抗菌PTT POY的結構與性能研究

2014-08-05 03:08:48沈金科巫曉華蔣佳莉王秀華

合成纖維工業 2014年1期

沈金科，巫曉華，錢楊，蔣佳莉，王秀華

(浙江理工大學紡織纖維材料與加工技術國家地方聯合工程實驗室，浙江杭州310018)

隨著人們生活水平的提高，對織物的健康衛生功能提出了更高的要求，例如織物的抗菌性、阻燃性、抗紫外性、抗靜電性等?？咕椢锟梢酝ㄟ^織物后整理和直接使用抗菌纖維的方法進行生產，后者具有抗菌效果更持久的優點。抗菌纖維的制備方法很多，其中通過添加抗菌劑與原料熔融共混紡絲，使抗菌劑均勻分布在纖維中，是目前常用的制備方法［1］。聚對苯二甲酸丙二醇酯(PTT)纖維是一種新型化纖材料，具有優良的回彈性、柔軟性和染色性等，已廣泛應用于紡織服裝、地毯等領域［2］。目前對于滌綸、丙綸、錦綸等抗菌纖維的研究已有較多報道［3－5］，而對于 PTT抗菌纖維的研究報道則較少。

作者采用母粒添加法，將抗菌母粒和PTT切片共混熔融擠出，在一定紡絲速度下，通過改變泵供量，制得不同規格的抗菌 PTT預取向絲(POY)。重點探討了抗菌劑的加入及工藝條件對抗菌PTT POY的結晶、取向、熱性能以及力學性能的影響，為抗菌PTT纖維的研究開發提供一定的參考和借鑒。

1 實驗

1.1 原料與設備

PTT 切片:特性黏數(［η ］)為 1.05 dL/g，美國杜邦公司生產;抗菌母粒:銀系抗菌劑(NOVARON AGT330)，日本SR商事株式會社提供;一位紡絲試驗機:浙江古纖道股份有限公司提供。

1.2 PTT POY試樣的制備

將PTT切片和抗菌母粒在120～140℃下干燥12 h，使其含水率低于30 μg/g?？咕噶Ｍㄟ^計量裝置在螺桿擠壓機入口加入，添加抗菌母粒質量分數為5%。紡絲時螺桿擠壓機各區溫度為275～285℃，紡絲箱體溫度為273～275℃，側吹風風速為0.4 m/min，紡絲速度為2 800 m/min。通過調節泵供量，紡制不同規格的PTT POY試樣，其中噴絲頭拉伸比是紡絲速度與噴絲孔噴出速度之比。

PTT POY試樣的具體工藝條件見表1。

表1 不同工藝條件制得的PTT POY試樣Tab.1 PTT POY samples prepared under different process conditions

1.3 測試及表征

差示掃描量熱(DSC)分析:采用梅特勒-托利多公司的DSC-1型差示掃描量熱儀測試，氮氣保護，升溫速率為10℃/min，溫度為30～280℃。結晶度(Xc)按以下公式計算:

式中:△Hc為冷結晶放熱焓;△Hm為試樣的熔融吸熱焓;△H0為完全結晶聚合物的熔融焓，對于PTT，△H0為 145.63 J/g［6］。

體積結晶度(Vc):采用密度梯度法測試。以正庚烷和四氯化碳為混合溶劑配置密度梯度管，在25℃恒溫水浴中測定纖維小球的密度。Vc按以下公式計算:

式中:ρ為所測纖維密度，ρa為非晶密度，為1.295 g/cm3;ρc為晶區密度，為 1.432 g/cm3［7］。

雙折射(△n):在江南光學儀器廠的XPT-6型偏光顯微鏡上，采用色那蒙補償法測定補償角(θ)，纖維截面干涉環數(n)，利用伯拉莫(上海)精密儀器有限公司的XTL101-B-XY顯微鏡和上海力華儀器制造有限公司的MCu-15型測微目鏡測得纖維直徑(d)，并按照公式(3)計算纖維的△n:

式中:λ為鈉光燈波長。

聲速取向:采用杭州富陽電表廠的SCY-Ⅲ聲速取向儀測試。隨機抽取一定數量的纖維試樣，分別測定每個試樣在20 cm和40 cm處聲速傳播的時間，并計算出取向因子(fs)，取PTT纖維的聲速值(Cu)為 1.341 km/s。

沸水收縮率:按GB/T 6505—2008測試。

斷裂強度和斷裂伸長率:按照GB/T 14344—2008在東華大學的XL-2型紗線強伸度儀上進行測試。

抗菌性能:按照GB/T 20944.1—2007和GB/T 20944.3—2008進行測試，選擇金黃色葡萄球菌和大腸桿菌為菌種對抗菌PTT POY進行抗菌性能評價。

2 結果與討論

2.1 結晶性能

圖1為試樣的DSC升溫曲線，有關熱性能數據見表2。從圖1和表2可看出，與不加抗菌劑的0#試樣比較，隨著抗菌劑的加入，3#試樣的Xc從34.9%下降到29.9%，過熱程度冷結晶溫度(Tc)與玻璃化轉變溫度(Tg)的差值(△Th)從6.42℃增加到了8.22℃。△Th值用于表征聚合物的結晶能力，其值越小，結晶能力越強。說明抗菌母粒的加入破壞了PTT分子鏈的規整度，降低了其結晶能力和Xc。

圖1 PTT POY的DSC曲線Fig.1 DSC curves of PTT POY

從表2還可看出，隨著PTT POY線密度下降，即噴絲頭拉伸比的增加，纖維的Tg略有增加，Tc降低，△Th值減小、Xc提高。這是由于隨著噴絲頭拉伸比的增加，絲條所受的拉伸應力增加，應力誘導結晶，使POY的Xc提高。Xc的提高，無定形區的鏈段運動受到束縛，使鏈段開始運動的溫度提高，表現出Tg有增大的趨勢;隨Xc的提高，纖維可在比較低的溫度下開始冷結晶，即Tc，△Th出現下降趨勢［8］。

表2 PTT POY的熱性能Tab.2 Thermal properties of PTT POY

從表3可見，密度梯度法所測Vc與上述DSC法得到的Xc呈現相同的規律，即抗菌劑的加入，試樣的Vc下降，而隨著噴絲頭拉伸比的增加，抗菌纖維Vc有所增加。

表3 PTT POY的VcTab.3 Vcof PTT POY

2.2 取向性能

從表4可見，對于相同規格的PTT POY，抗菌劑的加入使POY的fs由未加抗菌劑時的0.158增加到0.169，△n 也從0.053 1 增加到0.053 9，這可能是因為在初生纖維的成形過程中，無機抗菌小顆粒增加了分子間距，起到了潤滑作用，有利于大分子發生取向;隨著噴絲頭拉伸比的增加，fs和△n都呈現增加的趨勢。這是由于在紡絲速度不變的情況下，噴絲頭拉伸比越大，絲條形變取向越大，初生纖維的取向度也越高，所以取向度隨噴絲頭拉伸比增大而增大［9］。

表4 PTT POY的△n和fsTab.4 △n and fsof PTT POY

2.3 物理性能

從表5可見，隨著噴絲頭拉伸比的增加，纖維沸水收縮率下降。這是因為噴絲頭拉伸比增加，雖然纖維的總取向度增加，但同時Xc也增加，使得實際非晶區的取向反而減小。因此，纖維的沸水收縮率出現下降［10］?？咕鷦┑募尤雽Ψ兴湛s率的影響較小。

表5 PTT POY的物理性能Tab.5 Physical properties of PTT POY

從表5還可看出，隨著抗菌劑的加入，抗菌劑中的微粒影響了分子鏈間的纏結、降低了分子間的作用力，使POY的斷裂伸長和斷裂強度都有所下降;隨著噴絲頭拉伸比的增加，抗菌PTT POY斷裂伸長率下降，斷裂強度增加，這與前節中隨著噴頭拉伸比的增加，Xc，fs變化規律相一致。

2.4 抗菌性能

抗菌PTT纖維中所加入的抗菌劑是高效銀系抗菌劑，對廣譜生物菌類都有很好的抑菌效果。當細菌和病毒接觸纖維表面時，抗菌劑中的有效成分Ag+能穿透帶負電的細菌細胞壁，迅速與細菌體內酶蛋白上的巰基、氨基等結合，破壞蛋白質和核酸的正常結構，造成微生物死亡或喪失繁殖能力從而達到抑菌和殺菌作用［11］。

選用3#抗菌PTT POY，采用瓊脂平皿擴散法和振蕩法對其進行定性和定量的抗菌性能測試。圖2的定性測試結果顯示，抗菌纖維試樣對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌帶寬度分別為3.2，1.5 mm，均大于1 mm，且試樣下面無細菌繁殖，抗菌效果較好。定量測試結果得到抗菌纖維對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率分別為88.9%和94.4%，說明加入質量分數5%抗菌母粒后，改性PTT纖維具有良好的抗菌效果。