Porel纖維吸放濕性能及機(jī)理研究

劉 杰 石文英 李 坦

（河南工程學(xué)院，河南鄭州，450007）

聚酯纖維是重要的紡織纖維原料，但與天然纖維相比較，服用中存在悶熱、透氣性差等舒適性問題，這些問題都與纖維的吸濕性能有關(guān)［1］。目前，通過物理、化學(xué)改性方法，使聚酯纖維結(jié)構(gòu)具有親水基團(tuán)、高比表面積、異形溝槽結(jié)構(gòu)等，極大提高了纖維的親水性能，改善了聚酯面料的服用性能［2］。Porel纖維通過在聚酯纖維大分子鏈中引入第三單體（SIPE），增加分子中親水基團(tuán)的數(shù)量，改變纖維的橫截面形狀，使纖維的吸放濕性能發(fā)生了很大改變，纖維具有棉纖維良好的舒適性能，仿棉效果顯著，目前已應(yīng)用于服用面料［3-4］。Coolmax纖維是一種改性聚酯纖維，通過改變截面形態(tài)，在纖維縱面形成溝槽，可向外快速排濕［5］，提高了面料服用舒適性。本研究主要以普通聚酯纖維為對比樣，對采用物理改性的Coolmax纖維和同時采用化學(xué)和物理改性的Porel纖維進(jìn)行吸放濕性能及機(jī)理對比研究，旨在為纖維的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

Porel纖維、Coolmax纖維和普通聚酯纖維共3種，纖維規(guī)格均為1.67 dtex×38 mm。

1.2 測試儀器及方法

1.2.1 纖維微觀結(jié)構(gòu)的測試

形態(tài)結(jié)構(gòu)：JSM-5600LV SEM型掃描電鏡，放大倍數(shù)18萬倍～30萬倍，分辨率在高真空下為3.5 nm，低真空下為4.5 nm。

化學(xué)結(jié)構(gòu)：Nexus 670型傅里葉紅外-拉曼光譜儀（Fourier Transform Infrared-Raman Spectrometer）；制 取 粉 末 試 樣，KBr壓 片，波 數(shù)500 cm-1～4 000 cm-1。

1.2.2 纖維吸放濕性能的測試

依據(jù)GB/T 6503—2017《化學(xué)纖維 回潮率試驗(yàn)方法》測試?yán)w維吸濕性能，將纖維試樣2.0 g放在105℃左右的烘箱（YG747型八籃恒溫烘箱）內(nèi)烘干，稱得試樣質(zhì)量，放置于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)［溫度（20±2）℃，相對濕度（65±4）%］的織物透濕儀中，每隔5 min稱量一次，直至纖維達(dá)到吸濕平衡，計算回潮率，得到吸濕曲線。

依據(jù)GB/T 6503—2017測試?yán)w維放濕性能，將試樣2.0 g放在溫度20℃、相對濕度90%的恒溫恒濕箱（YG501D型恒溫恒濕箱）中，調(diào)濕72 h后達(dá)到放濕平衡，稱重后放置于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)［（20±2）℃，（65±4）%］的織物透濕儀中，每隔5 min稱量一次，直至纖維達(dá)到放濕平衡，計算回潮率，得到放濕曲線。

1.2.3 吸水動力學(xué)試驗(yàn)

測試3種纖維在不同時間的吸水量獲得吸水速度，采用準(zhǔn)一級、準(zhǔn)二級、Elovich動力學(xué)模型進(jìn)行纖維吸水的動力學(xué)研究。

1.2.3 .1吸水量的測試

依據(jù)纖維吸濕性能測試數(shù)據(jù)，采用式（1）計算吸水量。

式中：qt為t時間每千克纖維吸水量（g/kg），Gt為t時刻吸水后試樣的質(zhì)量（g），G0為纖維的干重（g）。

1.2.3 .2吸水動力學(xué)分析

式（2）為準(zhǔn)一級動力學(xué)吸水模型方程［6-7］，式（3）為準(zhǔn)二級動力學(xué)吸水模型方程。

式中：qe和qt分別為平衡吸水量和t時間的吸水量（g/kg），k1是準(zhǔn)一級吸水速率常數(shù)（min-1），k2是準(zhǔn)二級吸水速率常數(shù)（min-1）。

式（4）為Elovich吸水模型方程。

式中：α為最初吸水速率［g/（kg·min）］，β為脫附常數(shù)（g/kg），qt為t時間的吸水量（g/kg）。

2 結(jié)果與分析

2.1 纖維截面試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖1、圖2分別是Porel纖維、Coolmax纖維和普通聚酯纖維的縱、橫截面電鏡照片。

圖1 纖維縱截面圖

圖2 纖維橫截面圖

由圖1可以看出，Porel纖維和普通聚酯纖維在外觀上沒有明顯差異，表面都比較平整光滑豎直，纖維條干均勻，而Coolmax纖維豎直，表面有溝槽。

由圖2可以看出，Porel纖維的橫截面呈橢圓形，內(nèi)部中空實(shí)心結(jié)構(gòu)，橫截面呈圓形；Coolmax纖維為異形實(shí)心纖維，橫截面形狀不規(guī)則，約為“十”字形，普通聚酯纖維為圓形實(shí)心結(jié)構(gòu)。

2.2 紅外光譜試驗(yàn)結(jié)果與分析

Porel纖維、Coolmax纖維和普通聚酯纖維的紅外光譜圖如圖3所示。

圖3 纖維紅外光譜圖

由 圖3可 以 看 出，在500 cm-1～4 000 cm-1內(nèi)，Porel纖維、Coolmax纖維和普通聚酯纖維的特征透過率、光譜曲線基本一致，在722 cm-1、1 017 cm-1、1 094 cm-1、1 240 cm-1、1 327 cm-1、1 406 cm-1、1 712 cm-1、2 968 cm-1處均出現(xiàn)了普通聚酯纖維的特征峰。其中722 cm-1處的吸收峰由對位雙取代苯環(huán)—CH2面內(nèi)搖擺所形成；1 017 cm-1特征峰歸屬于苯環(huán)上CH鍵的面內(nèi)彎曲；1 240 cm-1處的強(qiáng)吸收峰表明纖維含有C—O基團(tuán)；1 712 cm-1處為C=O伸縮運(yùn)動；2 968 cm-1處為C—H的伸縮振動［8］。

Porel纖維除具有上述普通聚酯纖維的特征峰外，在3416 cm-1出現(xiàn)了新的吸收峰，為基團(tuán)—OH的伸縮振動，表明Porel纖維含有大量的親水基團(tuán)。

2.3 纖維的吸放濕性能

2.3.1 纖維的吸放濕曲線

3種纖維的吸濕曲線、放濕曲線如圖4、圖5所示。

由圖4可以看出，3種纖維的吸濕曲線隨著時間的變化表現(xiàn)出相同的趨勢。在初始階段前10 min內(nèi)，3種纖維吸濕曲線斜率較大，吸濕速率大；3種纖維回潮率也急速增大，隨后曲線變化速率逐漸減小，趨于平直；約60 min后，3種纖維均達(dá)到吸濕平衡，Porel纖維的吸濕回潮率0.84%，Coolmax纖維的吸濕回潮率0.54%，普通聚酯纖維的吸濕回潮率0.41%。

由圖5可以看出，3種纖維的放濕曲線也表現(xiàn)出相同的趨勢，即先快后慢的特點(diǎn)。在放濕前100 min內(nèi)，3種纖維的放濕曲線降幅速率明顯，纖維處于快速放濕狀態(tài)；100 min至200 min期間，纖維放濕曲線變化逐漸減緩；250 min后，纖維達(dá)到放濕平衡，Porel纖維的放濕回潮率1.20%，Coolmax纖維的放濕回潮率0.75%，普通聚酯纖維的放濕回潮率0.59%。

圖4 纖維吸濕曲線圖

圖5 纖維放濕曲線圖

Porel纖維的吸濕回潮率、放濕回潮率顯著大于兩種對比纖維，可知Porel纖維的吸放濕性能較好。這是因?yàn)镻orel纖維具有中空結(jié)構(gòu)，纖維的比表面積較大，能吸收更多的水分形成毛細(xì)水，水分也能依附在纖維內(nèi)壁上；另外Porel纖維含有大量的親水基團(tuán)—OH，也增加了纖維的吸濕量，提高了纖維的回潮率。Coolmax纖維由于“+”字形溝槽結(jié)構(gòu)，其初始階段吸放濕量大。

2.3.2 纖維的吸放濕回潮率回歸方程及曲線

對圖4、圖5試驗(yàn)結(jié)果通過origin軟件擬合［9］，得到吸放濕過程回潮率對時間的回歸方程如表1所示，回歸曲線如圖6、圖7所示。可以看出，3種纖維的吸放濕回歸方程顯著。

表1 纖維的吸放濕回潮率回歸方程

圖6 纖維吸濕回潮率回歸曲線圖

圖7 纖維放濕回潮率回歸曲線圖

2.3.3 纖維的吸放濕速率回歸方程及曲線

通過origin軟件擬合作圖，可以得到Porel纖維、Coolmax纖維和普通聚酯纖維的吸放濕速率回歸方程和曲線圖，分別如表2和圖8、圖9所示。

表2 纖維吸放濕速率回歸方程

圖8 纖維吸濕速率回歸曲線圖

圖9 纖維放濕速率回歸曲線圖

由表2和圖8、圖9可以看出，3種纖維的吸放濕速率方程均為指數(shù)函數(shù)，隨著時間的延長，吸放濕速率下降。由于纖維表面形態(tài)、結(jié)構(gòu)差異，纖維吸放濕速率及其速率變化有所不同。在吸放濕初始階段，Coolmax纖維吸放濕速率大，衰減快，Porel纖維次之，普通聚酯纖維最慢，這和Coolmax纖維“+”字形溝槽結(jié)構(gòu)有關(guān)。隨后，3種纖維吸放濕速率衰減減慢，吸放濕速率接近、減小，逐漸趨于零，進(jìn)入平衡狀態(tài)。

2.4 纖維吸濕的動力學(xué)研究分析

在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下3種纖維吸濕的動力學(xué)結(jié)果如圖10所示。

圖10 纖維吸水動力學(xué)曲線圖

由圖10可以看出，3種纖維的吸水趨勢相同，初始階段吸水速度快，隨后速度較慢，最終達(dá)到吸濕平衡。3種纖維達(dá)到吸水平衡的時間和吸水量有所差異，Porel纖維的吸水量最大（9.5 g/kg），其次是Coolmax纖維（7.3 g/kg），最小是普通聚酯纖維（3.5 g/kg）；吸水平衡時間大約都在60 min左右。

采用準(zhǔn)一級動力學(xué)方程和準(zhǔn)二級動力學(xué)方程及Elovich模型方程對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，所得纖維吸水動力學(xué)模型方程、參數(shù)表分別如表3、表4所示。

表3 纖維吸水動力學(xué)模型方程

表4 纖維吸水動力學(xué)模型參數(shù)表

由表3可以看出，其中準(zhǔn)二級動力學(xué)模型的相關(guān)性較好，其擬合度均達(dá)到了0.99以上，用準(zhǔn)二級動力方程模型擬合的R2明顯大于用準(zhǔn)一級反應(yīng)模型、Elovich模型擬合的R2。由表4以及由理論方程計算出的理論平衡吸水量qe，cal與實(shí)際平衡吸水量qe的差別來判斷，用準(zhǔn)二級方程模型計算出的qe，cal與實(shí)際平衡吸水量非常吻合，因此用準(zhǔn)二級動力學(xué)模型更能真實(shí)反映3種纖維吸水過程，吸水機(jī)理以物理吸附為主。

3 結(jié)論

（1）Porel纖維的橫截面呈橢圓形，內(nèi)部中空結(jié)構(gòu)；Porel纖維除具有普通聚酯纖維的特征峰外，還含有大量的—OH親水基團(tuán)。

（2）Porel纖維與Coolmax纖維和普通聚酯纖維相比較，Porel纖維的吸放濕性能最好。在吸放濕初始階段，3種纖維吸濕曲線斜率較大，吸濕速率大。隨后曲線變化速率逐漸減小，趨于平直，直至達(dá)到吸濕平衡。Porel纖維吸濕回潮率為0.84%，放濕回潮率為1.20%。

（3）Porel纖維、Coolmax纖維和普通聚酯纖維的吸放濕速率回歸方程均為指數(shù)函數(shù)，呈指數(shù)曲線衰減；在吸放濕初始階段，3種纖維的吸放濕速率回歸曲線降幅速率明顯，隨后逐漸減緩，后期逐漸趨于平衡狀態(tài)。

（4）Porel纖維、Coolmax纖維和普通聚酯纖維在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下最大吸水量依次為9.5 g/kg，7.3 g/kg，3.5 g/kg，吸水性能符合準(zhǔn)二級動力學(xué)方程，吸水機(jī)理以物理吸水為主。