異形滌綸的吸濕快干性評價

王金花

中國紡織科學研究院有限公司 北京 100025

1 前言

滌綸的許多物理、化學性能都優(yōu)于天然纖維，但由于滌綸是疏水性纖維，大分子中缺乏親水基團，吸濕性差，導致其易產(chǎn)生靜電、易沾污和染色困難等問題，影響了服裝的穿著舒適性。改進滌綸織物的吸濕性能，改善其織物穿著的舒適感受，是滌綸研究中的一個重要方向。

對滌綸的改性，主要是通過化學改性和物理改性的方法賦予其較高的吸水性和疏水性，以提高滌綸織物穿著的舒適感[1]。為保留滌綸織物的特性，提高其服用舒適性，世界各大化纖公司都相繼開發(fā)出了吸濕快干的異形滌綸[2]，使纖維具有溝槽結(jié)構(gòu)，并且在纖維壁上設(shè)計出許多微孔，這樣水氣就可以順著溝槽和微孔導出。

雖有較多文獻報道對織物的吸濕快干性進行了研究[3-5]，但針對纖維的吸濕快干性評價報道較少，本文選取了較為常規(guī)的“+”字形截面異形滌綸纖維，進行了吸濕快干性評價。通過對纖維保水率、失水率和干燥速率的測定，結(jié)合纖維表面溝槽對其吸水和排水能力的影響，總結(jié)出影響纖維吸濕快干性的因素。

2 實驗部分

2.1 材料和試劑

PET切片，中國石化集團洛陽石化分公司提供，特性粘數(shù)：0.678 dl/g。工作中使用的試劑均為分析純。

2.2 紡絲和牽伸

在中國紡織科學研究院有限公司的單螺桿紡絲機上進行紡絲，噴絲板為“+”字形36孔，紡絲速度3000m/min。英國萬能電子強力機INSTRON-2340測試纖維的斷裂強度和斷裂伸長率等力學性能，夾持距離200mm，拉伸速度200mm/min。

2.3 掃描電鏡觀察

用日本JEOL JSM-6360掃描電子顯微鏡（SEM）觀察纖維側(cè)面和橫截面形貌。

2.4 吸濕快干性測試

2.4.1 保水率測試

將纖維脫油后干燥并稱重，記錄質(zhì)量W，再完全浸入蒸餾水中1h，取出后自然排水2 min，然后裝入底部帶有小孔的離心套管中以2000 r/min的速度離心脫水5min，取出纖維迅速放入天平中稱重，記錄質(zhì)量W1，根據(jù)公式（1）計算纖維保水率。

2.4.2 干燥速率

測試保水率的纖維不取出天平，直接在托盤上每隔5min記錄其質(zhì)量的變化，直到纖維重量達到平衡，并根據(jù)公式（2）算出纖維失水率，然后對失水時間作纖維干燥速率曲線，稱量過程中保持天平內(nèi)濕度為75%。

圖1 纖維橫截面和側(cè)面的SEM照片

表1 纖維的力學性能

表2 三種纖維尺寸參數(shù)和保水率值

3 結(jié)果和討論

3.1 纖維力學性能

纖維的力學性能列于表1，A、B、C三種纖維為不同紡絲溫度下的纖維樣品。纖維B的線密度最大，纖維最粗，而A和C線密度接近，纖維較細，纖維B力學性能也弱于其他兩種纖維。

3.2 纖維截面和側(cè)面觀察

經(jīng)SEM 觀察纖維截面和側(cè)面，如圖1所示。纖維A截面形狀與B和C有明顯區(qū)別，“十”字形凹槽輪廓不明顯；B 和C 則呈規(guī)則“十”字形，纖維表面的凹槽形狀在圖中也很清晰，B纖維較粗，表面凹槽寬大；C纖維表面凹槽明顯。

3.3 纖維的異形度和比表面積

纖維截面的異形度是指非圓形纖維截面形狀凹凸的尺度，異形度越大表明形狀越曲折。異形度可以用分支度來表示[6]，圓的分支度為12.6 ，分支度越高說明異形度越大，分支度 B 可用式(3)來計算。

式中： L 為纖維截面周長（μm）; S為纖維截面面積（μm2）。

將3種纖維的截面圖形投影到坐標紙上[7]，各選出有代表性的3個，分別計算其周長和面積并帶入式（3）進行計算，最后取其平均值作為該種纖維的分支度。并根據(jù)公式（4）計算纖維比表面積（Sg），所得結(jié)果如表2。

式中： L 為纖維截面周長（μm）; C為纖維長度（m）；W 為纖維質(zhì)量（g）。

3.4 纖維吸濕快干性

3.4.1 保水率

三種滌綸保水率列于表2。保水率是單位絕干重量纖維所含有的不能用機械方法除去的水分，以重量百分率表示，一般對保水率的測試方法都采用離心法[8]。

圖2 三種纖維保水率與比表面積的線性關(guān)系曲線

圖4 消除比表面積后纖維干燥速率曲線

圖3 纖維干燥速率曲線

C和A線密度接近，但前者截面呈規(guī)則“十”字形，纖維表面有凹槽，所以截面面積大，異形度大，比表面積最大，所得保水率也最大；B雖表面凹槽輪廓清晰，但因纖維較粗，比表面積最小，所得保水率值最小；而A雖表面凹槽不明顯，但比表面積介于兩者之間，所以保水率也介于兩者之間。將三種纖維的保水率(Y)對比表面積(X)作圖，兩者呈線性關(guān)系，Origin擬合得相關(guān)系數(shù)為1的曲線，方程如下：

Y = -1.25966 + 0.21072 X - 9.32443 10-4X2

可見對疏水性纖維而言，纖維紡異形后增大了比表面積，增加了表面的凹槽，使纖維毛細效應(yīng)增強，從而使纖維的保水率提高。

3.4.2 干燥速率

根據(jù)公式（2）計算對應(yīng)時間的纖維失水率值，對時間作圖，得到纖維失水速率曲線如圖3。

由圖3a，在干燥放濕過程達到平衡前，C失水率值始終小于其它兩種纖維，可見纖維C能夠吸收和保留水的能力最強。將圖3a中曲線微分，所得纖維的失水速率曲線如圖3b，失水速率曲線可被分為三部分，分別對應(yīng)圖中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，第Ⅰ部分為0～10min，速率變化快，說明此段時間是纖維表面水的干燥過程，三者失水速度都很快且接近一致，第Ⅱ部分為10～70min，速率變化明顯趨于緩慢，此段時間為纖維溝槽中存儲的水的干燥過程，因為纖維為十字形截面，溝槽寬闊，所以溝槽儲存的水相對較少，三者速率接近，70min后為第Ⅲ部分，此段時間為纖維間相交或相并部分存儲在溝槽中的水的干燥過程，與纖維的堆砌程度有關(guān)，在此段時間C失水最快，而B則最慢。原因為C纖維較細，比表面積最大，所以失水最快，但因其保留的水份最多，所以達到放濕平衡的時間最長，而B纖維較粗，比表面積最小，所以失水最慢，保留的水最少，最先達到失水平衡，而A則介于兩者之間。

圖5 纖維C離心脫水5min和10min的干燥速率曲線

3.4.3 放濕回歸方程的建立

根據(jù)文獻[9]，纖維吸濕放濕的理論曲線(在平衡過程中回潮率與時間的關(guān)系曲線) 為指數(shù)曲線，此處干燥速率曲線同樣適用，失水率對時間的回歸方程通式為：

y = a ( 1 - e-bt)

式中a 、b為常數(shù)。

利用Origin 數(shù)學分析軟件對實驗結(jié)果進行曲線擬合，得其擬合方程：

w = a ( 1 - e-bx)

纖維A為：W =95.61332

( 1- e-0.0240t) R2=0.98104

纖維B為：W =94.71456

( 1- e-0.02851t) R2=0.98489

纖維C為：W =97.05841

( 1- e-0.02014t) R2=0.98452

所得回歸方程與纖維吸、放濕的經(jīng)驗方程式[10]W= Wp+(W0+Wp)e-at基本一致，在式中： W 為纖維干燥過程中任意時刻t 的保水率(%)；Wp為纖維干燥平衡的保水率(%)；W0為纖維的初始(t=0)保水率(%)；a為干燥系數(shù)。

將圖3a中纖維的保水率除以比表面積，消除比表面積對纖維失水速度的影響，所得曲線如圖4。

纖維失水速率受纖維的比表面積大小、纖維表面的溝槽形狀和深度[11]、纖維的堆砌程度等共同影響，但纖維的比表面積對其影響最大。由圖4，消除比表面積的影響以后，纖維干燥速率曲線和圖3有明顯區(qū)別。纖維比表面積相同時，堆砌程度決定了失水速率，B纖維較粗，所以堆砌程度較小，失水速率越大，最快達到失水平衡。

3.5 離心脫水時間的影響

將纖維離心脫水的時間增加為10min，所得干燥速率曲線如圖5a。離心時間增長，使纖維的初始保水率值減小，兩者相差1.13%。將5min曲線的高出1.13%的部分取掉，剩余的部分計為從零開始，如圖5b，可見兩條干燥速率曲線基本相同50min 后接近于重合。所以離心時間的不同，只改變了纖維的初始保水率值，而對纖維的干燥過程幾乎沒有影響。

4 小結(jié)

1）纖維紡異形后極大地增加了比表面積，而且纖維表面的溝槽提高了芯吸效應(yīng)，使纖維的吸水保水能力提高。

2）比表面積相同時，纖維的相互堆砌程度越小，干燥速率越大。

3）離心時間的不同，只改變了纖維的初始保水率值，而對纖維的干燥過程幾乎沒有影響。