堿處理對異形截面聚酯紗線芯吸效應及強力的影響

張 琳， 武海良， 沈艷琴， 毛寧濤,2

(1. 西安工程大學 紡織科學與工程學院， 陜西 西安 710048；2. 英國利茲大學 設計學院， 英國 利茲 LS2 9JT)

異形截面聚酯纖維由于導濕性好，被廣泛應用于制作吸濕快干內衣、吸濕涼爽夏季織物和運動服等[1-3]，為功能性紡織品的開發創造了優越的條件。異形截面聚酯纖維截面有多條異形細微溝槽，可有效地將肌膚表面的汗水和濕氣瞬間吸收并快速傳輸至表面，達到吸濕快干和吸濕涼爽的效果。異形截面聚酯纖維織物需要經退漿處理，以滿足印染的要求。目前退漿的方式主要有堿退法、酶退法、氧化劑退法及酸退法。由于異形截面聚酯纖維漿紗或漿絲時通常采用聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯酸酯及聚酯漿料，對于這類漿料，退漿時通常采用堿法退漿工藝。退漿過程中堿會影響聚酯纖維的性能，因此堿對聚酯纖維性能的影響一直是研究的熱點[4-6]。

許多研究結果表明，堿處理對聚酯微觀結構及力學性能具有很大的影響[7-8]，如有文獻[9]研究了堿對聚酯纖維復合材料力學性能的影響，發現堿在一定程度上可有效破壞復合材料的力學性能；劉越等[10]探討了堿水解對改性聚酯纖維性能的影響，得出適當的堿處理有助于水分子在纖維間的傳遞；王維明等[11]對中空聚酯短纖維的耐堿性及力學性能進行了探討，發現堿濃度適中時可保留聚酯纖維原有的中空結構；梁必超等[12]研究了酸堿對聚酯/聚酰胺纖維性能的影響，指出聚酯纖維耐堿性差。這些研究均得出一致的結論：堿處理對聚酯纖維紗線的性能影響很大，但目前研究大多集中在堿對紗線力學方面的影響上，對堿處理后水分子在紗線中的傳遞機制，尤其是堿量如何保證紗線芯吸效應和力學性能的一致方面的研究較少。

本文從退漿方式及要求出發，系統研究堿處理前后異形截面聚酯纖維表面形態變化、芯吸效應、潤濕性及強力的變化情況，以期為制定異形截面聚酯纖維織物退漿工藝以及對漿料的選擇提供參考。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器

實驗材料：異形截面聚酯纖維(Coolsmart纖維，1.34 dtex)、異形截面聚酯紗線(Coolsmart紗線，19.1 tex)，南通雙弘紡織有限公司；NaOH(化學純)，北京益利精細化學品有限公司。

實驗儀器：HH-6型恒溫水浴鍋(金壇市國旺實驗儀器廠)、60SXR型傅里葉變換紅外光譜儀(美國尼高力儀器公司)、Quanta 600 FEG型場發射掃描電鏡(美國FEI公司)、HD021 N型電子單紗強力儀(南通宏大實驗儀器有限公司)、LLY-06EDC型電子單纖維強力儀(萊州市電子儀器有限公司)、YG(B)871型毛細管效應測定儀(溫州際高檢測儀器有限公司)、OCA20型全自動單一纖維接觸角測量儀(德國Dataphysics Instruments GmbH公司)。

1.2 實驗方法

1.2.1堿處理工藝

稱取一定量的異形截面聚酯纖維紗線，分別配制質量分數為2%、4%、6%、8%的NaOH溶液，浴比為1∶30，水浴加熱至100 ℃，將紗線浸漬在不同質量分數的堿液中，保溫處理60 min，處理后的紗線用蒸餾水洗凈，直至紗線附著液的pH值為6～7，在40 ℃條件下烘干后進行性能測試。

1.2.2異形截面聚酯纖維的結構表征

制取粉末試樣，采用傅里葉變換紅外光譜儀測試異形截面聚酯纖維結構，根據紅外光譜中吸收峰的強度、位置和形狀，確定纖維的化學組成[13]；為觀察纖維表面形態，用導電膠將樣品固定在樣品臺上，經真空噴金處理后，采用掃描電子顯微鏡分析異形截面聚酯纖維的表面形態[14]。

1.2.3異形截面聚酯紗線性能測試

斷裂強力：在電子單紗強力儀上進行測試，夾口間隔距為500 mm，拉伸速度為500 mm/min，每組測試30次，取平均值。

芯吸效應：按照FZ/T 01071—2008《紡織品 毛細效應試驗方法》，采用毛細管效應測定儀測量異形截面聚酯紗線的毛細高度[15]。

芯吸速率的計算公式為

式中：v為芯吸速率，cm/min；h為芯吸高度，cm；t為達到該芯吸高度的時間，min。

接觸角測量：實驗過程中以三級水為測試液。采用座滴法，用全自動單一纖維接觸角記錄水滴在紗線中的鋪展過程，并采用橢圓法對水滴的形態進行分析，得到初始表觀接觸角[16]。

2 結果與討論

2.1 異形截面聚酯纖維紅外光譜分析

圖1 異形截面聚酯纖維與紗線的紅外光譜圖Fig.1 FT-IR of profiled polyester fiber and yarn

2.2 異形截面聚酯纖維表面形態

圖3 堿處理后異形截面聚酯紗線芯吸高度及芯吸速率Fig.3 Wicking height (a) and wicking rate (b) of profiled polyester yarn after alkali treatment

異形截面聚酯纖維的表面形態如圖2所示。可見，異形截面聚酯纖維的橫截面為“十”字形，沿纖維縱向有四道溝槽，縱向溝槽起到毛細管作用，為水分的遷移提供通道，使異形截面聚酯纖維及紗線具有芯吸效應，賦予了異形截面聚酯纖維織物吸濕涼爽和吸濕快干的性能。聚酯在聚合過程中會形成聚合度為2～10的低聚物，在紡絲過程中高熔點的環狀低聚物容易沉積在纖維的表面，如圖2(b)所示。異形截面聚酯纖維溝槽處會被低聚物填塞，影響水分子在纖維芯吸管道中的傳輸；在漿紗或漿絲時漿料填充在纖維溝槽中，退漿不凈時亦會堵塞水分子遷移通道，阻礙水分子的快速擴散，造成織物的吸濕涼爽性、吸濕快干性能下降。

圖2 異形截面聚酯纖維表面形態(×5 000)Fig.2 Morphology structure of profiled polyester fiber(×5 000). (a) Cross section structure; (b)Longitudinal structure

2.3 堿處理對紗線芯吸高度的影響

圖3示出不同質量分數堿處理后異形截面聚酯紗線芯吸高度及芯吸速率與芯吸時間的變化情況。可以看出，堿處理后異形截面聚酯紗線的芯吸高度和芯吸速率高于未處理紗線的芯吸高度和芯吸速率，堿處理后紗線的水分傳導速度要比未處理紗線的水分傳導速度快，這是由于在紡絲過程中齊聚物填塞于異形截面聚酯纖維溝槽處，影響了水分子在纖維芯吸管道的傳輸。聚酯纖維結構薄弱點處的堿水解速度較快，這是堿減量的作用點，通過堿水解使異形截面聚酯纖維溝槽處的齊聚物得到清理，從而使得異形截面聚酯紗線的芯吸性能提高、芯吸速率加快。從圖3還可看出，當堿質量分數為4%時，紗線的芯吸效應最好。不同質量分數堿液對異形截面聚酯纖維處理后纖維表面狀態如圖4所示。

圖4 不同質量分數堿處理后異形截面聚酯纖維的表面結構(×10 000)Fig.4 Surface structure characteristics of profiledd polyester fiber treated with alkali of different concentrations(×10 000).(a) Profiled polyester fiber; (b) Treated with 2% alkali; (c) Treated with 4% alkali; (d) Treated with 6% alkali; (e) Treated with 8% alkali

圖5 不同質量分數堿處理后紗線與水滴接觸時的初始形態Fig.5 Appearance of initial contact between yarn and water drop treated with alkali of different concentrations. (a) Profiled polyester yarn; (b) Treated with 2% alkali; (c) Treated with 4% alkali; (d) Treated with 6% alkali; (e) Treated with 8% alkali

當堿液的質量分數在4%以下時，堿液不能完全去除纖維溝槽中的低聚物(見圖4(b))；當堿液質量分數為4%時，纖維溝槽中的低聚物被清理干凈，溝槽光滑，水分傳遞阻力減小(見圖4(c))，芯吸高度增加；當堿液質量分數超過6%時，堿液對纖維溝槽表面刻蝕，纖維表面出現凹凸不平的裂痕，致使溝槽表面不光滑(見圖4(d)、(e))，水分傳輸阻力增大，相對于堿液質量分數在4%時其芯吸高度減小。由此可知，對異形截面聚酯織物進行退漿處理時，堿液質量分數在4%時為宜。

2.4 堿處理對紗線潤濕性的影響

圖5示出不同質量分數堿處理后紗線與水滴的初始接觸形態。圖6示出經不同質量分數堿處理后紗線與水滴的初始表觀接觸角。

圖6 堿處理前后紗線與水滴的接觸角Fig.6 Contact angle between water and profiled polyester yarn before and after alkali treatment

從圖6可以看出，經堿處理后，紗線潤濕性變好，紗線與水滴的接觸角變小。這是因為異形截面聚酯纖維化學結構為聚酯，聚酯在堿溶液中加熱會發生水解，水解過程如圖7所示。

圖7 聚酯纖維與NaOH溶液的化學反應Fig.7 Chemical reaction of polyester fibers with NaOH solution

堿處理后使纖維上的酯鍵斷開，引入了親水基團——羧基和羥基，改善了異形截面聚酯纖維紗線的潤濕性。堿液中的OH-水解了纖維表面結構較疏松的非結晶區域和有缺陷的結晶區域，纖維表面出現樹狀溝槽和凹坑甚至破損(如圖4(d)、(e))，使異形截面聚酯纖維結構變得更加松散，相對于未處理的原紗更有利于水分子對紗線的潤濕，堿處理后異形截面聚酯紗線的潤濕性比處理前明顯提高。

2.5 堿處理對紗線強力的影響

將異形截面聚酯紗線分別在質量分數為2%、4%、6%、8%的高溫堿液中處理60 min后，其強力及伸長率變化如圖8所示。可以看出，堿會損傷異形截面聚酯紗線的強力及伸長性能。堿液破壞了纖維大分子苯環之間的作用以及未取向部分極性酯鍵的作用。纖維在堿性溶液中形成酯鍵的離子化形式，大分子發生水解，纖維表面出現了凹凸不平的斑痕和坑穴(見圖4(d)、(e))，受到外力作用時應力集中到取向的主鏈上，使共價鍵破壞。隨著分子間作用力及共價鍵的不斷破壞，造成紗線受到外力時產生應力集中現象，導致紗線強力及伸長率降低。

圖8 堿處理對紗線強力及伸長率的影響Fig.8 Influence of alkali treatment on strength and elongation of yarn

從圖8可以看出：在堿質量分數達到2%時，紗線強力和伸長率損失較大；隨著堿液質量分數的增大，紗線強力和伸長率損失嚴重，當堿質量分數高于6%時，紗線強力快速下降。這是因為堿質量分數越高，溶液中的OH-數量越多，纖維表面破壞嚴重，出現更多的凹坑和裂痕，產生更多的應力集中點，宏觀上表現為紗線的強力降低、伸長下降。

3 結 論

1)堿處理能去除異形截面聚酯纖維溝槽中的齊聚物，增強纖維紗線的芯吸效應，堿處理時NaOH的質量分數在4%左右時，異形截面聚酯纖維紗線芯吸效果好。

2)經堿處理后，異形截面聚酯纖維表面出現凹坑甚至破損，使纖維結構變得更加松散，提高了紗線的潤濕性能。

3)堿處理可降低異形截面聚酯紗線的強力和伸長性，特別是當NaOH質量分數高于6%后，異形截面聚酯紗線的強力和伸長性損失顯著。

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