張陳恬 趙連英 顧學(xué)鋒

摘要： 為了研究中空咖啡碳聚酯纖維的可紡性，文章測(cè)試并分析中空咖啡碳聚酯纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)、紅外光譜、熱穩(wěn)定性、拉伸性能、吸濕性、卷曲、比電阻、含油率等，并與咖啡碳聚酯纖維、普通聚酯纖維進(jìn)行對(duì)比。測(cè)試結(jié)果表明，中空咖啡碳聚酯纖維有著明顯的圓形中腔結(jié)構(gòu)，附著細(xì)膩的納米級(jí)咖啡碳顆粒，且延續(xù)了聚酯纖維優(yōu)異的耐熱性、高強(qiáng)高模、拉伸性能;吸濕性提高了3倍，優(yōu)化了服用舒適性，熱分解后質(zhì)量殘余量減少，是一種具有良好開發(fā)應(yīng)用價(jià)值的新型功能性纖維，可為紡紗工藝、織造應(yīng)用提供借鑒。

關(guān)鍵詞： 中空咖啡碳聚酯纖維;聚酯短纖維;拉伸性能;吸濕性;紡紗工藝

Abstract： This study focuses on spinnability of hollow coffee carbon polyester. To this end， tests and analyses of the morphological structure， infrared spectrum， thermal stability， tensile property， hygroscopicity， crimp， specific resistance and oil content of hollow coffee carbon polyester were conducted， and comparison was made between coffee carbon polyester and ordinary polyester fiber. The results show that hollow carbon polyester has an obvious circular lumen， is attached with fine nanoscale coffee carbon particles， and is as excellent as polyester in heat resistance， high strength and high modulus， and tensile properties; its moisture absorption is higher than that of the ordinary one by three times， is superior in wearing comfortableness， and has less mass residue after thermal decomposition. It is a new-type functional fiber of high value of development and application， and provides a reference for spinning process and weaving application.

Key words： hollow coffee carbon polyester; polyester staple fiber; tensile properties; moisture absorption; spinning process

隨著人們生活水平的提高，紡織品的安全與保健愈發(fā)受到關(guān)注，新型紡織材料的研發(fā)與應(yīng)用層出不窮，以滿足人們對(duì)紡織品安全舒適、時(shí)尚高檔、功能多樣的新需求。聚酯纖維[1]以耐洗、耐光、耐熱、耐蟲蛀、高強(qiáng)高模、彈性回復(fù)好等優(yōu)異的物理化學(xué)性能已成為產(chǎn)量最高的合成纖維之一，廣泛應(yīng)用于紡織品市場(chǎng)?？Х忍季埘ダw維[2]是由咖啡渣經(jīng)高溫煅燒、研磨而成的納米粉體，經(jīng)特殊工藝加工制成母粒后，與一定含量的聚酯切片共混、紡絲而成，具有抑菌除臭、蓄熱保暖、防紫外等多種功能，并且安全、環(huán)保、手感舒適，非常適合加工貼身服飾，面市后深受消費(fèi)者歡迎。相比咖啡碳聚酯纖維，中空咖啡碳聚酯纖維增加了圓形中腔結(jié)構(gòu)，使得纖維更加蓬松、富有良好回彈性和高保暖性[3]，而且比表面積大、質(zhì)量輕、選擇滲透性好、吸附能力強(qiáng)[4]等。

本文通過中空咖啡碳聚酯纖維、咖啡碳聚酯纖維和普通聚酯纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)觀察，經(jīng)紅外光譜、熱性能、拉伸性能、吸濕性能、卷曲、蓬松性、彈性、比電阻、含油率等性能的測(cè)試和對(duì)比，分析中空咖啡碳聚酯纖維的綜合性能，為紡紗、織造工藝及產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用提供參考借鑒。

1 試 驗(yàn)

1.1 材 料

咖啡碳聚酯纖維、中空咖啡碳聚酯纖維（華楙生技股份有限公司），聚酯纖維（廈門翔鷺化纖股份有限公司），規(guī)格均為1.67 dtex×38 mm。

1.2 儀器設(shè)備

本文測(cè)試所用實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備如表1所示。

1.3 測(cè)試方法

1.3.1 纖維形態(tài)觀察

根據(jù)GB/T 36422—2018《化學(xué)纖維微觀形貌及直徑的測(cè)定掃描電鏡法》，采用掃描電鏡、生物顯微鏡對(duì)纖維的縱向及橫向截面形態(tài)進(jìn)行觀察。

1.3.2 紅外光譜測(cè)試

根據(jù)GB/T 6040—2019《紅外光譜分析方法通則》，采用傅立葉紅外光譜儀測(cè)試?yán)w維的組分和鏈結(jié)構(gòu)，波數(shù)范圍：400～4 000 cm-1。

1.3.3 纖維熱穩(wěn)定性能測(cè)試

根據(jù)GB/T 27761—2011《熱重分析儀失重和剩余量的試驗(yàn)方法》，采用熱重分析儀測(cè)試?yán)w維熱性能，N2氛圍，初始溫度為50 ℃，升溫速率10 ℃/min，700 ℃結(jié)束。

1.3.4 纖維拉伸性能測(cè)試

根據(jù)GB/T 14337—2008《化學(xué)纖維短纖維拉伸性能試驗(yàn)方法》，采用單纖維電子強(qiáng)力儀測(cè)試?yán)w維強(qiáng)力，預(yù)加張力015 cN/dtex，拉伸速度20 mm/min，夾持距離20 mm，等速將纖維拉伸至斷裂，測(cè)試50組取平均值。

1.3.5 纖維吸濕性能測(cè)試

根據(jù)GB/T 6503—2017《化學(xué)纖維回潮率試驗(yàn)方法》，采用八籃恒溫烘箱，將試樣烘除水分至恒重，箱內(nèi)熱稱測(cè)試回潮率，測(cè)試10組取平均值。

1.3.6 纖維卷曲性能、膨松性和彈性測(cè)試

根據(jù)GB/T 14338—2008《化學(xué)纖維短纖維卷曲性能試驗(yàn)方法》，采用纖維卷曲彈性儀，將已達(dá)到平衡回潮率的纖維置于與纖維成對(duì)比色的絨板上測(cè)定，夾持距離20 mm，輕負(fù)荷0.003 cN，重負(fù)荷0.125 cN，測(cè)試20組取平均值。

根據(jù)FZ/T 50009.4—2019《中空滌綸短纖維蓬松性和彈性試驗(yàn)方法》，采用2 000 mL的量筒，3 kg砝碼，測(cè)量纖維在負(fù)荷前后的體積并計(jì)算，測(cè)試3組取平均值。

1.3.7 纖維比電阻測(cè)試

根據(jù)GB/T 14342—2015《化學(xué)纖維短纖維比電阻試驗(yàn)方法》，采用纖維比電阻儀，在溫度（20±2） ℃、相對(duì)濕度（65±5）%的規(guī)定條件下，測(cè)量在一定的幾何形狀下具有一定密度的纖維電阻值。

1.3.8 纖維含油率測(cè)試

根據(jù)GB/T 6504—2017《化學(xué)纖維含油率試驗(yàn)方法》，采用纖維油脂快速抽出器，乙醇作為萃取劑，利用油劑能溶解于特定有機(jī)溶劑的性質(zhì)，萃取出試樣中的油劑，蒸發(fā)油劑，稱量殘留油劑的質(zhì)量及處理后的纖維質(zhì)量，計(jì)算得到試樣的含油率。

2 結(jié)果與分析

2.1 纖維形態(tài)

中空咖啡碳聚酯纖維在自然狀態(tài)下，有著明顯的圓形中腔結(jié)構(gòu)，縱向表面較圓滑，咖啡碳顆粒感分布較細(xì)膩、大小均勻，如圖1、圖2所示。

咖啡碳聚酯纖維的橫截面呈現(xiàn)不規(guī)則的多邊形，實(shí)心結(jié)構(gòu);縱向表面粗糙、附著大小不一的咖啡碳顆粒，多邊形特征明顯，如圖3、圖4所示。

滌綸纖維的縱向表面較光滑，實(shí)心結(jié)構(gòu)，如圖5、圖6所示。

纖維的結(jié)構(gòu)決定纖維的性質(zhì)[5]，中空結(jié)構(gòu)會(huì)使得纖維的力學(xué)彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度增大，纖維內(nèi)部含有的靜止空氣（或其他物質(zhì)）增加，會(huì)增強(qiáng)纖維的隔熱性能，且仍保持良好的透氣性。相比聚酯纖維，咖啡碳聚酯纖維的納米級(jí)咖啡碳顆粒[6]可使得纖維具有優(yōu)良的升溫保暖、抑菌除臭、吸濕透氣、防紫外線等多重功效。圓形截面纖維會(huì)像凸透鏡產(chǎn)生“極光”效應(yīng)[7]，中空咖啡碳聚酯纖維表現(xiàn)出晶亮透明的晶體光澤，可改善紡織品的光澤感。

2.2 紅外光譜

中空咖啡碳聚酯纖維、咖啡碳聚酯纖維和聚酯纖維的紅外光譜測(cè)試如圖7所示，在400～4 000 cm-1內(nèi)，三種纖維的特征透射率、光譜曲線基本一致，在723、1 013、1 110、1 240、1 329、1 407、1 710 cm-1處均出現(xiàn)滌綸的特征吸收峰。其中，723 cm-1為苯環(huán)上—CH鍵面外彎曲，1 013 cm-1為苯環(huán)上—CH鍵的面內(nèi)彎曲，1 329 cm-1為—CH2的面外搖擺，1 710 cm-1為CO 伸縮運(yùn)動(dòng)[8]。三種纖維的極性基團(tuán)及其含量的吸收帶強(qiáng)度基本相同，親水基團(tuán)沒有變化，回潮率的改變可排除親水基團(tuán)等分子結(jié)構(gòu)的影響，分析是因?yàn)榭Х忍碱w粒及中空結(jié)構(gòu)的影響。

2.3 纖維熱穩(wěn)定性能

中空咖啡碳聚酯纖維、咖啡碳聚酯纖維和聚酯纖維在N2氛圍下隨溫度變化的質(zhì)量損失率曲線如圖8所示，三種纖維的曲線變化趨勢(shì)大致相同，幾乎都在387 ℃開始分解，僅有1個(gè)熱降解階段。100 ℃時(shí)，三種纖維質(zhì)量損失率基本一致，說明纖維中水分及其他微小雜質(zhì)含量大致相同?？Х忍季埘ダw維和中空咖啡碳聚酯纖維在461 ℃基本停止分解，質(zhì)量損失速率接近于零，質(zhì)量損失率在667 ℃后沒有變化，即基本完成降解并釋放大量熱能，直至剩余碳化殘?jiān)?。聚酯纖維在471 ℃停止分解，質(zhì)量損失率直到700 ℃沒有變化。

聚酯纖維的熱定形優(yōu)異，耐熱性在普通合成纖維中屬最好。由圖8可得，熱穩(wěn)定性為聚酯纖維>咖啡碳聚酯纖維>中空咖啡碳聚酯纖維，表明咖啡碳聚酯纖維及中空咖啡碳聚酯纖維的耐熱性較好，領(lǐng)先于其他普通合成纖維。分解停止后的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為聚酯纖維>咖啡碳聚酯纖維>中空咖啡碳聚酯纖維，表明添加的咖啡碳納米顆粒及中空結(jié)構(gòu)使得中空咖啡碳聚酯纖維停止分解的溫度降低，分解后的質(zhì)量殘余量減少，分解較為徹底。

2.4 纖維拉伸性能

纖維的拉伸性能是其力學(xué)性質(zhì)中最為重要的，對(duì)纖維的可紡性、紗線的力學(xué)性能和織物的耐用性能等影響極大。中空咖啡碳聚酯纖維、咖啡碳聚酯纖維和聚酯纖維的拉伸性能測(cè)試指標(biāo)如表2所示，纖維的斷裂強(qiáng)度：聚酯纖維>中空咖啡碳聚酯纖維>咖啡碳聚酯纖維，纖維的斷裂伸長(zhǎng)率：中空咖啡碳聚酯纖維>咖啡碳聚酯纖維>聚酯纖維，纖維的初始模量：聚酯纖維>中空咖啡碳聚酯纖維>咖啡碳聚酯纖維。

纖維結(jié)構(gòu)是影響纖維拉伸性能的根本原因[4]，咖啡碳顆粒的添加[6]改變了纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使得纖維大分子排列發(fā)生了變化，縫隙孔洞的增加、擴(kuò)大，降低了纖維的取向度，纖維的斷裂強(qiáng)度和初始模量隨之降低，斷裂伸長(zhǎng)率增加。中空咖啡碳聚酯纖維的拉伸性能也受到中空結(jié)構(gòu)的影響[9]，斷裂強(qiáng)度、初始模量略低于聚酯纖維，相比聚酯纖維會(huì)更加柔軟，舒適性更好。

為了正確評(píng)定纖維的質(zhì)量，需要對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的平均性指標(biāo)及不勻率指標(biāo)做綜合考慮[10]，中空咖啡碳聚酯纖維的斷裂強(qiáng)度變異系數(shù)低于聚酯纖維，說明纖維強(qiáng)度不勻率低，出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)的次數(shù)較少。綜合來說，中空咖啡碳聚酯纖維作為一種新型功能性聚酯，延續(xù)了聚酯纖維優(yōu)異的拉伸性能，尤其與強(qiáng)度較低的棉纖維混紡時(shí)，中空咖啡碳聚酯纖維含量的增加會(huì)提高混紡紗線的拉伸性能[11]。

2.5 纖維吸濕性

中空咖啡碳聚酯纖維、咖啡碳聚酯纖維和聚酯纖維的回潮率分別為1.54%、1.26%、0.46%，計(jì)算如下式所示：

三種纖維的親水基團(tuán)組成相同，但回潮率存在較大差距?？Х忍碱w粒的添加、中空結(jié)構(gòu)的增加使得纖維的孔隙變多、比表面積變大，表面吸附的水分子數(shù)增加，纖維的吸濕性大幅增加，改善了聚酯纖維吸濕性差這一特性[12]。

2.6 纖維卷曲性能、蓬松性和彈性

中空咖啡碳聚酯纖維、咖啡碳聚酯纖維和聚酯纖維的卷曲數(shù)、蓬松性和彈性如表3所示，試樣卷曲數(shù)如下式計(jì)算：

纖維的卷曲會(huì)使纖維的橫向占有空間變大而增加纖維集合體的蓬松性;使得纖維縱向收縮并具有潛在的彈性伸長(zhǎng)，從而增加纖維集合體的縱向可變形性。中空咖啡碳聚酯纖維受咖啡碳顆粒及中空結(jié)構(gòu)的影響，纖維卷曲數(shù)較多，增大了纖維間的孔隙，進(jìn)而增加了纖維集合體的蓬松性，進(jìn)一步影響纖維集合體的保暖性。

2.7 纖維比電阻

中空咖啡碳聚酯纖維、咖啡碳聚酯纖維和聚酯纖維的比電阻如表4所示，纖維的比電阻：聚酯纖維>咖啡碳聚酯纖維>中空咖啡碳聚酯纖維。比電阻的計(jì)算如下式所示：

分子結(jié)構(gòu)、吸濕性、溫度、表面附著物都會(huì)影響纖維的電學(xué)性質(zhì)[13]，接觸與摩擦導(dǎo)致纖維產(chǎn)生電荷積聚的靜電現(xiàn)象對(duì)紡紗、織造及成品使用都有不良的影響。纖維的回潮率增大、吸濕性提高，會(huì)使得纖維的導(dǎo)電性得到改善，中空咖啡碳聚酯纖維比電阻小于聚酯纖維，靜電現(xiàn)象得到改善，優(yōu)化了服用舒適性。纖維的比電阻低于1×108 Ω·cm即靜電現(xiàn)象在正常范圍內(nèi)，紡紗時(shí)選擇與吸濕性較強(qiáng)的纖維混紡，可改善靜電現(xiàn)象。

2.8 纖維含油率

中空咖啡碳聚酯纖維、咖啡碳聚酯纖維和聚酯纖維的含油率分別為0.41%、0.20%、0.06%，含油率的計(jì)算如下式所示：

咖啡渣[14]含有以棕櫚酸（C 16︰0）和亞油酸（C 18︰2）為主、硬脂酸（C 18︰0）和油酸（C 18︰1）為次要成分的油脂，碳化成納米顆粒再添加混入聚酯紡絲液也需要一定油性溶劑以均勻混合再紡絲，故增加了纖維的含油率。油劑在纖維表面會(huì)形成具有一定厚度的油膜，油劑過少會(huì)導(dǎo)致纖維抱合不足，紡紗時(shí)增加飛花、斷頭等，油劑過多會(huì)導(dǎo)致纖維發(fā)黏，紡紗時(shí)開松困難、纖維黏結(jié)等[15]，車間溫度和相對(duì)濕度會(huì)對(duì)油劑性能造成很大影響，所以纖維含油率對(duì)可紡性的影響需要綜合考慮[16]。

3 結(jié) 論

本文分析中空咖啡碳聚酯纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)、紅外光譜、熱穩(wěn)定性、拉伸性能、吸濕性、卷曲、比電阻、含油率等，與普通聚酯纖維進(jìn)行對(duì)比，得出以下5點(diǎn)結(jié)論。

1）中空咖啡碳聚酯纖維有著明顯的圓形中腔結(jié)構(gòu)且中空度均勻，附著細(xì)膩的咖啡碳顆粒，表現(xiàn)出明亮的晶體光澤。

2）中空咖啡碳聚酯纖維的化學(xué)結(jié)構(gòu)與聚酯纖維幾乎一致，熱穩(wěn)定性一致，分解后的殘余量更少。

3）中空咖啡碳聚酯纖維的斷裂強(qiáng)度和初始模量略有降低、斷裂伸長(zhǎng)率增加，延續(xù)了聚酯纖維的拉伸性能。

4）中空咖啡碳聚酯纖維具有較高回潮率，改善了吸濕性和靜電現(xiàn)象。

5）中空咖啡碳聚酯纖維的卷曲數(shù)較多，增加了纖維集合體的蓬松性，可進(jìn)一步增加保暖性。

綜合纖維結(jié)構(gòu)及性能的測(cè)試研究，中空咖啡碳聚酯纖維柔軟、細(xì)膩、光澤好，延續(xù)了聚酯纖維的耐熱、高強(qiáng)高模、回彈性好等優(yōu)異性能，改善了吸濕性，具有多種功能，是一種非常值得開發(fā)并應(yīng)用的新型功能纖維。

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