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(浙江理工大學(xué)材料與紡織學(xué)院，杭州　310018)

強度大、加工性能優(yōu)異且耐化學(xué)腐蝕的聚酯(PET)纖維在中國的民用纖維市場占有重要地位，在各類服裝面料中均有大量應(yīng)用。近年來隨著人民生活水平的提高，人們對PET纖維織物的舒適性提出了更高的要求，涼爽、吸濕透氣、抗紫外等差別化纖維織物受到市場青睞[1-4]。近期，韓國(株)量子能技術(shù)研究所利用韓國產(chǎn)天然長石類黏土礦物(Osaekhyulto)為原料，制備得到了粒徑在幾十到幾百納米不等的新型架狀硅酸鹽復(fù)合材料，其商品名為量子能粉末?(簡稱QE粉)[5]。QE粉具有抗氧化、吸濕以及紫外吸收和紅外輻射等許多獨特的性能，在新型聚合物材料領(lǐng)域表現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景[6-8]。本文關(guān)注到QE粉具有較強的吸濕性且對紫外光存在一定的吸收，因此將其作為新型改性劑引入到PET纖維中用以開發(fā)兼具吸濕和抗紫外性能的新型多功能聚酯纖維。采用紡牽一步法制備得到PET/QE纖維，研究了QE粉的添加對PET纖維的表面形貌、力學(xué)性能以及吸濕、抗靜電性能的影響，并討論了PET/QE纖維的紫外吸收性能。

1　實　驗

1.1　實驗原料

工業(yè)絲用PET切片(特性黏度0.95 dL/g，上海石化有限公司)；纖維級PET切片(特性黏度0.64 dL/g，浙江恒逸聚合物有限公司)；量子能粉(粒徑為40～200 nm，韓國(株)量子能技術(shù)研究所)。上述原料使用前均在真空度為-0.095 MPa、干燥溫度為105 ℃的條件下干燥12 h。

1.2　PET/QE改性纖維的制備

將干燥的QE粉與工業(yè)絲用PET切片混合均勻，得到QE粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的PET/QE混合料。采用TSE-30A型雙螺桿擠出機對其進行擠出、造粒，得到QE粉改性的PET母粒，共混物熔融溫度為280 ℃，擠出溫度為265 ℃。

在高速紡絲機上，采用紡牽一步法工藝制備PET/QE纖維。熔融、紡絲溫度為288～280 ℃，熱輥溫度為85～160 ℃，牽伸比為1.60倍。紡絲工藝流程：自制母粒與纖維級PET切片的共混熔融→熔體過濾→計量→紡絲細流→拉伸及吹風(fēng)冷卻→初生纖維上油→熱牽伸→卷繞→FDY絲，制得的PET/QE改性纖維所含的QE粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)理論值為0.6%。取部分PET/QE改性纖維在KU482A型染色試驗編織機上搖制襪筒以用于后續(xù)的測試。

1.3　PET/QE改性纖維的測試

1.3.1表面形貌

PET/QE纖維經(jīng)乙醇洗滌除去表面灰塵后用JSM-5610型掃描電子顯微鏡(SEM)對纖維的表面形貌進行觀察，加速電壓為5 kV，放大倍數(shù)為1 500倍；并通過X射線能譜儀(EDS)對改性劑QE粉的成分組成進行分析。采用Leica DMLP型偏光顯微鏡(POM)對纖維截面形貌進行觀察，放大倍數(shù)為500倍。

1.3.2纖度測試

用YG086型縷紗測長儀卷繞100 m PET/QE纖維并用電子天平稱得絞絲質(zhì)量，然后換算成纖維線密度，試樣測試3次并取平均值。纖維預(yù)加張力為0.05 cN/dtex。

1.3.3力學(xué)性能測試

采用XL-2型紗線強伸度儀測試PET/QE纖維的力學(xué)性能，試樣測試10次并取平均值。夾具間距250 mm，預(yù)加張力為0.05 cN/dtex，拉伸速度為250 mm/min。

1.3.4吸濕性能測試

纖維回潮率：將PET/QE纖維在20 ℃，相對濕度65%的環(huán)境下調(diào)濕48 h，稱取一定量纖維記錄質(zhì)量后將其置于105 ℃烘箱內(nèi)干燥；干燥至恒重后再次記錄纖維質(zhì)量，根據(jù)烘前與烘后質(zhì)量計算纖維回潮率。

QE粉的吸濕曲線：稱取一定質(zhì)量QE粉并置于稱量瓶內(nèi)，將其置于105 ℃烘箱內(nèi)干燥；干燥至恒重后置于20 ℃，相對濕度65%的環(huán)境中，每5 min稱量樣品的質(zhì)量并記錄。

纖維的吸濕爬桿曲線：PET/QE纖維經(jīng)長尺卷繞10次后得30 cm的纖維束，給纖維施加適當(dāng)捻度以使纖維抱合后得到測試樣條。將測試?yán)w維懸垂于藍色染料中，每3 min記錄染料的爬升高度。

1.3.5抗靜電性能測試

纖維體積比電阻：采用YG321型纖維比電阻儀對PET/QE纖維的體積比電阻進行測試，試樣測試3次并取平均值。

織物靜電性能：采用YG401型織物感應(yīng)式靜電測試儀對PET/QE改性織物的靜電性能進行測試，測試模式采用定壓法，放電電壓設(shè)置為10 kV，試樣測試3次并取平均值。

1.3.6紫外吸收性能測試

采用UH4150型紫外可見近紅外分光光度計對QE粉和PET/QE織物的紫外吸收性能進行測試。測試采用漫反射模式，測試區(qū)間為800～200 nm。

2　結(jié)果與討論

2.1　改性劑的X射線能譜分析

新型架狀硅酸鹽改性劑QE粉的制備工藝如下：將天然長石類礦物原料粉碎至粒徑小于320目→篩除原料中的重金屬等有害物質(zhì)→經(jīng)篩選后的原料在850 ℃下煅燒10 h→煅燒產(chǎn)物與植物浸出液混合后在-10～200 ℃下熟成10～90 d[5]。制得的QE粉微觀下呈片層狀，層間距約0.898 nm。利用X射線能譜(EDS)對QE粉的組成元素及含量進行分析，結(jié)果如圖1所示?？梢钥吹絈E粉的成分與其他常見長石類硅酸鹽相似，即Al元素、Si元素和O元素占主要成分，摩爾比nAl∶nSi∶nO=1∶3∶10.50?？梢钥吹?，除Al3+外，QE粉中還含有Na+、Ca2+、Fe3+、Ti4+、K+和Mg2+等金屬陽離子，屬于納米硅酸鹽復(fù)合材料。

圖1　改性劑QE粉的EDS譜圖

2.2　纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)

利用自制QE粉母粒改性PET得到的PET/QE纖維的線密度為154.3 dtex/46根，斷裂伸長率和斷裂強度分別為28.0%和2.6 cN/dtex，其纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2(a)為PET/QE纖維的截面形貌的POM圖像，可以看到纖維的截面呈圓形且尺寸均勻，改性劑顆粒均勻分布在纖維中。圖2(b)為PET/QE纖維表面的SEM圖像，可以看出，纖維表面均勻分布有數(shù)目眾多、尺寸不一的明顯顆粒，證明改性纖維表面成功負載了改性劑QE粉；粉體自身出現(xiàn)了團聚，導(dǎo)致部分顆粒尺寸較大；此外改性劑的添加也使纖維表面變得粗糙，增大了纖維的比表面積，這有益于纖維吸濕及抗紫外性能的提高。

2.3　纖維性能分析

2.3.1吸濕性能

圖3為干燥的改性劑QE粉在標(biāo)準(zhǔn)條件下(20 ℃，相對濕度65%)的吸濕曲線，從圖3中可以看到QE粉在5 min內(nèi)就吸濕增重了2.04%，4 h內(nèi)最高增重可達3.32%左右，具有很高的吸濕速率和能力，表明QE粉具備用于PET纖維吸濕改性的潛力，改性后PET纖維的回潮率達1.23%。

圖2　PET/QE改性纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)

圖3　改性劑QE粉的吸濕曲線

圖4為經(jīng)QE粉改性的PET/QE纖維和常規(guī)PET纖維的吸濕爬桿曲線，可以看到PET/QE纖維的吸濕能力明顯優(yōu)于常規(guī)PET纖維，纖維懸垂于藍色染料內(nèi)3 min時，PET/QE纖維藍色部分高度為6.5 cm，而常規(guī)PET纖維為4.5 cm；經(jīng)過6 min后隨著時間的增長，兩者的芯吸高度始終相差約1 cm。QE粉不僅能夠改善PET的吸濕性能，其在環(huán)境中短時間的強吸濕能力也會在加工過程中造成PET熔體降解的問題，因此盡量避免生產(chǎn)過程中干燥QE粉暴露在高濕環(huán)境下是維持PET/QE熔體的紡絲細流穩(wěn)定性的重要措施之一。

圖4　PET/QE改性纖維和常規(guī)PET纖維的吸濕爬桿曲線

2.3.2抗靜電性能

表2為PET/QE纖維的回潮率、纖維比電阻和織物靜電性能。QE粉的添加增強了PET的吸濕性能，使得PET/QE纖維的回潮率較常規(guī)PET纖維增加了0.83%。纖維回潮率的增加也使纖維的抗靜電性能得到加強，PET/QE纖維的纖維比電阻較常規(guī)PET纖維下降了32%，顯著改善了纖維加工過程中的靜電效應(yīng)，提高了纖維的可紡性。利用定壓法進一步測試了PET/QE織物的靜電性能，其結(jié)果也列于表2?？梢钥吹絇ET/QE織物的靜電電壓峰值和半衰時間分別為111 V和0.49 s，較常規(guī)PET織物均下降了49%左右，說明經(jīng)QE粉改性的PET/QE織物同樣具有較好的抗靜電性能，靜電荷在PET/QE織物的表面不易積累且逸散速度較快。

表2　PET/QE改性纖維的回潮率、纖維比電阻和織物靜電性能

2.3.3紫外吸收性能

圖5為QE粉、PET/QE纖維和常規(guī)PET纖維的固體紫外漫反射曲線。由圖5(a)可見，QE粉對紫外線具有一定的吸收能力，其對波長400 nm以下的紫外線反射率低于40%，且對波長245 nm左右的吸收效果最好。將QE粉與PET復(fù)合后，纖維的紫外吸收性能如圖5(b)所示，可以看到QE粉的添加提高了PET的紫外吸收能力，PET/QE纖維在UVA波段(320～400 nm)的反射率相較于常規(guī)PET纖維下降了25%～30%。在可見光波段PET/QE纖維同樣擁有更低的反射率，表明PET/QE纖維對可見光也有一定的吸收作用。除QE粉對紫外的吸收作用外，PET/QE纖維粗糙的表面也使其擁有較大的比表面積，加強了對紫外線的吸收。

圖5　QE粉、PET/QE纖維和常規(guī)PET纖維的固體紫外漫反射曲線

3　結(jié)　論

a) 利用自制QE粉母粒成功制備了PET/QE纖維，纖維表面及截面都均勻分布有大量改性粉體；纖維線密度為154.3 dtex/46根，斷裂伸長率和斷裂強度分別為28.0%和2.6 cN/dtex。

b) 吸濕性能測試表明PET/QE纖維的吸濕能力明顯提高，其芯吸高度及液態(tài)水?dāng)U散速率均優(yōu)于常規(guī)PET纖維，纖維回潮率也達到了1.23%。吸濕性能的提高使改性纖維的靜電性能也得到了改善，相較于常規(guī)PET，PET/QE纖維的纖維比電阻下降了32%，其纖維織物的感應(yīng)靜電電壓峰值和半衰時間較常規(guī)PET織物也分別下降了107 V和0.47 s，說明PET/QE纖維具有較好的抗靜電性能，表面電荷不易積累且逸散速度較快，提高了纖維的可紡性。

c) 紫外吸收測試表明PET/QE纖維在紫外及可見光波段均有一定的吸收，相較于常規(guī)PET纖維其UVA波段的反射率下降了25%～30%，可見光波段則由80%下降至60%左右。因此，經(jīng)QE粉改性的PET/QE纖維也具有一定的紫外吸收性能。

綜上所述，QE粉的引入可以提高PET的吸濕性，改善纖維的靜電和紫外吸收性能，在提高織物的加工性能的同時可以滿足對織物穿著舒適性及日常防護的需求。