三種彈性纖維的結構與性能研究

魏艷紅 蘇旭中 劉新金 謝春萍 吉宜軍

摘要： 為了更好地了解不同彈性纖維的性能，為后續(xù)產品開發(fā)提供參考，文章選取了新型國產聚烯烴彈性纖維（XLA）、萊卡、國產千禧氨綸三種彈性纖維。分別通過掃描電鏡、紅外光譜、X射線衍射對纖維形態(tài)、化學結構及聚集態(tài)結構進行了對比分析，利用差示掃描量熱法、熱重、沸水收縮研究了纖維的熱學性能，使用XQ-2型纖維強伸度儀分析了纖維的拉伸彈性回復性能。結果表明：XLA在較小的應力下可以產生較大的伸長，初始模量比氨綸高，熱穩(wěn)定性好;萊卡具有較好的拉伸性和彈性回復性，但沸水收縮性及熱穩(wěn)定性不及XLA和千禧氨綸;千禧氨綸在力學性能方面可以與萊卡相媲美。

關鍵詞： 彈性纖維;結構;彈性回復;伸長;熱穩(wěn)定

中圖分類號： TS101.921 ? 文獻標志碼： A ? 文章編號： 1001-7003（2019）05-0044-07 ? ?引用頁碼： 051108

Abstract： In order to better understand the properties of different elastic fibers and provide reference for the subsequent product development， three kinds of elastic fibers were selected， including new domestic polyolefin elastic fiber （XLA）， Lycra， and domestic Qianxi spandex. The fiber morphology， molecular structure and aggregate structure were compared and analyzed by scanning electron microscopy， infrared spectroscopy and X-ray diffraction. The thermal properties of the fiber were studied by differential scanning calorimetry， chemical structure and boiling water shrinkage. The tensile elastic recovery properties of the fibers were analyzed by an XQ-2 fiber strength meter. The results showed that XLA could produce large elongation under small stress; the initial modulus was higher than spandex， and the thermal stability was good. Lycra had good stretchability and elastic recovery， but boiling water shrinkage and thermal stability were not as good as XLA and Qianxi spandex; Qianxi spandex could compete with Lycra in terms of mechanical properties.

Key words： elastic fiber; structure; elastic recovery; elongation; thermal stability

隨著人們對舒適性要求的提高，彈性纖維因其低模量、高回彈性、高斷裂伸長率，被廣泛應用于織物中，應用領域從傳統(tǒng)的織襪、內衣、運動裝拓展到休閑裝、高檔成衣，并向醫(yī)學領域、汽車領域滲入，如Domenico M.Romeo等[1]提出萊卡彈性套裝可改善腦癱患兒的運動功能和靜態(tài)平衡。目前彈性纖維有聚氨酯、聚醚酯、聚烯烴、PTT 及雙組分復合卷曲聚酯纖維等[2]。氨綸為開發(fā)最早，應用最為廣泛的高彈性纖維，它是聚氨基甲酸酯纖維的簡稱，1962年由美國杜邦公司實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產，并命名為Lycra（萊卡）。中國氨綸生產起步于20世紀80年代末，雖起步晚但發(fā)展較快，代表公司為煙臺氨綸股份有限公司、浙江華峰氨綸股份有限公司等。新型聚烯烴彈纖維DOW XLA是2002年由美國陶氏化學公司紡織纖維部開發(fā)的，以烯烴為基礎由熔融紡絲交聯(lián)聚合而成新一代耐熱耐化學藥劑的彈性纖維[3]。XLA為國產聚烯烴彈性纖維，是一種能夠為梭織產品提供長效彈性及回復性的彈性纖維，承受高達220℃的溫度，具有抗強酸、強堿、強氧化劑的特性。本文選擇了不同規(guī)格的三種彈性纖維，對其內部結構、形態(tài)特征、吸濕性、力學性、熱學性進行了對比研究分析，為后續(xù)產品開發(fā)提供參考。

1 試 驗

1.1 材 料

新型聚烯烴XLA彈性纖維（24.4、46.7dtex），采用熔融紡絲法生產[4]（上海連晟紡織品有限公司），Lycra（萊卡）（22.2、44.4dtex）（英威達纖維（佛山）有限公司），國產千禧氨綸（22.2、44.4dtex），采用干法（間歇聚合）生產[5]（浙江華峰氨綸股份有限公司）。

1.2 儀器與方法

1.2.1 儀 器

SU1510掃描電子顯微鏡（日本日立株式會社），NICOLET is10傅立葉紅外變換光譜儀（美國賽默飛世爾科技中國有限公司），D2 PHASER X射線衍射儀（德國布魯克AXS有限公司），XQ-2型纖維強伸度儀（東華大學），YG020B單紗強力儀（常州第二紡織機械有限公司），數(shù)顯恒溫水浴鍋（常州金壇實驗儀器），YG 747型通風式快速八藍烘箱（南通宏大試驗儀器有限公司），Q-500熱重分析儀、Q-200差示掃描量熱儀（美國TA儀器公司）。

1.2.2 形貌分析

用Y172型纖維切片器將彈性纖維制作切片，纖維噴金后使用SU1510掃描電子顯微鏡觀察彈性纖維的橫截面，將剪成數(shù)根8mm長的纖維粘在導電膠上觀察縱截面，放大倍數(shù)×1000。

1.2.3 分子結構

利用NICOLET is10傅立葉紅外變換光譜儀研究纖維的分子基團結構，將纖維用切片器切成均勻的粉末，用溴化鉀壓片法制樣，測量范圍500～4000cm-1。采用D2 PHASER X射線衍射儀測定聚集態(tài)結構，制樣方法為粉末狀，掃描速度2°/min，掃描范圍5°～80°。

1.2.4 彈性測試

參照FZ/T50007—2012《氨綸絲彈性試驗方法》標準，利用XQ-2型纖維強伸度儀測試彈性纖維的彈性回復性。試驗條件為：夾鉗隔距長度20mm，拉伸速度40mm/min，預加張力0.001cN/dtex，重復測試5次，結果取其平均值。一次定伸長拉伸回復試驗設置定伸長分別是50%、100%、200%、300%，停頓時間30s，回復時間30s。循環(huán)定伸長彈性測試，設定定伸長分別是50%、100%、200%、300%，循環(huán)測試5次，前4次拉伸循環(huán)中沒有停頓，第5次循環(huán)拉伸至相應定伸長時停頓30s，回到原位后再停30s，然后進行拉伸，依次求取塑性變形、彈性回復率。計算公式如下：

1.2.5 拉伸性能測試

參照FZ/T50006—2013《氨綸絲拉伸性能試驗方法》，利用YG020B單紗強力儀分別測試彈性纖維的斷裂強度、斷裂伸長率，以及300%伸長時的強力。試驗條件為：夾持間隔距離50mm，拉伸速度500mm/min，預加張力0.001cN/dtex，每個卷裝取5根試驗，試驗總次數(shù)為10次。

1.2.6 沸水收縮率測試

參照GB/T6505—2008《化學纖維長絲熱收縮率試驗方法》，采用單根法，從每個樣品筒管上剪取60～70cm長的試樣3個，放在絨板上煮沸前平衡3h。將試樣逐根夾入1m立式量尺上端的夾持器中，試樣下端夾持預加張力0.001cN/dtex，等待30s后，用黑色記號筆在零點和50cm處做標記，煮前長度L0為50cm。將平衡后的試樣用紗布包好，放入100℃去離子沸水中，使用數(shù)顯恒溫水浴鍋煮沸30min，在標準大氣條件下自然晾干，試樣在松弛狀態(tài)下煮沸后平衡18h，測量煮沸后兩個標記點間長度L1。沸水收縮率是指化纖試樣經沸水收縮處理前后長度的差值對處理前長度的百分率，計算公式如下：

1.2.7 吸濕性測試

參照GB/T6503—2008《化學纖維回潮率試驗方法》，采用YG 747型通風式快速八藍烘箱測試纖維回潮率。稱取50g試樣，烘燥溫度（105±3）℃，烘燥時間2h。

1.2.8 熱性能分析

將纖維烘干，用哈氏切片器將纖維切成粉末狀，并稱取5mg左右置于陶瓷坩堝內，利用Q-500熱重分析儀在氮氣環(huán)境下，氮氣流60mL/min，以20℃/min速率升溫，在50～700℃內測試彈性纖維的熱失重。采用Q-200差示掃描量熱儀分析彈性纖維的熔融溫度，稱取5mg左右的粉末狀纖維樣品置于鋁坩堝內，以氮氣為保護氣，N2速率50mL/min，初始溫度0，以10℃/min速率升溫至300℃。

2 結果與分析

2.1 纖維的結構

2.1.1 化學結構分析

圖1為三種纖維的傅里葉紅外光譜圖，觀察發(fā)現(xiàn)XLA的紅外光譜在2917.25cm-1和2849.04cm-1有強吸收峰，對照標準譜，為—CH2—基團伸縮振動;1464.93cm-1和719.31cm-1處的吸收峰為—CH2—和—[CH]n—的彎曲振動;譜圖中未出現(xiàn)高于3000cm-1的吸收帶，表明分子中不存在不飽和的烴基，因此表現(xiàn)出優(yōu)異的化學穩(wěn)定性。根據(jù)圖1中萊卡、千禧氨綸的紅外光譜圖，在3325.53cm-1和3323.20cm-1處的吸收峰為N—H對稱伸縮振動;2960～2800cm-1是H3C—CO—CH3的—CH3伸縮振動;1101.24cm-1和1104.20cm-1是醚基C—O—C的伸縮振動特征峰。以上可以看出，兩種氨綸的峰值變化趨勢基本相同，表明萊卡與千禧氨綸的主要成分與基團一致。對比分析發(fā)現(xiàn)，萊卡、千禧氨綸的圖譜中在1637.29cm-1和1637.52cm-1處有吸收峰，是脲基中的C═O的伸縮振動峰[6]，而采用熔融紡絲法生產的XLA圖譜中沒有此峰。

圖2為三種纖維的X射線廣角衍射強度曲線，譜圖有尖銳峰，表明試樣中存在晶態(tài)與非晶態(tài)且“兩相”差別明顯，2θ與晶型有關。衍射角相同時，波峰越高纖維對X射線的衍射強度就越大，纖維的結晶度也就越高[7]。從圖2可以看出，XLA的結晶度高于氨綸，兩種氨綸的X射線衍射峰位、峰型、衍射峰強度無明顯差別，表明其主要超分子結構基本相同。

XLA采用特殊的聚烯烴彈性新材料，經特殊工藝加工制成，XLA纖維的微觀結構顯示（圖3），它是由非晶體與高分子結晶體共存，其中非晶體柔性鏈形成交聯(lián)網絡，起著物理連接作用[8]。XLA纖維的彈性是由分子的結晶度、柔性鏈的長度和交聯(lián)網絡三者共同決定的，獨特的三維立體、樹杈型分子結構使他具有其他任何彈性纖維所不具備的優(yōu)異的物理及化學性能。氨綸是由軟鏈段和硬鏈段構成的線性嵌段共聚物，其微觀分子結構示意，如圖4所示。

2.1.2 形貌結構

圖5為XLA24.4dtex、萊卡22.2dtex、千禧氨綸22.2dtex的SEM圖。三種纖維的截面形態(tài)比較接近圓形，無皮芯或其他復合結構如圖5（a）（b）（c）所示。從圖5（d）（e）（f）可以看出，XLA為一根單絲構成，而萊卡、千禧氨綸均為兩根單纖形成的一根復絲;XLA、千禧氨綸表面有凹凸不平，而萊卡表面比較光滑，三種纖維表面都無溝槽、實心。

2.2 力學性能

2.2.1 拉伸性能

通過對不同規(guī)格的XLA、萊卡、千禧氨綸進行拉伸性能測試，其結果如表1所示。相同線密度萊卡與千禧氨綸的斷裂強度差異不大均較高，XLA的拉伸斷裂強度遠低于兩種氨綸，但300%伸長強力差異有所減小。XLA的斷裂伸長率比氨綸的高，即在低應力下可以產生較高的伸長。

2.2.2 拉伸彈性回復性能

在彈性織物中，如果拉伸力與回復力太大，會使人產生壓迫感與被束縛感。圖6為XLA（24.4dtex）與氨綸（22.2dtex）一次定伸長拉伸曲線，可以發(fā)現(xiàn)XLA和千禧氨綸的初始模量比萊卡高，XLA在低應力有較高的伸長，同樣伸長的XLA纖維回復力較小，這一特性使其具有柔和的彈性，用在織物中使其可以伸縮自然，有舒適的彈力、穿著貼身[9]。而XLA的伸長率在0～50%時的應力比同規(guī)格的氨綸反而要大一些，如圖6（a）所示，且XLA的回復力與組織結構應力是同方向的作用力，所以在最終的梭織彈性面料之中（通常梭織面料的彈性在10%～30%），含XLA的彈性面料的彈性回復率比含氨綸的彈性面料高。隨著定伸長的增加，從圖6（d）可以清楚地看到，當氨綸拉伸到一定程度后，就進入了氨綸的塑形變形區(qū)，如22.2dtex千禧氨綸當伸長達到200%（3.0倍）、22.2dtex萊卡伸長達225%（3.25倍）時，拉伸曲線開始出現(xiàn)不規(guī)則性呈鋸齒狀，XLA曲線比較平滑。當其伸長進入塑性變形階段后，彈性回復率降低，因此織出的匹布，會出現(xiàn)彈性下降的情況。

圖7為XLA（46.7dtex）與兩種氨綸（44.4dtex）一次定伸長拉伸彈性回復性能比較，表明定伸長小于等于200%時，三種彈性纖維的彈性回復率均較且大于90%;當定伸長大于200%，三種彈性纖維彈性回復率開始有所降低，300%時XLA的彈性回復率明顯減少到80.92%，萊卡的彈性回復性最優(yōu)。因此在生產中彈性纖維的牽伸倍數(shù)不易過大，為了節(jié)約成本且使織物保持較高的彈性及彈性回復性，一般222～46.7dtex的纖維，XLA的牽伸倍數(shù)在3.25左右，氨綸的牽伸倍數(shù)為3.5左右。

表2、表3分別是不同規(guī)格的三種彈性纖維循環(huán)定伸長塑性變形與彈性回復性能。數(shù)據(jù)表明，當定伸長大于200%時XLA塑性變形開始增大，彈性回復率逐漸減小，當伸長為300%時，XLA（24.4dtex）的彈性回復性僅為66.24%，而氨綸經反復拉伸彈性回復性仍較好，尤其萊卡彈性回復率仍然保持90%以上，正是因為氨綸軟硬鏈段的分子結構賦予了它良好的延伸性和彈性回復性。隨著定伸長值的增加，纖維越粗彈性回復性越好，塑性變形越小，XLA（46.7dtex）300%的循環(huán)定伸長彈性回復性為7452%。盡管在高伸長時XLA、千禧氨綸的彈性回復性不及萊卡氨綸，但在定伸長小于200%時，國產XLA與國產千禧氨綸表現(xiàn)出較為優(yōu)秀的彈性回復性。

2.3 吸濕性能

通過以上對XLA、萊卡、千禧氨綸分子結構的分析，可以得到XLA為聚烯烴類，烯烴基是疏水基團，纖維幾乎沒有活性基團;氨綸分子中存在著醚基，其中千禧氨綸中還有少量脲基，萊卡與千禧氨綸分子中具有一定數(shù)目的弱親水基團。因此，XLA纖維的回潮率比氨綸低，千禧氨綸中脲基的存在使其吸濕性比萊卡的略好，具體回潮率見表4。一般來說，纖維吸濕性小，織物在濕態(tài)下的折皺回復性好，縮水性小，織物的免燙性越好。

2.4 熱學性能

2.4.1 沸水收縮性

沸水收縮率是影響織物保形因素之一。表5中數(shù)據(jù)顯示，XLA的沸水收縮率小于氨綸，同時千禧氨綸的沸水收縮小于萊卡，表明XLA具有良好的熱穩(wěn)定性與抗皺性。這是由XLA與氨綸結晶度與晶區(qū)結構的差異造成，提高結晶度、取向度，纖維內部晶區(qū)增加、內部分子排列整齊，結構穩(wěn)定，纖維不易收縮，故沸水收縮率低[10]。隨著纖維線密度的增加，沸水收縮率逐漸減少，如千禧氨綸22.2dtex沸水收縮率為9.7%，44.4dtex為8.1%。

2.4.2 熱學性能

由儀器自帶的TA Universal Analysis軟件分析得出，三種纖維的熔融溫度分別120.38、268.36、25938℃;熱焓值ΔH分別是38.71、6.982、7.396J/g，如圖8所示。XLA具有較低的結晶度，賦予纖維較好的內熱性，雖然熔融溫度低，但由于分子間的共價交聯(lián)作用，纖維沒有發(fā)生分解，直到425℃才發(fā)生大量分解，如圖9所示。XLA熱穩(wěn)定性比萊卡、千禧氨綸好，萊卡與千禧氨綸的熱穩(wěn)定性差異不大，三種纖維的初始分解溫度（95%）分別是366、280、293℃。XLA纖維的耐熱性不是來自結晶體，而是柔性鏈之間的網絡交聯(lián)起主要作用，耐高溫達220℃，熱定型溫度只需120℃即可，是一種真正可低溫定型的彈性纖維。XLA只有C—H鍵，主要成分是可循環(huán)利用的聚烯烴，且在紡絲加工過程中沒有產生任何副產品，熱分解后無殘留物，是一種比較環(huán)保的新型彈性纖維，已獲得Oketex-100認證。

3 實踐應用分析

這三種彈性纖維，裸絲都具有低強高伸的特點，單獨使用會給生產帶來一定困難，故一般作為包覆紗的芯絲[11]。XLA獨特的耐高溫耐化學腐蝕，如耐強酸強堿強氧化劑等，它能承受劇烈的漂白、絲光處理，幾乎不影響其織物的彈性回復性，有較好的懸垂性，手感蓬松柔軟接近棉感。XLA彈性纖維最適合生產彈性10%～20%舒適彈性面料，包括舒彈襯衫面料、舒彈褲裝面料、舒彈毛料、舒彈工裝面料、舒彈牛仔面料等領域，在國外XLA纖維通過主要的品牌生產商和大型零售商“Perry Ellis”“Tommy Hilfiger”和“Calvin Klein”，已成功打入男式襯衫市場。氨綸由于其優(yōu)異的彈性回復性適合各類高彈性織物，裸絲一般做緊身衣、襪子等，另外還有包芯紗、包覆紗及合捻紗等，研究發(fā)現(xiàn)萊卡在醫(yī)學領域也有廣泛應用。

4 結 論

觀察三種彈性纖維的形態(tài)結構，XLA為單絲，萊卡與千禧氨綸均為兩根單絲形成的復絲;在分子結構中因XLA分子中不存在不飽和的烴基，表現(xiàn)出優(yōu)異的化學穩(wěn)定性，可以做絲光、液氨、潮交聯(lián)等處理。XLA和千禧氨綸的初始模量比萊卡高，XLA具有柔和的伸縮性能，但其彈性回復性不及氨綸。兩種氨綸都具有優(yōu)良的拉伸性和彈性回復性，但耐熱性、耐氯漂性不及XLA。千禧氨綸中因含有少量的脲基，初始分解溫度比萊卡略高，吸濕性比萊卡好。由于結晶度與大分子取向度的差異，造成三種纖維的沸水收縮率不同，XLA沸水收縮率最小且回潮率低，因此在梭子織物中加入XLA纖維，可使衣物表現(xiàn)出較好的保形性和免燙性，且具有舒適的彈性、易護理。

參考文獻：

[1]ROMEO D M， PECCHIA A， SINI F， et al. Effects of Lycra suits in children with cerebral palsy [J]. European Journal of Paediatric Neurology， 2018（5）： 1-6.

[2]王莉莉， 董俠， 朱平， 等. 長碳鏈聚醚酰胺-彈性纖維開發(fā)及其彈性機理[J]. 高分子學報， 2017（5）： 752-760.

WANG Lili， DONG Xia， ZHU Ping， et al. Research and development of long chain poly （amide-co-ether） elastic fibers and the corresponding elastic mechanism [J]. Acta Polymerica Sinica， 2017（5）： 752-760.

[3]薛璞， 王俊璞， 陶曉明， 等. 等離子體表面處理對柔性導電纖維傳感性能的影響[J]. 功能材料， 2017， 48（9）： 86-88.

XUE Pu， WANG Junpu， TAO Xiaoming， et al. The effects of plasma treatment on the strain sensing performance for the flexible conductive fibers [J]. Journal of Functional Materials， 2017， 48（9）： 86-88.

[4]張連根， 高金花. 聚乳酸黏膠混紡紗與夢絲交織彈性面料開發(fā)[J]. 針織工業(yè)， 2018（5）： 12-14.

ZHANG Liangen， GAO Jinhua. Development of polylactic acid/rayon blended yarn and XLA interknitted stretch fabric [J]. Knitting Industry， 2018（5）： 12-14.

[5]黃慶， 崔寧， 崔華帥， 等. 國內外彈性纖維的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 紡織導報， 2009（7）： 60， 62-64.

HUANG Qing， CUI Ning， CUI Huashuai， et al. Status-quo and development of elastic fiber at home and abroad [J]. China Textile Leader， 2009（7）： 60， 62-64.

[6]劉偉時， 薛孝川， 司徒建崧， 等. 熔紡氨綸結構和性能的研究[J]. 化纖與紡織技術， 2010， 39（3）： 4-9.

LIU Weishi， XUE Xiaochuan， SITU Jiansong， et al. Structure and performance of melt-spinning spandex [J]. Chemical Fiber & Textile Technology， 2010， 39（3）： 4-9.

[7]周蓉， 張一平， 張曉俠. 幾種錦綸長絲的性能研究[J]. 河南工程學院學報（自然科學版）， 2018， 30（1）： 5-8.

ZHOU Rong， ZHANG Yiping， ZHANG Xiaoxia. Study on the properties of some polyamide filaments [J]. Journal of Henan University of Engineering（Natural Science Edition）， 2018， 30（1）： 5-8.

[8]陳熙婷， 王妮， 俞建勇. 聚烯烴彈性纖維XLATM的結構及其彈性表征[J]. 合成纖維， 2009， 38（9）： 20-24.

CHEN Xiting， WANG Ni ，YU Jianyong. The characterization of structure & elastic properties of polyolefin based elastic fiber XLATM [J]. Synthetic Fiber In China， 2009， 38（9）： 20-24.

[9]羅棟. 新型XLA彈性纖維研究現(xiàn)狀探討[J]. 合成材料老化與應用， 2016，45（3）： 141-144.

LUO Dong. New XLA elastic fiber research status and properties discuss [J]. Synthetic Materials Aging and Application， 2016，45（3）： 141-144.

[10]孫迎春， 張斌， 王寶總， 等. 氨綸沸水收縮率影響因素探討[J]. 紡織報告， 2017（3）： 32-34， 44.

SUN Yingchun， ZHANG Bin， WANG Baozong， et al. Discussion of influential factors on the boiling water shrinkage of spandex [J]. Textile Reports， 2017（3）： 32-34， 44.

[11]吳基作. 羊毛/XLA纖維免燙彈力面料的設計與開發(fā)[J]. 毛紡科技， 2015， 43（8）： 17-19.

WU Jizuo. Design and production of wool/XLA elastic fabric [J]. Wool Textile Journal， 2015， 43（8）： 17-19.