PET纳米矿物粒子纤维的结构与性能

PET/纳米矿物粒子纤维的结构与性能叶静（中原工学院 纺织学院，郑州 450007）摘要：通过纳米矿物粒子和聚酯切片共混纺丝，经碱减量处理后制备了 PET/纳米矿物粒子纤维，对纤维表面和横截面的SEM 观察显示，纳米矿物粒子在纤维中的颗粒比较小，由表到内都分散地比较均匀，纤维存在明显的微孔结构；添加纳米矿物粒 子后，聚酯纤维的晶形没有改变，其晶粒尺寸增加，而结晶度和取向度降低；相比普通聚酯纤维，其断裂强度有所降低，但 断裂伸长和断裂功增加，特别是导湿性能改善最为显著而质量比电阻明显降低。关键词：纳米矿物粒子，PET,结晶结构，导湿性能，质量比电阻中图分类号： TS101. 921 文献标识码： AStructure and Properties of PET / Nano-Mineral Particle FibersYe Jing, Zhang ming（College of textile, Zhongyuan University of Technology ，Zhengzhou 450007, China）Abstract: PET/Nano-mineral particle fibers were prepared by mixing nano-mineral powers with PET pellets and subsequent alkali weight reduction. SEM observation for the surface and cross section of the fiber showed that the mineral particles with a small size dispersed from the surface to the inner of the fibers, which have apparent microcellular structure. With the addition of nano-mineral particle, there was no change for the crystalline allomorphs of PET fibers, but its crystallite size increased, moreover crystallinity and degree of orientation decreased. Compared with common PET fibers, breaking strength of PET / nano-mineral particle fibers decreased, but its breaking elongation and work of rupture increased, especially its capability of transmitting moisture improved markedly whereas mass soecific resistance reduced evidently.Keywords: Nano-mineral particle, PET, crystalline structure, capability of transmitting moisture, mass soecific resistance聚酯纤维具有很多优良的性能，但是由于其吸湿、导湿性能差，影响了其舒适性，易起静电影响了其 可纺性。为了改善这两方面的性能，不少聚酯纤维的改性方法被提出来，如对聚酯纤维进行异形化处理、 超细化纺丝、碱水解处理或者化学接枝等12。不过这些方法对纤维性能的改善有限，并且不能同时改善 这两方面的性能。现在利用纳米技术对纤维进行改性已经得到了广泛的关注，如添加TiO2、SiO2等纳米粒 子到聚酯纤维中使纤维具备抗紫外，抗菌等功能345，不过还没有通过添加纳米粒子改善纤维的导湿性能 的报道。本文通过添加纳米矿物粒子对聚酯纤维进行改性，显著改善了纤维的导湿性能并明显降低了纤维 的质量比电阻。1. 实验部分1.1 实验材料聚酯切片，由扬子石化提供；纳米矿物粉体，由浙江大学所属的浙江国际纳米技术研究中心提供；TSC 偶联剂和N DZ2201偶联剂；四氯化碳（分析纯）。1.2 PET/纳米矿物粒子纤维的制备纳米矿物粉体分散在用四氯化碳稀释的偶联剂中，在氮气保护下于50C搅拌6小时完成纳米矿物粒子 的表面修饰。修饰后的纳米矿物粒子和聚酯切片高速共混，挤出造粒PET/纳米矿物粒子切片（矿物粒子 的质量分数为2.5%）经过预结晶和真空干燥后，在ABE-25纺丝机上纺丝，得到的纤维在质量分数为1% 的NaOH溶液中于90C碱减量处理20min,得到PET/纳米矿物粒子纤维。1.3电子显微镜（SEM）观察电子显微镜用于观察纤维的微观结构和表面形貌，所用电子显微镜为日立电子JSM-5600 LV扫描电子 收稿时间：修回时间：作者简介：叶静（一），女，。研究领域为新型纺织材料。E-mail:。显微镜，加速电压20kV,测试前样品进行镀金处理。1.4 X-衍射测试纤维样品的X射线衍射分析在D/max-2550PC 18kW转靶X射线衍射仪上测定。样品安放在玻璃的样品 架上，在稳定条件下分析。测试条件：Ni滤波，Cu靶Ka射线，管压4OkV，管流40mA，扫描速度2o/min, 从5。到50。结晶度利用分峰法来计算。衍射曲线利用Lorentzian函数进行分峰，结晶度X”用下面的方程来计算：S a X 100%S + Sa crXd 二】一d式中：Sa是无定形峰的面积，S是二个结晶峰（010，1】0，100）的面积之和。cr晶粒的取向度反映了样品中所有晶粒的某族晶面与取向轴（纤维样品的纤维轴）的平行程度，根据 Bohn等人描述的方法来计算5,取向度OG用下面的方程来计算：OG = 180 一 HW180式中：HW是半高宽,（单位“”。1.5 性能测试力学性能在日本岛津公司AGS500材料试验机上测定，纤维初始长度200mm；用YG321型纤维比电 阻仪测试纤维比电阻；纤维的导湿性能是利用垂直芯吸法在2BW 0461P型毛效仪上测定，测试30min后 水在50根纤维加20捻得到的束纤维上的爬升高度。2. 结果与讨论2.1 纳米矿物粒子的成分分析目前研究最多的是添加纳米蒙脱土的到聚酯纤维，而蒙脱土的主要成分为SiO2。利用等离子体发射光 谱测试所用纳米矿物粒子的元素含量，我们发现所用纳米矿物粒子的元素分布比较分散，不同于常规的蒙 脱土（通常蒙脱土中SiO2的含量占60%以上）。纳米矿物粒子的主要成分如下:Na2O （22.7%）, Al2O3 （14.3%）, K2O （26.5%）, SiO2（18.4%）。因而除了 SiO2，纳米矿物粒子中还有更多含量的K2O和Na2O，这些成分除了 具有较高的表面性能，还具有更高的极性和亲水性能。2.2 SEM观察PET/纳米矿物粒子纤维的横截面和表面形貌用SEM观察显示如图1 （A）和（B）所示。总体上来说， 纳米矿物粒子在纤维中的颗粒比较小，由表到内都分散的比较均匀，聚酯纤维存在明显的微孔结构，特别 是在表面纳米粒子的周围。碱碱量处理会使纤维表面以及内部特别是无定形区，发生水解作用，聚酯纤维 亲水性的羟基和极性基团数目增加，同时由于表面高分子的溶胀，其结晶度和取向度降低，纤维的缝隙增 加。另外重要的是，由于纳米粉体也很容易溶于碱溶液中，这会在纤维表面形成形成孔径较小且分布均匀 的微孔结构，因而为制备舒适性及高导湿性涤纶创造了良好条件。（A）横截面 （2500倍）（B）表面（3000倍）图1 PET/纳米矿物粒子纤维的SEM照片Fig. 1 Cross section （A） and Surface （B） of PET / nano-mineral particle fiber observed by SEM2.3 X-衍射分析PET/纳米矿物粒子纤维和普通的聚酯纤维的衍射曲线对比如图2所示，添加纳米矿物粒子后，聚酯纤 维的晶形没有改变，峰形及位置不变，但结晶峰的衍射强度明显下降。利用分峰法对纤维的X-衍射曲线进 行分峰（图 3），结晶结构的主要参数如表1 所示。显然，纳米矿物粒子的加入降低了纤维的结晶度，但 增加了晶粒的尺寸，这可能是由于纳米矿物粒子的加入有利于异相成核，在相同的结晶时间内，降低了成 核时间而晶粒生长的时间增加，有利于晶粒尺寸的增加，但是纳米矿物粒子的团聚也是不可避免的，这对 结晶起到阻碍作用，总的说来结晶度会降低。因而相同的纤维体积，相比普通的聚酯纤维，PET/纳米矿物 粒子纤维具有更大的无定形区和更少的晶粒，当然晶粒之间间隙增加也是显而易见的。此外，纳米矿物粒 子的加入使聚合物分子和晶粒取向变得困难，明显降低了纤维取向度。图2 PET/纳米矿物粒子纤维(A)与普通 聚酯纤维(B)衍射曲线的比较；Fig. 2 Comparison of X-ray diffraction curve of PET / nano-mineral particle fibers (A) with common Terylene(B).图3 PET/纳米矿物粒子纤维X衍射的拟合曲线Fig. 3 The fitting curve of X-ray diffraction ofPET / nano-mineral particle fiber.表 1 PET/ 纳米矿物粒子纤维与普通聚酯纤维结晶参数的比较Table 1 Comparison of crystallization parameters of PET / nano-mineral particle fibers with common Terylene样品结晶度 （%）晶粒尺寸（nm）取向度（%）010110100聚酯纤维67.942.642.612.490.90纳米矿物纤维60.222.782.892.730.822.4 性能分析PET/纳米矿物粒子纤维的拉伸曲线显示如图4所示，其拉伸行为和聚酯纤维仍有相似性，不过纳米矿 物粒子的添加对聚酯纤维的力学性能有影响，导致其断裂强度降低15%，约为4.7 cN/dtex,而其屈服强度 和屈服伸长也降低，这可能是由于纳米矿物粒子的加入降低了聚酯纤维的结晶度和取向度；不过另一方面， 添加纳米矿物粒子对纤维初始模量的影响不大，而纤维断裂伸长和断裂功增加（表2），这会有利于纤维的 纺纱工艺和增加纺织品的耐磨性。和聚酯纤维一样，吸湿对PET/纳米矿物粒子纤维的力学性能影响不大。添加纳米矿物粒子使聚酯纤维的标准回潮率增加到2.6%，不过增加最为显著的还是纤维的导湿性，如 表3所示，添加纳米矿物粒子使聚酯纤维的芯吸高度增加了9.3倍，如前所述，高的导湿性与PET/纳米矿 物粒子纤维表面和内部大量的微孔有关，此外，纳米矿物粒子的加入使聚酯纤维结晶度降低而晶粒的尺寸 增加，因而纤维无定形区变得更为疏松，这也对导湿性的增加有贡献，此外，极性的矿物成分也是导湿性显者增加的一个因素。不仅如此，矿物粒子中，Na、Al、K等金属元素占大多数，这使PET/纳米矿物粒 子纤维的质量比电阻相比聚酯纤维降低了5 个数量级，因而能够防止静电的产生，减少纺纱过程中的粘缠 有利于提高纺纱质量。图4 PET/纳米矿物粒子纤维的拉伸曲线Fig. 4 Tensile curves ofPET / nano-mineral particle fibers.表2 PET/纳米矿物粒子纤维（纳米矿物纤维）与普通聚酯纤维力学性能的比较Table 2 Comparison of mechanical properties of PET / nano-mineral particle fibers with common Terylene纤维断裂强度断裂伸长断裂功模量屈服强度屈服伸长cN/dtex%cN/dtexcN/dtexcN/dtex%干湿干湿干湿干湿干湿干湿普通聚酯5.65.718.218.80.450.4842.242.04.54.211.410.2纳米矿物4.74.523.124.30.540.5239.332.23.02.68.98.3表 3 PET/ 纳米矿物粒子纤维（纳米矿物纤维）与普通聚酯纤维其它性能的比较Table 3 Comparison of other properties of PET / nano-mineral particle fibers with common Terylene纤维标准回潮率%芯吸高度mm比电阻Qg/cm普通聚酯0.452.35.05x1013纳米矿物2.621.36.21x1083. 结论通过纳米矿物粒子和聚酯切片共混纺丝，经碱减量处理后制备了 PET/纳米矿物粒子纤维，与普通聚酯 纤维相比，其结晶度降低，晶粒尺寸增加；虽然其断裂强度有所降低，但断裂伸长和断裂功增加；其导湿 性能改善最为显者，芯吸高度是聚酯纤维的 9.3 倍，并且质量比电阻显者降低。参考文献：1 程隆棣，俞建勇，翟涵，等功能性涤纶纤维及其产品的吸湿导湿性能J棉纺织技术，2003 (9)： 35-37.2 韩英波，徐德增，蔡月芬，等聚酯纤维改性方法的探讨J聚酯工业，2003 (2)： 11-15.韩克清，余木火.PET/纳米TiO2抗紫外纤维的制备及性能研究J合成纤维工业，2005 (2)： 4-7.4徐士明，尹会会，王锐，等.SiO2纳米粉体改性聚酯纤维的碱水解性能J聚酯工业，2004 (6)： 33-36.4陈海珍沈红娟添加纳米氧化钛的聚酯纤维性能研究J纺织学报，2004 (8)： 14-17.何建新，章伟，王善元竹纤维的结构分析J纺织学报，2008 (2)： 26-31.