樊家良,杨从登,费长书,汪 涛,*,张同华,冉瑞龙

(1.西南大学 蚕桑纺织与生物质科学学院,重庆400715;2.华峰重庆氨纶有限公司,重庆408017)

氨纶纤维具有优异的超弹性,主要表现为低强高伸。故氨纶丝常与短纤维或者长丝混纺制成包芯纱或包覆丝[1-2],以利用其优异的弹性。由这些纱线制得的面料既具有良好的拉伸强度,又具有大的弹性伸长,能获得良好的穿着体验。例如,市面上的棉袜主要使用棉/氨纶包芯纱,女士丝袜主要是锦纶/氨纶包覆丝的针织品,还有许多运动型面料使用涤纶/氨纶复合丝[3]。这些面料在生产过程中经常会遭受高温作用,如高温染色、热定型处理等[4-5]。热定型的机理是在高温条件下使聚合物分子结构重排,消除内应力,达到能量更低的稳定状态,从而提升纤维及其织物的尺寸热稳定性。以涤纶/氨纶复合丝为例,为了提高涤纶丝的尺寸稳定性以及改善布面平整度,需要在180～200℃温度下进行热定型。然而,氨纶纤维对热的耐受性较差,在高温下处理一定时间会出现弹性性能恶化[6]。因此,有必要对氨纶纤维的热定型进行研究,为其产品工艺方案提供参考依据。

1 试验部分

1.1 试验材料

氨纶丝(线密度3.85 tex),由华峰重庆氨纶有限公司提供。

1.2 热定型处理

取2 m长氨纶丝若干,分别以原长(伸长率0%)、伸长率150%缠绕在50 mm×150 mm的金属框架上。然后放入180℃电热干燥箱内热定型一定时间,取出备用。

1.3 差示扫描量热(DSC)测试

将氨纶丝样品剪碎成粉末状,取5 mg左右粉末置于氧化铝坩埚,采用Q20 DSC(美国TA)进行测试。温度区间25～350℃,升温速率10℃/min,氮气流速25 ml/min。

1.4 XRD测试

将氨纶丝样品剪碎成粉末状,采用X’Pert3 Powder(荷兰PANalytical)对粉末的结晶度进行测试,扫描角度5°～55°,扫描速度2°/min。

1.5 红外光谱(FTIR)测试

采用TENSOR 27红外光谱仪(德国Br uker)进行测试,波束范围为500～4 000 c m-1,扫描次数为32次,分辨率为4 c m-1。

1.6 力学性能测试

将氨纶丝伸直置于剪好的纸框中间(内框长50 mm,宽10 mm),用双面胶固定好,每组样品重复数为10个。采用AGS-X万能材料试验机(日本岛津)进行测试,传感器量程5 N,隔距50 mm,加载(卸载)速率500 mm/min。

2 结果与分析

2.1 氨纶纤维的热性质

聚氨酯大分子由软段和硬段组成,软段是柔性链低聚物多元醇,硬段是刚性的二异氰酸酯。聚氨酯分子的特殊结构使得其具有较复杂的热学性质。软段具有极低的玻璃化转变温度Tg(-40℃左右),且熔融温度仅20℃左右,硬段的Tg一般在40～100℃之间[7],故聚氨酯分子的耐热性较差。对于氨纶纤维而言,其聚氨酯大分子会进一步发生交联,以改善力学性能。同时,氨纶纤维的热性质也得到改善。由未热定型氨纶纤维的DSC曲线(图1)可以看出,92℃吸热峰对应硬段的Tg温度,202℃的弱吸收峰为硬段的熔融峰[8],273℃的强吸收峰对应硬段分解温度,309℃则对应软段多元醇的分解温度。经热定型处理后,氨纶纤维硬段的分解温度比原来提高5℃,而软段的分解温度下降了3℃。可见,180℃热定型对聚氨酯硬段和软段的影响有所不同。分析认为,热定型使聚氨酯分子结构重排,硬段排列更加规整,内部氢键作用更强,而软段更加无规,软硬段的热力学不相容性进一步提升,改善微相分离程度。由此看出,180℃热定型较短时间并不会对氨纶纤维造成破坏。

图1 氨纶纤维的DSC曲线图

2.2 热定型对氨纶纤维结构的影响

氨纶纤维的红外光谱如图2所示。高波数区3 444.4和3 337.7 c m-1的吸收峰分别为自由-NH和氢键作用的-NH的伸缩振动峰[9],2 934.1和2 850.6 c m-1分别为-CH2和-CH3的伸缩振动峰,1 591.5 c m-1附近为酰胺基上C=O和C-N的伸缩振动峰,1 092.4 c m-1处为C-O-C醚键的伸缩振动峰。由图2可知,热定型1 min后(曲线b),自由-NH吸收峰明显增强,氢键作用的-NH的峰强相对减弱,说明部分软硬段间的氢键断裂,软硬段微相分离增大。而延长热定型时间至2 min(曲线c),自由-NH的峰强显著减弱,氢键作用-NH的峰强明显增大,说明自由-NH又开始形成新的更多的氢键,这会导致纤维刚性增大。热定型后没有新的特征峰出现,表明氨纶纤维分子基团并没有变化,也说明180℃热定型处理较短时间对氨纶纤维分子结构影响不大。

图2 氨纶纤维的FTIR曲线图

180℃热定型对氨纶纤维外观结构不会有影响,但对聚氨酯大分子的微观结构会有一定影响。由DSC和FTIR分析已知,180℃处理较短时间不会造成聚氨酯大分子断裂,但分子热运动会加剧,分子间作用力重构,分子结构重排,形成能量更低的稳定态。由XRD测试结果(图3)可以看出,热定型处理前后氨纶纤维的曲线形态基本一致,说明热定型处理并没有改变纤维的晶相结构。在20°处的宽峰表明氨纶纤维的结晶度低。氨纶纤维的结晶主要来自氨基甲酸酯硬段相,软硬段相的交替结构也会使得部分硬段相“溶”于软段相,从而导致硬段相结晶结构减少。软段结晶取决于软段分子量,一般分子量2 000以上的软段能形成一定结晶,而聚氨酯分子间交联作用会阻碍软段结晶,高交联密度的聚氨酯分子甚至不会形成软段结晶。因此,氨纶纤维的结晶度比较低,而180℃热定型并不会导致纤维晶相结构改变,但是会影响微相分离结构变化。

图3 氨纶纤维的XRD图

2.3 热定型对氨纶纤维力学性能的影响

热定型处理要避免对氨纶纤维产生损伤,造成纤维强力和弹性性能下降。因此,对氨纶丝热定型处理前后的拉伸力学性能进行测试(图4)。氨纶原丝的断裂强力为45.6 c N左右,断裂伸长率达到600%以上(曲线a)。将氨纶丝直接在180℃加热定型1 min后,氨纶丝的断裂强力和伸长率都有一定提升,特别是断裂伸长率增大到了700%(曲线b),说明纤维中聚氨酯分子的柔性增加。如果延长热定型时间至2 min,氨纶丝的断裂强度仍与原丝保持一致,但断裂伸长有明显下降(曲线c),说明纤维刚性增大。这可能由于氨纶纤维中水分丢失,聚氨酯分子与水分子氢键断裂,聚氨酯分子间形成更多氢键有关。氨纶纤维伸长150%后热定型不同时间都会造成力学性能严重下降,表现为强度和断裂伸长较原丝均下降了30%以上(曲线d、e)。在拉伸状态下,聚氨酯分子趋于伸直排列,分子间形成更多氢键并固定下来,导致部分弹性损失,因此氨纶纤维在相对低的伸长率(400%～500%)下发生断裂破坏。

图4 氨纶纤维的拉伸强度-位移曲线

氨纶纤维在反复大变形条件下会出现弹性下降现象,主要是发生了应力松弛。氨纶纤维在定伸长300%下的循环拉伸曲线如图5所示。由图5a可以看出,氨纶原丝经5次拉伸变形后的强力损失随着形变增大而逐渐增加,在伸长200%(位移100 mm)后趋于稳定。氨纶原丝300%强力由原来的10.3 c N下降到8.5 c N,弹力损失17.5%。经180℃热定型处理后,氨纶纤维的300%强力下降明显(图5b、图5c)。与氨纶原丝相比,热定型1 min和2 min后,300%强力分别下降33%和45%。但是,热定型氨纶的模量(初始斜率)明显增大了,说明氨纶纤维的刚性增加,聚氨酯分子形成了更多的分子间作用力。循环拉伸5次后,热定型氨纶纤维的强力损失随变形增大更为显著,说明热定型产生的结构并不稳定,在多次大变形作用下,这些结构会发生相对永久滑移[10]。可见,氨纶纤维的热定型对其耐疲劳性没有增益效果。但对涤/氨织物来说,热定型主要是改善涤纶纤维的尺寸稳定性和布面平整性,只要热定型对氨纶纤维没有损伤,氨纶纤维仍能发挥其良好的弹性功能,那么热定型处理就是可行的。

图5 氨纶纤维在300%伸长率下的循环拉伸曲线

3 结论

(1)氨纶纤维热定型温度选择180℃,不会破坏纤维的晶相结构。随着时间延长,聚氨酯大分子间氢键先减少后增加,软硬段微相分离程度有一定改善。

(2)氨纶纤维不宜在大牵伸倍数下热定型。较大伸长的氨纶纤维热定型后断裂强力和伸长率均有明显下降。另外,热定型对氨纶纤维的耐疲劳性没有增益效果。

(3)涤/氨织物热定型主要是解决涤纶纤维尺寸稳定性和布面平整性问题,180℃热定型较短时间对氨纶纤维影响不大,180℃热定型可以达到目的。