周方颖, 张一心(1.西安交通大学 材料学院, 西安 710049; 2.江阴职业技术学院 化学纺织工程系, 江苏 江阴 214405;.西安工程大学 纺织与材料学院, 西安 710048)

研究与技术

碱、双氧水及热处理对氨纶丝力学性能的影响

周方颖1,2, 张一心3(1.西安交通大学 材料学院, 西安 710049; 2.江阴职业技术学院 化学纺织工程系, 江苏 江阴 214405;3.西安工程大学 纺织与材料学院, 西安 710048)

采用碱处理、双氧水处理、热处理三种方式对氨纶丝进行处理，并对处理前后的氨纶丝分别进行拉伸断裂性能、重复拉伸性能、应力松弛性能测试。结果表明，试验条件下的碱处理、双氧水处理和热处理不会破坏氨纶丝内部结构，但是经过湿热处理会使氨纶丝的应力松弛指标发生变化，宏观表现为柔软性和保形性的改变。因此，在对氨纶丝及其制品进行相应的染整加工时，应注重力学性能变化带来的产品服用性能的变化。

氨纶丝; 力学性能; 碱处理; 双氧水处理; 热处理

良好的弹性性能是氨纶的显著特征，因此氨纶成为生产优质弹性织物的重要纺织原料之一。但据有关资料报道，氨纶丝优异的拉伸及回复性能会受到温度、化学作用和作用方式的影响[1]。对此，结合对氨纶丝使用较为广泛的包芯纱、包覆纱的染整加工工艺，选择碱处理、双氧水处理、热处理几种方式对氨纶丝进行处理，并对处理前后的氨纶丝进行拉伸断裂性能、重复拉伸性能、应力松弛性能的测试，以分析不同的处理方式对氨纶丝弹性力学性能的影响。

1 试 验

1.1 材 料

试样：采用33.3 dtex的氨纶丝(江苏双良氨纶有限公司)，在实验室条件下平衡24 h。从每个卷装上以至少2 m的间隔等量剪取，试样长约1.25 m，制成试验样本。

药品：NaOH(分析纯，市售)，H2O2(分析纯，H2O2含量30.0%，市售)。

仪器：HD009N电子单丝强力仪及配套电脑(南通宏大实验仪器有限公司)，KASEN汽蒸定形机(广东顺德瑞邦机电设备厂)。

1.2 方 案

氨纶及其制品在染整加工过程中，一般会遇到煮练及定形加工，对氨纶丝进行碱处理、双氧水处理及热处理，具体工艺如表1所示[3-4]。

表1 碱处理、双氧水处理及热处理工艺Tab.1 Processing technical of alkali treatment, hydrogen peroxide treatment and heat treatment

1.3 力学性能测试

在HD009N电子单丝强力仪上进行的3项试验中，上下夹持器隔距为50 mm，拉伸速度为500 mm/min，预加张力按照(0.01±0.001) cN/tex设置为0.03 cN。对于重复拉伸试验，定伸长率为300%，重复拉伸次数6次，拉伸停顿时间设置20 s，松弛停顿时间设置20 s；对于应力松弛试验，定伸长率300%，松弛时间3 h[5]。

1.4 指标定义

1.4.1 重复拉伸性能指标

图1为纤维重复拉伸弹性曲线，其中E1为第一次拉伸达到的预加张力点，E2为第一次拉伸达到的定伸长点，E3为最后一次拉伸达到定伸长并松弛一段时间后的终点，E4为最后一次拉伸结束回到的负荷零点，E5为循环结束后达到的预加张力点，L0为氨纶丝的拉伸起点。可获得指标：

图1 纤维重复拉伸弹性曲线Fig.1 Repeated stretch elastic curve of fibre

(1)

(2)

1.4.2 应力松弛性能指标

图2为纤维应力松弛曲线，其中E1为拉伸达到的预加张力点，E2为应力松弛的起点，E3为终点，t0为应力松弛起点对应的时刻，t1为应力松弛终点对应的时刻。可获得指标：

定伸长负荷/N=E2

(3)

应力松弛/N=E2-E3

(4)

(5)

图2 纤维应力松弛曲线Fig.2 Stress relaxation curve for fibre

2 结果与讨论

2.1 试验结果

对33.3 dtex氨纶丝试样分别按照表1的工艺进行碱处理、双氧水处理和热处理，每种处理方式测试9个试样，共27个试样，并对处理前后的试样在HD009N电子单丝强力仪上分别完成拉伸断裂强力、重复拉伸、应力松弛测试。

处理前试样的断裂强力为49.20 cN，断裂伸长率为564.16%，弹性回复率93.29%，塑性变形率为20.20%，应力松弛的定伸长负荷为12.33 cN，应力松弛率为63.83%。处理后试样的断裂强力及拉伸率、重复拉伸指标、应力松弛指标的测试结果分别见表2、表3和表4。

表2 处理后氨纶丝断裂强力及伸长率Tab.2 Breaking strength and rate of elongation of treated polyurethane filament

表3 处理后氨纶丝重复拉伸测试指标Tab.3 Test values of cycle extension of treated polyurethane filament

表4 处理后氨纶丝应力松弛测试指标Tab.4 Test values of stress relaxation of treated polyurethane filament

从表2的结果看出，氨纶丝经过碱、双氧水及热处理后，断裂强力几乎没有变化，但是断裂伸长率却出现差异——热处理后该指标下降，而经碱及双氧水处理后有了明显的提高。

从表3可以看出，经过3种方式处理后，重复拉伸指标基本没有发生变化。

从表4的应力松弛情况看，经过碱、双氧水及热定形的处理后，氨纶丝的定伸长负荷，即氨纶丝在最初的拉伸应力明显降低；同时，应力松弛率也较处理前有了一定程度的降低。

2.2 分析讨论

氨纶丝的断裂强力和重复拉伸性能的两项指标变化最小，表明经过表1所示的碱处理、双氧水处理及热处理，没有破坏氨纶丝的大分子结构，其软硬链段的比例、结合方式与未处理前相比没有变化。因此，氨纶丝的断裂强力、重复拉伸性能几乎没有受到什么影响，氨纶丝依然保持良好的拉伸回复性能。

2.2.1 碱处理及双氧水处理作用分析

氨纶丝经过3种工艺处理后，其大分子结构并没有发生改变，说明碱处理及双氧水处理中的碱及弱酸未对分子结构造成破坏。因此，3种处理方式可以统一理解为在湿热条件下对氨纶丝的处理。

由于3种处理工艺的差异，导致表2、表4中氨纶丝断裂伸长率及应力松弛指标变化，其中，经过碱处理和双氧水处理的氨纶丝，氨纶丝的断裂伸长率有所增加，而热处理后的断裂伸长率总体有所降低；经过3种方式的处理，氨纶丝的应力值、应力松弛率均有所降低。在碱处理及双氧水处理中，由于处理时间长达几十分钟，因此氨纶丝大分子在分子热运动过程中，应力松弛作用进行较为充分，使大分子寻找到应力较低点，并建立新的平衡。在这个过程中，大分子没有被破坏，但结构得到调整，内部折叠链增加，引起纤维收缩[6]，如图3所示。在图3(a)中，大分子基本呈伸直状态，中间也有一些折叠链；经过充分的湿热处理，图3(b)中大分子中的折叠链数量明显增加。

图3 氨纶结构变化模型Fig.3 Model of structure change of polyurethane filament

经过碱处理和双氧水处理的氨纶丝，大分子内部新增了一些折叠链。在拉伸断裂过程中，氨纶丝内部应力作用强度快速增加，这种作用方式可以将大分子折叠链拉伸并至断裂，因此，氨纶丝的断裂伸长率明显增加。其中，试验中采用的碱处理方式获得的效果更为明显一些。

表4的结果表明，经过碱、双氧水处理后，氨纶丝的定伸长负荷降低，表明氨纶丝在被拉伸到同样的300%定伸长时，处理后的氨纶丝变得容易被拉伸，刚性较处理前有明显降低，氨纶丝表现出比较柔软的性能。同时，应力松弛率也较处理前有了一定程度的降低，表明此时氨纶丝内部大分子处在一种应力较低的状态，可以释放应力的大分子数量减少，应力释放的能力下降。因此，大分子活动较少，使氨纶丝保形性较处理之前有了明显的提高。

上述分析表明，试验条件下的碱处理及双氧水处理没有对氨纶丝造成分子结构的破坏，但在湿热条件下的处理可以使氨纶丝大分子由于热运动，使应力松弛并产生链的折叠，从而使氨纶丝的弹性力学性能发生一定变化，氨纶丝及其制品的柔软性更好，同时又具有良好的保形性。

2.2.2 热处理作用分析

试验中，热处理是将氨纶丝放置在汽蒸定形机中，分别进行温度为160、180、200 ℃，时间为30、60、90 s的处理过程。表4热处理中160 ℃和180 ℃的数据表明，虽然作用时间只有几十秒，但在这个过程中，大分子通过热运动的方式，大分子链沿纤维轴向进行伸展，应力得到较好的松弛；而从表2的结果看，断裂伸长率指标甚至低于未处理丝，表明此时大分子的轴向伸展作用占据主导地位，折叠链增加的数量非常少，大分子链被拉伸了。在200 ℃的温度条件下处理氨纶丝，大分子链热运动的效果明显，大分子似乎越过了能量势垒，沿分子轴向有较大程度的伸展，特别是在时间较短的情况下，大分子链快速伸展，但由于氨纶大分子中软硬链段的结构，快速的伸展又会被弹簧结构的软链段拉回，这样，其中的应力刚刚得到松弛释放，很快又被紧张提升。正是这种拉回作用，使氨纶丝大分子结构中产生一定数量的折叠链，因此该温度下氨纶丝的断裂伸长率有了一定的提高。

由此可见，对于氨纶丝，热处理中的温度存在一个“阈值”——超过该值，氨纶丝大分子链表现为：快速热运动沿纤维轴向伸展→受软链段拉力快速返回，这样在较短时间内，反而使纤维内部的应力松弛效果较差。因此，高温、快速热处理的方式反而不利于氨纶丝内部应力的松弛。从试验数据看，这个温度阈值范围应在180 ℃左右。在进行氨纶丝制品的热定形时，应注意控制温度。

相比其他两种处理方式，热处理的温度最高，但处理的时间却非常短，只有几十秒；同时氨纶丝所处环境不同，热处理是在高温干燥环境中进行的，而其他两种处理方式则是在高温水浴或汽蒸的条件下进行的。从测试结果看，热处理由于没有在水浴环境中，处理时间比较短，其定伸长率、应力松弛指标都不及其他两种方式。这是由于水分的介入，破坏大分子的原有结构，反而使大分子的运动阻力减弱，经过一定时间，应力松弛作用充分。因此，高温、短时间的热处理对氨纶丝的应力松弛效果不及较高温度下、较长时间的水浴处理效果。

3 结 论

1)拉伸断裂强力、重复拉伸性能的指标几乎没有变化，表明试验中采用的处理方式没有对氨纶丝内部分子链结构造成破坏。可见，一般的染整加工不会造成氨纶丝内部结构的破坏。

2)碱处理、双氧水处理及热处理后氨纶丝性能上的差异，主要是处理方式和处理时间的差异造成氨纶丝的柔软性、保形性产生差异。

3)热处理后氨纶丝的应力松弛效果不及水浴环境下应力松弛效果；同时，高温、快速热定形的方式不利于氨纶丝及其产品的应力松弛，热定形温度阈值应控制在180 ℃左右。

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[6]高绪珊,吴大诚.纤维应用物理学[M].北京:中国纺织出版社,2001:433-439. GAO Xushan, WU Dacheng. Physical Application Science of Fiber[M]. Beijing: China Textile & Apparel Press,2001:433-439.

Influences of Alkali, Hydrogen Peroxide and Heat Treatment on Mechanical Properties of Polyurethane Filament

ZHOU Fangying1,2, ZHANG Yixin3

(1.School of Materials Science & Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; 2.Chemistry & Textile Engineering Department, Jiangyin Polytechnic College, Jiangyin 214405, China; 3.College of Textiles and Materials, Xi’an Polytechnic University, Xi’an 710048, China)

Alkali treatment, hydrogen peroxide treatment and heat treatment were used to treat polyurethane filament. Besides, tensile breaking property, repeated tensile property and stress relaxation property of the treated polyurethane filament were rested. The results show that under the experimental conditions, alkali treatment, hydrogen peroxide treatment and heat treatment will nit destroy internal structure of polyurethane filament, but stress relaxation index of polyurethane filament after heat-moisture treatment will alter. In other words, flexibility and dimension stability change. Thus, in the process of dyeing and finishing polyurethane filament and the products, the change in product wearability caused by mechanical property change should be focused on.

polyurethane filament; mechanical properties; alkali treatment; hydrogen peroxide treatment; heat treatment

10.3969/j.issn.1001-7003.2014.06.003

2014-03-03

周方颖(1970-)，女，副教授，主要从事纺织生产与质量控制的教学与研究。

TS151.9

A

1001-7003(2014)06-0011-05