邵靈達(dá) 申曉 金肖克 田偉 祝成炎

摘要： 為了改善滌綸纖維分子缺乏親水基團(tuán)親水性能差的問題，文章采用等離子體和硅烷偶聯(lián)劑對(duì)其進(jìn)行復(fù)合改性，并對(duì)滌綸試樣的表面微觀形貌、表面接觸角、質(zhì)量變化、單絲強(qiáng)度、官能團(tuán)等進(jìn)行測(cè)試和分析。結(jié)果表明：等離子體處理可以顯著改善滌綸的表面親水性，表面接觸角相比無處理之前降低58.5°，但在存放過程中滌綸纖維表面的極性基團(tuán)變少，表面接觸角逐漸增大;經(jīng)等離子體和硅烷偶聯(lián)劑復(fù)合改性后，表面接觸角降低46.3°，維持在85.7°左右。這些改性方式均使滌綸表面親和作用提升，浸潤(rùn)性得到改善，同時(shí)對(duì)滌綸纖維質(zhì)量和單絲強(qiáng)度的影響都很小。

關(guān)鍵詞： 滌綸纖維;表面改性;纖維表面性能;浸潤(rùn)性;表面接觸角;單絲強(qiáng)度

中圖分類號(hào)： TS102.522文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)： 10017003（2020）02001906

引用頁(yè)碼： 021104DOI： 10.3969/j.issn.10017003.2020.02.004

Effect of surface modification of polyester fiber on its properties

SHAO Lingda， SHEN Xiao， JIN Xiaoke， TIAN Wei， ZHU Chengyan

（Key Laboratory of Advanced Textile Materials and Manufacturing Technology， Ministry of Education，

Zhejiang SciTech University， Hangzhou 310018， China）

Abstract： In order to solve the problem of poor hydrophilic performance due to the lack of hydrophilic group in the polyester fiber， it was modified by plasma and silane coupling agent. The surface topography， surface contact angle， mass change， functional group， and monofilament strength of polyester samples were tested and analyzed. The results show that the plasma treatment can significantly improve the surface hydrophilicity of the polyester. The surface contact angle was 58.5° lower than before treatment. But the polar groups on the surface of the polyester fiber decreased during the storage process， and the surface contact angle gradually increased. After composite modification with plasma and silane coupling agent， the surface contact angle decreased by 46.3°， it remained around 85.7°. These modification methods enhance the affinity of the polyester surface and improve the wettability. At the same time， the effect on the quality of polyester fiber and the strength of monofilament is very small.

Key words： polyester fiber; surface modification; fiber surface properties; wettability; surface contact angle; monofilament strength

滌綸是一種強(qiáng)度高、耐腐蝕、熱塑性好的合成纖維。因?yàn)榱己玫男阅芎偷土膬r(jià)格滌綸行業(yè)發(fā)展得很快，同時(shí)石油工業(yè)的發(fā)展為滌綸生產(chǎn)提供了豐富而且廉價(jià)的原料，使其在化學(xué)纖維領(lǐng)域大發(fā)光彩，由傳統(tǒng)的服用領(lǐng)域向要求更高的產(chǎn)業(yè)用紡織品領(lǐng)域不斷發(fā)展[1]。但是滌綸分子排列緊密結(jié)晶度高，大分子上缺少親水基團(tuán)，因此滌綸纖維親水性差且易產(chǎn)生靜電[24]，影響了滌綸織物的上染率[56]。目前滌綸纖維表面改性方法大致分為兩類（表1）：一類是通過物理方法，主要包括紫外線[78]、等離子體[9]、高能輻射射線[1011]和激光[12]等;另一類是通過化學(xué)方法，主要包括堿處理[13]、酶處理[14]。紫外線和高能輻射射線處理對(duì)儀器操作人員要求較高，難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的生產(chǎn)。堿處理和酶處理不僅會(huì)對(duì)材料本身的力學(xué)性能產(chǎn)生較大的影響，同時(shí)也會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。Junkar等[15]對(duì)滌綸纖維進(jìn)行等離子體處理，發(fā)現(xiàn)處理后的分子充滿了富氧官能團(tuán)，通過水接觸角測(cè)試表明滌綸表面的親水性能有所增加。李宏英等[16]通過對(duì)無預(yù)處理和經(jīng)等離子體預(yù)處理的滌綸織物進(jìn)行測(cè)試，證明了經(jīng)等離子體預(yù)處理的滌綸織物接枝率大幅提高，親水性也得到了的改善。但是經(jīng)等離子處理后的纖維性能存在時(shí)效性，會(huì)在一定時(shí)間后失效。目前主要通過對(duì)不同處理對(duì)象采用合適的等離子體氣氛、處理功率、處理時(shí)間來改善等離子體處理存在的時(shí)效性。Kim[17]通過調(diào)整等離子體氣氛氬氧氣的比例，研究對(duì)等離子體時(shí)效性的影響，結(jié)果表明當(dāng)氬氣和氧氣的比例為9︰1時(shí)處理效果最好，時(shí)效性較不明顯。硅烷偶聯(lián)劑是一類具有兩種不同性質(zhì)基團(tuán)（可水解基團(tuán)和非水解基團(tuán)）的有機(jī)硅化合物，其應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大，多應(yīng)用于材料的表面改性，改善其浸潤(rùn)性、流變性、黏接力等，具有用量少、效果明顯、時(shí)效性長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。本文以滌綸纖維為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行等離子體處理和硅烷偶聯(lián)劑處理，同時(shí)嘗試采用一種物理與化學(xué)結(jié)合的方法使等離子體和硅烷偶聯(lián)劑復(fù)合改性，通過對(duì)表面處理前后性能的測(cè)試，來研究不同改性方法對(duì)滌綸纖維親水性能的影響。

1實(shí)驗(yàn)

1.1材料、試劑與儀器

材料：平方米質(zhì)量400g/m2滌綸織物（江蘇天裕集團(tuán)）。

試劑：KH550硅烷偶聯(lián)劑（南京全希化工有限公司），無水乙醇、丙酮（杭州高晶精細(xì)化工有限公司）。

儀器：HD1A/B冷等離子體處理儀（常州中科常泰等離子體科技有限公司），JSM5610掃描電子顯微鏡（日本電子株式會(huì)社），視頻接觸角張力儀（德國(guó)Kruss公司），Instron3369萬能試驗(yàn)機(jī)（美國(guó)英斯特朗公司）。

Effect of surface modification of polyester fiber on its properties滌綸纖維表面復(fù)合改性對(duì)其親水性的影響

1.2試樣處理

滌綸在加工過程中會(huì)加入油劑，這些油劑會(huì)停留在表面形成一層保護(hù)膜，所以在纖維改性之前應(yīng)進(jìn)行預(yù)處理，去除多余的油劑。

1.2.1滌綸纖維預(yù)處理

將滌綸試樣浸泡在丙酮溶液中24h去除油劑，然后將處理后的試樣放入鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，溫度設(shè)定為75℃，時(shí)間為12h，去除殘留的丙酮溶液。

1.2.2等離子體表面處理

將滌綸試樣放入等離子體處理室中，處理10min后排空處理室內(nèi)的氣體，裝入真空袋備用[1819]。

1.2.3硅烷偶聯(lián)劑處理

將乙醇溶液硅烷偶聯(lián)劑按照97︰3配置成溶液。然后將經(jīng)過預(yù)處理的滌綸試樣浸入溶液中，處理1h后使用乙醇溶液洗去未反應(yīng)的硅烷偶聯(lián)劑，隨后將試樣放入鼓風(fēng)干燥箱，充分干燥后裝入真空袋備用。

1.3結(jié)構(gòu)表征和性能測(cè)試

在經(jīng)等離子體表面處理和硅烷偶聯(lián)劑處理后，滌綸纖維的親水性能得到改善，通過測(cè)試表面接觸角來表征滌綸纖維的親水程度。為研究改性前后滌綸各項(xiàng)性能變化，本文對(duì)滌綸的微觀結(jié)構(gòu)、表面接觸角、質(zhì)量變化率和單絲強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比分析。

1.3.1微觀結(jié)構(gòu)表征

將滌綸纖維表面噴金后，使用JSM5610型掃描電子顯微鏡觀察纖維表面處理前后的形態(tài)變化，測(cè)試電壓為10kV，放大倍率2000。

1.3.2表面接觸角測(cè)試

使用德國(guó)Kruss公司生產(chǎn)的視頻接觸角張力儀來測(cè)試表面接觸角，將去離子水滴在滌綸機(jī)織物表面，每種試樣測(cè)試8個(gè)不同位置并記錄其水接觸角。

1.3.3纖維質(zhì)量變化率

本文采用稱重法，每種試樣測(cè)試5次取平均值。

1.3.4纖維單絲強(qiáng)度

通過光學(xué)顯微鏡測(cè)試滌綸纖維直徑并使用Instron3369萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，夾距為20cm，測(cè)試速度設(shè)定為10mm/min，每組試樣測(cè)試5次取平均值。

2結(jié)果與分析

2.1滌綸纖維表面形貌

圖1為滌綸纖維經(jīng)不同改性處理后的掃描電鏡圖。

通過觀察對(duì)比圖1（a）（b），可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)等離子體處理后滌綸纖維表面出現(xiàn)了較為明顯的溝槽，增大了接觸面積。這是因?yàn)椴环€(wěn)定的電漿體在電磁場(chǎng)的作用下轟擊到纖維表面，通過物理作用剝離了纖維的表層物質(zhì)。對(duì)比圖1（a）（c）可以看出，經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑處理后，原本光滑纖維表面被一層硅烷偶聯(lián)劑所覆蓋，表面變得粗糙。

對(duì)比圖1（b）（d）可以看出，在經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑處理后，滌綸纖維表面因等離子體處理而產(chǎn)生的溝槽被硅烷偶聯(lián)劑所覆蓋，等離子體處理能夠使硅烷偶聯(lián)劑接枝效果變得更好。

2.2表面改性處理對(duì)滌綸織物表面接觸角的影響

2.2.1等離子體及硅烷偶聯(lián)劑處理對(duì)滌綸織物表面接觸角的影響

圖2、圖3分別為不同改性處理后的滌綸織物表面接觸角測(cè)試及變化情況。

通過圖3可以看出，未經(jīng)處理的滌綸織物表面接觸角為132°，去離子水停留在纖維表面濕潤(rùn)性較差，呈現(xiàn)疏水性。滌綸織物經(jīng)不同改性處理后的表面接觸角均發(fā)生一定程度的降低，其中經(jīng)等離子體處理后的滌綸織物表面接觸角降低最明顯，這是由于等離子體束中的電漿體轟擊滌綸纖維表面，使滌綸纖維表面發(fā)生刻蝕作用同時(shí)產(chǎn)生更多的羥基親水基團(tuán)。但此時(shí)滌綸表面處于非常不穩(wěn)定的高能狀態(tài)，由于物質(zhì)系統(tǒng)能量越低越穩(wěn)定因此隨著時(shí)間的推移纖維的羥基基團(tuán)會(huì)變少，表面改善的親水性能又恢復(fù)到之前的疏水狀態(tài)[20]。通過引入硅烷偶聯(lián)劑，滌綸纖維表面會(huì)物理吸附一些硅烷偶聯(lián)劑大分子的同時(shí)通過化學(xué)接枝使氨基增加羥基減少，但因?yàn)榱u基的親水性優(yōu)于氨基，導(dǎo)致親水性稍稍下降，共同作用下表面接觸角穩(wěn)定在85.7°左右，經(jīng)過測(cè)試復(fù)合改性可以有效避免等離子體表面處理失效。

2.2.2等離子體及硅烷偶聯(lián)劑處理對(duì)滌綸纖維質(zhì)量變化率和單絲強(qiáng)度的影響

圖4為不同表面處理后滌綸纖維的質(zhì)量變化率和單絲強(qiáng)度。

由圖4可見，經(jīng)等離子體處理后，滌綸纖維的質(zhì)量減少了1.04%，單絲強(qiáng)度提高了2.47%，這是由于等離子體穿透性不強(qiáng)，對(duì)纖維的損傷小，滌綸纖維的纖度減小，從而纖維單絲強(qiáng)度稍稍增加。經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑和復(fù)合處理的滌綸纖維質(zhì)量分別增加了0.89%、1.05%，單絲強(qiáng)度降低了1.39%、0.39%。經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑處理后，纖維表面附著有偶聯(lián)劑大分子，滌綸纖維的纖度提高，單絲強(qiáng)度稍稍降低[21]。結(jié)果表明，三種改性方式對(duì)纖維質(zhì)量和單絲強(qiáng)度影響不大。

2.2.3等離子體及硅烷偶聯(lián)劑處理對(duì)滌綸纖維表面官能團(tuán)的影響

圖5為經(jīng)不同表面處理后滌綸纖維的傅里葉紅外光譜圖。

由圖5（a）可見，970cm-1是滌綸大分子鏈末端—OH的振動(dòng)峰，1409cm-1是苯環(huán)上C—H的振動(dòng)峰，滌綸纖維大分子鏈的酯鍵分別在1710cm-1和1241cm-1處具有較強(qiáng)的—CO對(duì)稱伸縮特征。觀察圖5（b），在1578cm-1處的峰變明顯，這是由于硅烷偶聯(lián)劑中存在的—NH2和苯環(huán)振動(dòng)吸收峰在此處相互疊加[22]。觀察圖5（c），1710cm-1處的強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，表面被激活—CO基團(tuán)強(qiáng)度增大，在3200～3600cm-1處的—OH伸縮振動(dòng)譜帶變高變寬。這是由于纖維經(jīng)過等離子體處理之后會(huì)產(chǎn)生很多的含氧極性基團(tuán)，這些基團(tuán)與空氣中的水接觸，增加了纖維表面的—OH基團(tuán)數(shù)量[23]。

3結(jié)論

通過對(duì)滌綸纖維進(jìn)行等離子體和硅烷偶聯(lián)劑復(fù)合處理，滌綸織物的親水性得到改善。

1）SEM結(jié)果表明，滌綸纖維經(jīng)等離子體處理后，因刻蝕作用產(chǎn)生了溝槽，接觸面積增加，有利于改善滌綸的親水性;經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑處理后，與纖維表面活性基團(tuán)形成化學(xué)鍵覆蓋在纖維表面，有利于改善滌綸的親水性。

2）經(jīng)等離子體和硅烷偶聯(lián)劑處理后，滌綸織物表面接觸角有不同程度的降低。經(jīng)等離子處理滌綸的表面接觸角降低最明顯，表面接觸角相比之前降低58.5°，通過復(fù)合改性處理表面接觸角維持在85.7°，穩(wěn)定性較好，表明復(fù)合改性處理有利于降低滌綸纖維的表面接觸角，同時(shí)改善等離子體處理時(shí)效性差的問題。

3）測(cè)試?yán)w維質(zhì)量和單絲強(qiáng)度變化的結(jié)果表明，經(jīng)三種改性方式處理后的滌綸纖維質(zhì)量和單絲強(qiáng)度均小幅上漲或下降，說明等離子體和硅烷偶聯(lián)劑處理對(duì)纖維損傷小，不會(huì)對(duì)纖維的力學(xué)性能造成明顯影響。

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收稿日期： 20190521; 修回日期： 20191212

作者簡(jiǎn)介： 邵靈達(dá)（1995），男，博士研究生，研究方向?yàn)榧徔棌?fù)合材料。通信作者：祝成炎，教授，cyzhu@zstu.edu.cn。