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熱定型對氨綸纖維結(jié)構(gòu)性能的影響分析

發(fā)布時間：2023-06-08 點(diǎn)擊：

定型機(jī)、涂層機(jī)、地毯機(jī)專業(yè)生成廠家無錫前洲興華機(jī)械2023年6月8日訊 滌/氨織物需要在高溫下熱定型以改善布面平整性, 而高溫必然對氨綸纖維結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生影響。對氨綸纖維進(jìn)行 180 ℃ 熱定型處理, 測試分析了纖維分子結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能。結(jié)果表明 , 氨綸纖維經(jīng) 180 ℃ 熱定型較短時間 , 其分子結(jié)構(gòu)影響不大, 斷裂強(qiáng)力有一定提高, 但耐疲勞性并沒有改善。

作者：樊家良楊從登費(fèi)長書汪濤張同華冉瑞龍

氨綸纖維具有優(yōu)異的超彈性, 主要表現(xiàn)為低強(qiáng)高伸。故氨綸絲常與短纖維或者長絲混紡制成包芯紗或包覆絲，以利用其優(yōu)異的彈性。由這些紗線制得的面料既具有良好的拉伸強(qiáng)度, 又具有大的彈性伸長,能獲得良好的穿著體驗。例如, 市面上的棉襪主要使用棉/氨綸包芯紗, 女士絲襪主要是錦綸/氨綸包覆絲的針織品, 還有許多運(yùn)動型面料使用滌綸/氨綸復(fù)合絲。這些面料在生產(chǎn)過程中經(jīng)常會遭受高溫作用，如高溫染色、熱定型機(jī)定型處理等。熱定型的機(jī)理是在高溫條件下使聚合物分子結(jié)構(gòu)重排, 消除內(nèi)應(yīng)力, 達(dá)到能量更低的穩(wěn)定狀態(tài), 從而提升纖維及其織物的尺寸熱穩(wěn)定性。以滌綸/氨綸復(fù)合絲為例, 為了提高滌綸絲的尺寸穩(wěn)定性以及改善布面平整度, 需要在180~200℃ 溫度下進(jìn)行熱定型。然而, 氨綸纖維對熱的耐受性較差, 在高溫下處理一定時間會出現(xiàn)彈性性能惡化。

因此, 有必要對氨綸纖維的熱定型進(jìn)行研究, 為其產(chǎn)品工藝方案提供參考依據(jù)。

試驗部分

1.1 試驗材料

氨綸絲(線密度 3.85 tex ), 由華峰重慶氨綸有限公司提供。

1.2 熱定型處理

取 2 m 長氨綸絲若干, 分別以原長(伸長率 0% )、伸長率 150% 纏繞在 50 mm×150 mm 的金屬框架上。然后放入 180 ℃ 電熱干燥箱內(nèi)熱定型機(jī)定型一定時間, 取出備用。

1.3 差示掃描量熱(DSC)測試

將氨綸絲樣品剪碎成粉末狀,取5 mg左右粉末置于氧化鋁世巳﹐采用Q20 DSC(美國TA)進(jìn)行測試。溫度區(qū)間25～350 ℃,升溫速率10 ℃ / min,氮?dú)饬魉?5 ml/ min。

1.4 XRD測試
將氨綸絲樣品剪碎成粉末狀,采用X'Pert3 Pow-der(荷蘭 PANalytical)對粉末的結(jié)晶度進(jìn)行測試,掃描角度5°～55°,掃描速度2°/min。

1.5 紅外光譜(FTIR)測試
采用TENSOR 27紅外光譜儀(德國Bruker)進(jìn)行測試,波束范圍為500～ 4 000 cm-1,掃描次數(shù)為32次,分辨率為4 cm^―1。

1.6 力學(xué)性能測試

將氨綸絲伸直置于剪好的紙框中間 ( 內(nèi)框長 50mm , 寬 10 mm ), 用雙面膠固定好, 每組樣品重復(fù)數(shù)為10 個。采用 AGS-X 萬能材料試驗機(jī)進(jìn)行測試, 傳感器量程 5N , 隔距 50mm , 加載(卸載) 速率500mm / min 。

結(jié)果與分析

2.1 氨綸纖維的熱性質(zhì)

聚氨酯大分子由軟段和硬段組成, 軟段是柔性鏈低聚物多元醇, 硬段是剛性的二異氰酸酯。聚氨酯分子的特殊結(jié)構(gòu)使得其具有較復(fù)雜的熱學(xué)性質(zhì)。軟段具有極低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg( -40 ℃ 左右), 且熔融溫度僅 20 ℃ 左右, 硬段的Tg一般在 40~100 ℃ 之間，故聚氨酯分子的耐熱性較差。對于氨綸纖維而言, 其聚氨酯大分子會進(jìn)一步發(fā)生交聯(lián), 以改善力學(xué)性能。同時, 氨綸纖維的熱性質(zhì)也得到改善。由未熱定型氨綸纖維的 DSC 曲線(圖 1 ) 可以看出 , 92 ℃ 吸熱峰對應(yīng)硬段的Tg溫度, 202 ℃ 的弱吸收峰為硬段的熔融峰 , 273 ℃ 的強(qiáng)吸收峰對應(yīng)硬段分解溫度, 309 ℃則對應(yīng)軟段多元醇的分解溫度。經(jīng)熱定型機(jī)定型處理后, 氨綸纖維硬段的分解溫度比原來提高 5 ℃ , 而軟段的分解溫度下降了 3 ℃ 。可見，180 ℃ 熱定型對聚氨酯硬段和軟段的影響有所不同。分析認(rèn)為, 熱定型使聚氨酯分子結(jié)構(gòu)重排, 硬段排列更加規(guī)整, 內(nèi)部氫鍵作用更強(qiáng), 而軟段更加無規(guī), 軟硬段的熱力學(xué)不相容性進(jìn)一步提升, 改善微相分離程度。由此看出 , 180 ℃ 熱定型較短時間并不會對氨綸纖維造成破壞。

定型機(jī),涂層機(jī),地毯機(jī),地毯背膠機(jī),靜電植絨機(jī)

2.2 熱定型對氨綸纖維結(jié)構(gòu)的影響

氨綸纖維的紅外光譜如圖2所示。高波數(shù)區(qū)3 444.4和3337.7 cm―'的吸收峰分別為自由一NH和氫鍵作用的一NH 的伸縮振動峰，2 934.1 和2850.6 cm'分別為一CH2和一CH。的伸縮振動峰，1 591.5 cm-'附近為酰胺基上C=O和C一N的伸縮振動峰,1 092.4 cm-'處為C-o一C醚鍵的伸縮振動峰。

由圖2可知,熱定型1 min后(曲線b),自由一NH吸收峰明顯增強(qiáng),氫鍵作用的一NH的峰強(qiáng)相對減弱，說明部分軟硬段間的氫鍵斷裂,軟硬段微相分離增大。而延長熱定型時間至2 min(曲線c),自由一NH的峰強(qiáng)顯著減弱,氫鍵作用一NH的峰強(qiáng)明顯增大,說明自由一NH又開始形成新的更多的氫鍵,這會導(dǎo)致纖維剛性增大。

熱定型后沒有新的特征峰出現(xiàn),表明氨綸纖維分子基團(tuán)并沒有變化,也說明180℃熱定型處理較短時間對氨綸纖維分子結(jié)構(gòu)影響不大。

180 ℃ 定型機(jī)熱定型對氨綸纖維外觀結(jié)構(gòu)不會有影響,但對聚氨酯大分子的微觀結(jié)構(gòu)會有一定影響。由 DSC和 FTIR 分析已知, 180 ℃ 處理較短時間不會造成聚氨酯大分子斷裂, 但分子熱運(yùn)動會加劇, 分子間作用力重構(gòu), 分子結(jié)構(gòu)重排, 形成能量更低的穩(wěn)定態(tài)。由 XRD測試結(jié)果(圖 3 )可以看出 , 熱定型處理前后氨綸纖維的曲線形態(tài)基本一致, 說明熱定型處理并沒有改變纖維的晶相結(jié)構(gòu)。在 20° 處的寬峰表明氨綸纖維的結(jié)晶度低。氨綸纖維的結(jié)晶主要來自氨基甲酸酯硬段相, 軟硬段相的交替結(jié)構(gòu)也會使得部分硬段相 “溶”于軟段相, 從而導(dǎo)致硬段相結(jié)晶結(jié)構(gòu)減少。軟段結(jié)晶取決于軟段分子量, 一般分子量 2 000 以上的軟段能形成一定結(jié)晶, 而聚氨酯分子間交聯(lián)作用會阻礙軟段結(jié)晶, 高交聯(lián)密度的聚氨酯分子甚至不會形成軟段結(jié)晶。因此, 氨綸纖維的結(jié)晶度比較低, 而 180 ℃ 熱定型并不會導(dǎo)致纖維晶相結(jié)構(gòu)改變, 但是會影響微相分離結(jié)構(gòu)變化。

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2.3 熱定型對氨綸纖維力學(xué)性能的影響

定型機(jī)熱定型處理要避免對氨綸纖維產(chǎn)生損傷, 造成纖維強(qiáng)力和彈性性能下降。因此, 對氨綸絲熱定型處理前后的拉伸力學(xué)性能進(jìn)行測試(圖 4 )。氨綸原絲的斷裂強(qiáng)力為 45.6 cN 左右, 斷裂伸長率達(dá)到 600% 以上(曲線 a )。將氨綸絲直接在 180 ℃ 加熱定型 1 min 后,氨綸絲的斷裂強(qiáng)力和伸長率都有一定提升, 特別是斷裂伸長率增大到了 700% (曲線 b ), 說明纖維中聚氨酯分子的柔性增加。如果延長熱定型時間至 2 min , 氨綸絲的斷裂強(qiáng)度仍與原絲保持一致, 但斷裂伸長有明顯下降(曲線 c ), 說明纖維剛性增大。這可能由于氨綸纖維中水分丟失, 聚氨酯分子與水分子氫鍵斷裂, 聚氨酯分子間形成更多氫鍵有關(guān)。氨綸纖維伸長 150% 后熱定型不同時間都會造成力學(xué)性能嚴(yán)重下降, 表現(xiàn)為強(qiáng)度和斷裂伸長較原絲均下降了 30% 以上(曲線 d 、 e )。在拉伸狀態(tài)下, 聚氨酯分子趨于伸直排列, 分子間形成更多氫鍵并固定下來, 導(dǎo)致部分彈性損失, 因此氨綸纖維在相對低的伸長率( 400% ~500% ) 下發(fā)生斷裂破壞。

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氨綸纖維在反復(fù)大變形條件下會出現(xiàn)彈性下降現(xiàn)象, 主要是發(fā)生了應(yīng)力松弛。氨綸纖維在定伸長 300%下的循環(huán)拉伸曲線如圖 5 所示。由圖 5a 可以看出 , 氨綸原絲經(jīng) 5 次拉伸變形后的強(qiáng)力損失隨著形變增大而逐漸增加, 在伸長 200% (位移 100 mm ) 后趨于穩(wěn)定。氨綸原絲 300% 強(qiáng) 力由原來的 10.3 cN 下降到 8.5cN , 彈力損失 17.5% 。經(jīng) 180 ℃ 熱定型處理后, 氨綸纖維的 300% 強(qiáng)力下降明顯(圖 5b 、圖 5c )。與氨綸原絲相比, 熱定型 1 min 和 2 min 后, 300% 強(qiáng) 力分別下降 33% 和 45% 。但是, 熱定型氨綸的模量(初始斜率)明顯增大了, 說明氨綸纖維的剛性增加, 聚氨酯分子形成了更多的分子間作用力。循環(huán)拉伸 5 次后, 熱定型氨綸纖維的強(qiáng)力損失隨變形增大更為顯著, 說明熱定型產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)并不穩(wěn)定, 在多次大變形作用下, 這些結(jié)構(gòu)會發(fā)生相對永久滑移。可見, 氨綸纖維的熱定型對其耐疲勞性沒有增益效果。但對滌/氨織物來說,定型機(jī) 熱定型主要是改善滌綸纖維的尺寸穩(wěn)定性和布面平整性, 只要熱定型對氨綸纖維沒有損傷, 氨綸纖維仍能發(fā)揮其良好的彈性功能, 那么熱定型處理就是可行的。