依翡絲纖維及其織物性能研究

摘要：依翡絲纖維是通過在紡絲原液中加入抗菌劑共混制得的具有細旦、抗菌特性的新型改性腈綸纖維。對比依翡絲纖維和普通腈綸纖維的表面形態、力學性能、吸濕性能、比電阻、摩擦性能以及卷曲性能，采用X射線光電子能譜（XPS）對兩種纖維的組成和化學鍵進行分析，并對依翡絲混紡織物的吸濕快干性能和吸濕發熱性能進行測試。結果表明：依翡絲纖維橫截面為圓形，縱向表面粗糙，有較密的溝槽，具有線密度小、力學性能優異、可紡性高等優點；相比普通腈綸，依翡絲比電阻小，摩擦系數大，不易產生靜電。通過XPS分析，得出依翡絲添加的抗菌劑為季銨鹽類抗菌劑。依翡絲混紡織物的水分蒸發速率大于0.18 g/h，吸濕發熱的最高溫升值大于4 ℃，在吸濕快干和吸濕發熱方面都有不錯的表現，可用于開發多功能面料。

關鍵詞：依翡絲纖維；性能測試；X射線光電子能譜分析；吸濕快干；吸濕發熱；抗菌

中圖分類號：TS102.5文獻標志碼：A文章編號：1002-4026（2023）03-0060-09

開放科學（資源服務）標志碼（OSID）：

Abstract∶The Exfresh fiber is a new type of modified acrylic fiber with fine denier and antibacterial properties; it is fabricated by adding an antibacterial agent to the spinning stock solution. The surface morphologies， mechanical properties， moisture absorption properties， specific resistance， friction properties， and curling properties of the Exfresh and ordinary acrylic fibers were tested and compared in this study. The elemental composition and chemical bonds of the two fibers were analyzed via X-ray photoelectron spectroscopy （XPS）. Furthermore， the moisture-absorbing quick-drying and moisture-absorbing heat-generating properties of the Exfresh blended fabrics were tested. Results showed that the Exfresh fiber featured a circular cross-section， rough longitudinal surface and dense grooves as well as a low linear density， excellent mechanical properties， and high spinnability. Additionally， it has a lower specific resistance and higher friction coefficient than the ordinary acrylic fiber， thereby making it difficult to produce static electricity. Results of the XPS analysis showed that the added antibacterial agent was a quaternary ammonium salt. Additionally， the evaporation rate of an Exfresh fiber-blended fabric is bigger than 0.18 g/h， and its maximum moisture-absorbing heat-generating temperature rise is bigger than 4 ℃. Moreover， it exhibits excellent moisture-absorbing quick-drying and moisture-absorbing heat-generating properties， and can be used to develop multifunctional fabrics.

Key words∶Exfresh fiber; performance testing; X-ray photoelectron spectroscopy analysis; moisture-absorbing quick-drying; moisture-absorbing heat-generating; antibacterial

隨著科學技術的發展和生活水平的提高，人們對紡織品的性能有了更高的要求，具有吸濕快干、抗菌、保暖等功能的服裝越來越受到人們的歡迎。研究發現，導濕性好的化纖更適合開發吸濕快干類面料[1]。美國杜邦和日本東洋紡通過改變噴嘴的形狀，開發出十字形、Y形截面的滌綸纖維[2]，這種異形纖維的縱向有更多的溝槽，增大了水汽擴散通道，毛細作用增強。此外，多孔中空纖維和超細纖維通過增大纖維比表面積來提高毛細管的芯吸效應。除了高導濕性能外，纖維的抗菌改性也是研究的重點。目前主要通過熔融共混法、化學接枝法、離子交換法來制備改性抗菌纖維[3]。Sun等[4]將含有TiO2、Ag+的抗菌粉末與聚酰胺基體混合，通過熔融紡絲的方法得到了具有抗菌性能的錦綸纖維。張娜[5]將聚丙烯腈上的—CN與NH2OH反應，得到偕胺肟螯合基團，之后將其置于AgNO3溶液中，使Ag負載到纖維上，成功制得具有抗菌功能的聚丙烯腈纖維。然而，兼具高導濕和抗菌功能的纖維目前研究較少，且主要為滌綸產品，如上?？稻]纖維公司推出的Cleancool纖維，就是兼具吸濕快干和抗菌除臭功能的改性聚酯纖維。腈綸纖維作為世界三大合成纖維之一，將其開發為具有吸濕快干和抗菌功能的織物具有廣闊的市場前景。

依翡絲纖維是具有高導濕和抗菌功能的細旦改性腈綸纖維，由日本東洋紡株式會社研發。依翡絲纖維是通過在腈綸紡絲原液中加入抗菌劑制得的抗菌功能纖維，由于其粗糙的表面結構以及深入纖維內部的毛細管，使纖維對液態水具有更強的芯吸能力。由依翡絲纖維制成的織物具有優異的抗菌性能，上海日舒科技紡織有限公司送樣測試了依翡絲織物，檢測結果為依翡絲織物抗菌性達到AAA級抗菌級別，其對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、白色念珠菌的抑菌率分別為99%、95%、98%。目前，國內對依翡絲纖維的性能尚沒有進行深入研究和闡述，本文通過測試依翡絲纖維和普通腈綸纖維的各項性能并進行對比，研究兩種纖維在不同性能上的優劣性，并對依翡絲纖維進行X射線光電子能譜（X-ray photoelectron spectroscopy，XPS）分析，探究其添加的抗菌劑種類，進而研究其抗菌機理。最后選取不同規格的依翡絲織物對其吸濕快干和吸濕發熱性能進行測試，為依翡絲纖維產品開發提供參考。

1試驗部分

1.1材料及儀器

依翡絲纖維（線密度0.9 dtex，上海日舒科技紡織有限公司），普通腈綸纖維（線密度0.9 dtex，上海日舒科技紡織有限公司），兩種纖維名義長度都為38 mm。

Y172型纖維切片器（常州新紡檢測儀器設備有限公司），DXS-10ACKT掃描電子顯微鏡（上海電子光學技術研究所），YG747通風式快速八籃烘箱（陜西長嶺紡織機電科技有限公司），LLY-06EDC型電子單纖維強力儀（萊州市電子儀器有限公司），XCF-1A纖維摩擦系數測試儀（上海利浦應用科學技術研究所），XR-1A纖維比電阻儀（上海新纖儀器有限公司），YG362B型纖維卷曲彈性儀（太倉宏大紡織儀器有限公司），Escalab 250型X射線光電子能譜儀（Thermo Electron VG Scientific（美國）），YG141N型數字式織物厚度儀（上海精密儀器儀表有限公司），YG（B）871型毛細管效應測定儀（溫州大榮紡織標準儀器廠），HSB-200L高精度恒溫恒濕箱（合肥安科環境試驗設備有限公司）。

1.2測試方法

纖維力學性能測試參照 GB/T 14337—2022《化學纖維 短纖維拉伸性能試驗方法》[6]，共測試30次，結果取平均值。

纖維回潮率測試參照GB/T 6503—2017《化學纖維 回潮率試驗方法》[7]，試驗溫度110 ℃，烘燥時間2 h，隨后每次間隔10 min稱量質量。

纖維摩擦性能測試采用XCF-1A纖維摩擦系數測試儀進行測試，選擇金屬輥作為摩擦輥、設置轉速30.0 r/min，測試次數20次，結果取平均值。

纖維比電阻測試參照GB/T 14342—2015《化學纖維 短纖維比電阻試驗方法》[8]，每種纖維測5次，結果取平均值。

纖維卷曲測試參照GB/T 14338—2022《化學纖維 短纖維卷曲性能試驗方法》[9]，設定預加張力輕負荷0.001 8 cN，重負荷0.067 5 cN；試驗結果取20次平均值。

織物吸濕發熱性能測試參照GB/T 29866—2013《紡織品 吸濕發熱性能試驗方法》[10]，將烘至恒重狀態的織物試樣經冷卻后迅速轉移至溫度20 ℃，相對濕度90%的恒溫恒濕箱中，使用溫度傳感器測試試樣30 min內每次間隔1 min的溫度變化情況，其中，3個插頭測量織物溫度，1個插頭測量環境溫度。最終繪制溫度-時間曲線圖，并記錄最高升溫值和平均升溫值。

織物吸濕速干性能測試參照GB/T 21655.1—2008《紡織品 吸濕速干性的評定 第1部分：單項組合試驗法》[11]，選取5塊規格為10 cm×10 cm的織物，在20 ℃、濕度65%的環境中平衡并測試其吸水率、滴水擴散時間、水分蒸發速率，結果取平均值。

織物芯吸性能測試參照 FZ/T 01071—2008《紡織品 毛細效應試驗方法》[12]，將試樣裁成25 cm×3 cm的樣條，測量樣條30 min的芯吸高度，每塊試樣取3塊，結果取平均值。

2依翡絲纖維性能表征

2.1纖維微觀形態結構

依翡絲纖維在掃描電鏡下的橫截面和縱向形態如圖1所示。由圖1可以看出，依翡絲纖維的橫截面為近圓形或橢圓形，與普通腈綸纖維相似，且表面存在明顯的孔洞和徑向裂縫，這些微孔管道通過儲存靜態空氣形成空氣層從而具有隔絕外部氣流的作用。縱向截面比較粗糙且有較深的縱向溝槽，增大了纖維的比表面積，使纖維能吸收更多的水分，同時，粗糙的表面和溝槽還使得纖維擁有良好的導濕性能。纖維表面附著著許多細小顆粒，這些抗菌顆粒通過浸漬黏附到纖維上，賦予了纖維抗菌性能。

2.2纖維規格與回潮率

普通腈綸纖維和依翡絲纖維的規格和回潮率如表1所示。從表1可以看到，在規格相同的情況下，依翡絲纖維的回潮率大于普通腈綸，其回潮率提升了55%。結合掃描電鏡分析，回潮率高于普通腈綸是因為依翡絲纖維表面比較粗糙且存在明顯的凹槽，增加了纖維的比表面積，纖維毛細作用增強，使纖維對液態水具有更強的芯吸能力。但其回潮率相比普通腈綸增加不多，原因可能是依翡絲纖維表面存在的抗菌顆粒阻礙了纖維對水的吸附，導致回潮率提升不大。

2.3纖維力學性能

由表2可知，依翡絲纖維斷裂強度相比于普通腈綸略有降低，這可能是由于依翡絲纖維截面存在孔洞和裂縫，使纖維更易斷裂。但兩者強度相差不大，所以依翡絲依然具有和普通腈綸纖維一樣良好的可紡性。

2.4纖維摩擦性能

纖維的摩擦性能關系著后續的紡紗質量，依翡絲纖維和腈綸纖維的摩擦性能如表3所示。

從表3可以看到，兩種纖維的靜摩擦系數均大于動摩擦系數，符合紡紗過程中對纖維摩擦的要求。依翡絲纖維的靜摩擦系數和動摩擦系數均大于普通腈綸纖維，這主要是因為依翡絲纖維的縱向存在溝槽，表面也更粗糙。纖維摩擦力大，則纖維間的抱合力大，在紡紗過程中纖維更易聚集在一起，有助于提高紗線強力。此外，依翡絲纖維的摩擦系數保持在一個合理的范圍內，不至于在紡紗過程中因摩擦系數過大導致與紡紗機械間的摩擦力大于紗線自身的強力，出現磨損和斷頭現象。

2.5纖維比電阻測試

纖維的導電性能影響著靜電的產生，靜電現象在紡紗加工時會導致飛花、斷頭、紗線糾纏從而給織造造成困難，影響紡紗生產質量。纖維的導電性能可由纖維比電阻進行表征。

從表4可以看出，依翡絲纖維的比電阻遠小于腈綸纖維，這也符合回潮率越大，比電阻越小的規律。可以認為依翡絲纖維抗靜電性能良好，在紡紗過程中不易與設備表面或羅拉膠輥等機件吸附，與其他纖維混紡制得的纖維制品的抗靜電性也有所提高。

2.6纖維卷曲程度

纖維的卷曲體現在纖維橫向空間的體積增大，縱向空間收縮減少且具有彈性，最終使得纖維集合體具有蓬松的特性。纖維的卷曲可以改善紡紗的性能、提高纖維的可紡性和成紗質量。

根據表５可知，依翡絲纖維的卷曲數小于普通腈綸，但其卷曲率和卷曲回復率與普通腈綸纖維相差不大，所以依翡絲纖維具有與普通腈綸纖維一樣優異的紡紗性能。

2.7依翡絲纖維抗菌機理分析

為了探究依翡絲纖維的抗菌機理，需要對其添加的抗菌劑進行分析。因此，對依翡絲纖維進行XPS元素掃描分析。圖2為依翡絲纖維和普通腈綸纖維的XPS全譜圖，可以看出兩種纖維的元素種類相同，主要含有C、N、O、S等4種元素，這表明添加的抗菌劑為有機抗菌劑且不含鹵元素，因此排除鹵胺化合物抗菌劑的可能。

表６給出了普通腈綸纖維和加入抗菌劑經過共混改性的依翡絲纖維的元素含量對比?？梢钥吹?，腈綸纖維中含有S和Na元素，說明其第三單體為苯磺酸鈉，而依翡絲纖維沒有測出Na元素，原因是Na的含量過低，沒有被掃描出來[13]。兩種纖維各元素含量對比發現，依翡絲纖維的N元素含量占比顯著提升，說明加入的抗菌劑成分中含有N元素。

對圖3進行分析，觀察依翡絲纖維的C1s譜圖，可以看到相比于普通腈綸纖維，依翡絲纖維的O—CO鍵減少，而O—CO鍵來自第二單體丙烯酸甲酯，C—O鍵含量增多，表明抗菌劑中含有C—O鍵，且在288.1 eV附近沒有峰，這說明依翡絲纖維中不存在胍基，因此，抗菌劑不為胍類抗菌劑[14]。再觀察兩種纖維的N1s譜圖，發現依翡絲纖維的N1s譜圖在結合能402.3 eV處出現了新峰，查閱相關資料[15]得出該處對應的化學鍵為NR4+。因此，推測依翡絲紡絲液中添加的抗菌劑為有機抗菌劑中的季銨鹽類抗菌劑。

季銨鹽類化合物因其優異的抗菌性能而被廣泛應用在紡織領域，由于其對腈綸纖維具有較高的親和性而被大量應用在腈綸的抗菌改性上[16]。季銨鹽的抗菌機理主要是靜電作用，季銨鹽帶正電荷，細菌的細胞膜帶負電荷，兩者吸引結合從而導致細胞膜破裂，進而使得細菌中的物質如K+、DNA、RNA流出，細菌死亡[17]。

3依翡絲織物功能測試

3.1織物規格

為了進一步探究依翡絲面料開發方向，選用兩種不同規格的依翡絲織物進行功能性測試，其規格如表7所示。

3.2織物吸濕快干性能

織物吸濕快干性能分為吸濕性和快干性 [18]。其中，吸濕性是指織物吸收水分的能力，體現在吸收水分含量和吸收水分速度兩個方面。快干性是指織物丟失水分的能力，體現在蒸發速率上。兩種織物的吸濕性通過吸水率測試、芯吸高度測試和滴水擴散測試進行表征，結果如表8所示。

從表8可以看到，兩種織物的吸水率都在400%以上，這歸因于纖維極高的回潮率，使得織物具有良好的吸水性能。但兩種織物的滴水擴散時間都很長，說明織物表面的潤濕能力較差，水滴不能在織物表面快速擴散。這可能是由于織物結構太過緊密而產生的影響，可以通過對織物表面進行親水整理、改變織物結構等方式來提高其潤濕能力?？椢?的芯吸高度大于織物2，說明依翡絲纖維含量越多，織物的毛細管效應越強，織物的導水性能越好。

織物快干性可通過水分蒸發速率指標進行表征，經過測試，織物1的水分蒸發速率為0.29 g/h，織物2的水分蒸發速率為0.23 g/h。兩種織物的水分蒸發速率都大于0.18 g/h，滿足針織類產品吸濕速干性能技術要求[19]，說明依翡絲織物具有良好的快干性能。其中，織物1的水分蒸發速率更高，說明依翡絲纖維含量越高，織物的快干性能越好。

依翡絲織物的吸濕快干性能測試結果表明，依翡絲纖維憑借其優秀的導濕、快干性能可用于開發吸濕快干類面料，可通過與吸濕性強的纖維混紡或進行親水整理來提高織物的吸濕性能。

3.3織物吸濕發熱性能

織物的吸濕發熱性能是指織物通過吸收空氣中的水分或人體揮發出的汗液從而產生熱量的能力[20]。為探究依翡絲織物的吸濕發熱性能，測得其溫升值與時間關系曲線如圖4所示，并計算得到織物1的最高溫升值為4.53 ℃，平均溫升值為1.63 ℃；織物2的最高溫升值為5.50 ℃，平均溫升值為1.86 ℃。

根據圖4可知，兩種織物的最高溫升值都大于4 ℃，滿足 FZ/T 73036—2010《吸濕發熱針織內衣》[21]中對針織物最高溫升值不小于4 ℃的要求，說明依翡絲纖維可用于開發吸濕發熱型織物?？椢?的最高溫升值和平均溫升值都顯著高于織物1，原因是織物2中纖維的比重更大，屬于再生纖維素纖維，其回潮率遠大于腈綸，因此織物2吸收的水分子更多，從而產生更多的熱量。兩種織物的平均溫升值均小于3 ℃，不滿足FZ/T 73036—2010《吸濕發熱針織內衣》中對針織物平均溫升值的要求，后續開發依翡絲吸濕發熱織物時可以通過添加整理劑來延長織物的發熱時間，達到吸濕勻緩發熱的效果。

4結語

依翡絲抗菌腈綸纖維橫截面為近圓形，表面存在明顯的孔洞和徑向裂縫，縱向截面粗糙且有較深溝槽，使得纖維擁有良好的導濕性能，纖維表面附著的顆粒，賦予了纖維抗菌性能；回潮率大于普通腈綸，但纖維強度較低；摩擦系數大，有助于提高紗線強力；比電阻遠小于腈綸纖維的比電阻，抗靜電性能良好。分析XPS結果，推測依翡絲抗菌劑成分為季銨鹽類抗菌劑。通過對依翡絲/黏膠/腈綸混紡織物的吸濕快干性能和吸濕發熱性能測試，認為依翡絲纖維可用于開發這兩種功能面料。綜上分析，認為依翡絲纖維適合開發具有吸濕快干、吸濕發熱、抗菌功能的針織內衣、運動裝等產品。

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