凸的尺度，異形度越大表明形狀越曲折。異形度可以用分支度來(lái)表示[6]，圓的分支度為12.6 ，分支度越高說(shuō)明異形度越大，分支度 B 可用式(3)來(lái)計(jì)算。

式中： L 為纖維截面周長(zhǎng)（μm）; S為纖維截面面積（μm2）。

將3種纖維的截面圖形投影到坐標(biāo)紙上[7]，各選出有代表性的3個(gè)，分別計(jì)算其周長(zhǎng)和面積并帶入式（3）進(jìn)行計(jì)算，最后取其平均值作為該種纖維的分支度。并根據(jù)公式（4）計(jì)算纖維比表面積（Sg），所得結(jié)果如表2。

式中： L 為纖維截面周長(zhǎng)（μm）; C為纖維長(zhǎng)度（m）；W 為纖維質(zhì)量（g）。

3.4 纖維吸濕快干性

3.4.1 保水率

三種滌綸保水率列于表2。保水率是單位絕干重量纖維所含有的不能用機(jī)械方法除去的水分，以重量百分率表示，一般對(duì)保水率的測(cè)試方法都采用離心法[8]。

圖2 三種纖維保水率與比表面積的線性關(guān)系曲線

圖4 消除比表面積后纖維干燥速率曲線

圖3 纖維干燥速率曲線

C和A線密度接近，但前者截面呈規(guī)則“十”字形，纖維表面有凹槽，所以截面面積大，異形度大，比表面積最大，所得保水率也最大；B雖表面凹槽輪廓清晰，但因纖維較粗，比表面積最小，所得保水率值最?。欢鳤雖表面凹槽不明顯，但比表面積介于兩者之間，所以保水率也介于兩者之間。將三種纖維的保水率(Y)對(duì)比表面積(X)作圖，兩者呈線性關(guān)系，Origin擬合得相關(guān)系數(shù)為1的曲線，方程如下：

Y = -1.25966 + 0.21072 X - 9.32443 10-4X2

可見(jiàn)對(duì)疏水性纖維而言，纖維紡異形后增大了比表面積，增加了表面的凹槽，使纖維毛細(xì)效應(yīng)增強(qiáng)，從而使纖維的保水率提高。

3.4.2 干燥速率

根據(jù)公式（2）計(jì)算對(duì)應(yīng)時(shí)間的纖維失水率值，對(duì)時(shí)間作圖，得到纖維失水速率曲線如圖3。

由圖3a，在干燥放濕過(guò)程達(dá)到平衡前，C失水率值始終小于其它兩種纖維，可見(jiàn)纖維C能夠吸收和保留水的能力最強(qiáng)。將圖3a中曲線微分，所得纖維的失水速率曲線如圖3b，失水速率曲線可被分為三部分，分別對(duì)應(yīng)圖中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，第Ⅰ部分為0～10min，速率變化快，說(shuō)明此段時(shí)間是纖維表面水的干燥過(guò)程，三者失水速度都很快且接近一致，第Ⅱ部分為10～70min，速率變化明顯趨于緩慢，此段時(shí)間為纖維溝槽中存儲(chǔ)的水的干燥過(guò)程，因?yàn)槔w維為十字形截面，溝槽寬闊，所以溝槽儲(chǔ)存的水相對(duì)較少，三者速率接近，70min后為第Ⅲ部分，此段時(shí)間為纖維間相交或相并部分存儲(chǔ)在溝槽中的水的干燥過(guò)程，與纖維的堆砌程度有關(guān)，在此段時(shí)間C失水最快，而B(niǎo)則最慢。原因?yàn)镃纖維較細(xì)，比表面積最大，所以失水最快，但因其保留的水份最多，所以達(dá)到放濕平衡的時(shí)間最長(zhǎng)，而B(niǎo)纖維較粗，比表面積最小，所以失水最慢，保留的水最少，最先達(dá)到失水平衡，而A則介于兩者之間。

圖5 纖維C離心脫水5min和10min的干燥速率曲線

3.4.3 放濕回歸方程的建立

根據(jù)文獻(xiàn)[9]，纖維吸濕放濕的理論曲線(在平衡過(guò)程中回潮率與時(shí)間的關(guān)系曲線) 為指數(shù)曲線，此處干燥速率曲線同樣適用，失水率對(duì)時(shí)間的回歸方程通式為：

y = a ( 1 - e-bt)

式中a 、b為常數(shù)。

利用Origin 數(shù)學(xué)分析軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行曲線擬合，得其擬合方程：

w = a ( 1 - e-bx)

纖維A為：W =95.61332

( 1- e-0.0240t) R2=0.98104

纖維B為：W =94.71456

( 1- e-0.02851t) R2=0.98489

纖維C為：W =97.05841

( 1- e-0.02014t) R2=0.98452

所得回歸方程與纖維吸、放濕的經(jīng)驗(yàn)方程式[10]W= Wp+(W0+Wp)e-at基本一致，在式中： W 為纖維干燥過(guò)程中任意時(shí)刻t 的保水率(%)；Wp為纖維干燥平衡的保水率(%)；W0為纖維的初始(t=0)保水率(%)；a為干燥系數(shù)。

將圖3a中纖維的保水率除以比表面積，消除比表面積對(duì)纖維失水速度的影響，所得曲線如圖4。

纖維失水速率受纖維的比表面積大小、纖維表面的溝槽形狀和深度[11]、纖維的堆砌程度等共同影響，但纖維的比表面積對(duì)其影響最大。由圖4，消除比表面積的影響以后，纖維干燥速率曲線和圖3有明顯區(qū)別。纖維比表面積相同時(shí)，堆砌程度決定了失水速率，B纖維較粗，所以堆砌程度較小，失水速率越大，最快達(dá)到失水平衡。

3.5 離心脫水時(shí)間的影響

將纖維離心脫水的時(shí)間增加為10min，所得干燥速率曲線如圖5a。離心時(shí)間增長(zhǎng)，使纖維的初始保水率值減小，兩者相差1.13%。將5min曲線的高出1.13%的部分取掉，剩余的部分計(jì)為從零開(kāi)始，如圖5b，可見(jiàn)兩條干燥速率曲線基本相同50min 后接近于重合。所以離心時(shí)間的不同，只改變了纖維的初始保水率值，而對(duì)纖維的干燥過(guò)程幾乎沒(méi)有影響。

4 小結(jié)

1）纖維紡異形后極大地增加了比表面積，而且纖維表面的溝槽提高了芯吸效應(yīng)，使纖維的吸水保水能力提高。

2）比表面積相同時(shí)，纖維的相互堆砌程度越小，干燥速率越大。

3）離心時(shí)間的不同，只改變了纖維的初始保水率值，而對(duì)纖維的干燥過(guò)程幾乎沒(méi)有影響。