熔纺氨纶结构和性能的研究

刘伟时，薛孝川，司徒建崧，肖水波

(广东省化学纤维研究所，广东 广州 510245)

氨纶应用于织物中能显著地提高织物的弹性及尺寸稳定性，用氨纶弹力织物制成的服装，穿着时保形性良好且舒适合体，因此氨纶作为高弹性纤维越来越普遍在棉、毛、丝及合成纤维等各种面料及服装中使用。熔融纺丝法生产的氨纶(简称熔纺氨纶)是一种功能性、差别化纤维，相对于干法纺丝生产的氨纶(简称干纺氨纶)，其生产工艺流程简单、设备投资低、生产效率高，易于实现氨纶的高速化和细旦化，生产过程中无须使用溶剂，纤维产品不含溶剂残留物，属于健康环保的绿色纤维，是今后氨纶纤维发展的主要品种[1]。

如今，“无氨不成布”的理念越来越深入，有关氨纶纤维的研究论文和成果也屡见于报刊杂志，但多限于干纺氨纶，对于熔纺氨纶的研究报道不多，从微观结构上研究熔纺氨纶的论文更是少见[2]。本文采用红外光谱和热分析方法，研究了熔纺氨纶的分子结构并与TPU切片、干纺氨纶的结果进行了比较、分析。

1 实验部分

1.1 实验材料

热塑性聚氨酯(TPU)切片(2180A，巴斯夫)，交联剂(PLP9206，巴斯夫)，干纺氨纶(Lycra,22.2 dtex,英威达)，熔纺氨纶A(22.2 dtex，自纺)。

1.2 仪器与实验方法

1.2.1 红外光谱分析(FTIR)测试

按照GB/T 6040-2002红外光谱分析法通则，采用德国布鲁克公司Vector 33 型傅里叶变换红外光谱仪测试试样红外吸收曲线。测试试样采用KBr压片，背景扫描16次，样品扫描16次，扫描范围：4 000 ～400 cm-1。

1.2.2 差示扫描量热法(DSC)测试

采用美国TA 公司全自动差示扫描量热仪DSC Q20测定试样DSC曲线，在N2气氛条件下进行，升温速率10 ℃/min,设定温度范围：-70～300 ℃，往返扫描两次。

1.2.3 热重分析(TG-DTG)测试

采用美国TA 公司热失重分析仪 TGA Q5000测定试样TG-DTG曲线，分析试样耐热性能。

2 结果与讨论

2.1 FTIR光谱分析

图1中，(a)、(b)、(c)、(d)分别为干纺氨纶Lycra、本实验所用的TPU切片、交联剂及自纺熔纺氨纶A红外吸收曲线图。

图1 红外光谱图

2.2 DSC分析

图2(a)、2(b)、2(c)分别为干纺氨纶Lycra、TPU切片和熔纺氨纶A的DSC分析曲线。

(a) Lycra

(b) TPU切片

(c) 熔纺氨纶A

从图2(a)可知，Lycra曲线在冷却降温(退火)过程中在-13～-14 ℃附近存在结晶峰，第二次升温扫描过程中在21～22 ℃附近有结晶熔融峰，而图2(b)TPU切片、图2(c)熔纺氨纶A曲线上结晶峰不明显，说明干纺氨纶软段存在明显结晶现象，TPU切片和熔纺氨纶软段结晶现象不明显，这是因为在熔纺氨纶A中TPU切片与交联剂反应形成交联点，使具有长折叠周期的片晶的生长受到限制，使尺寸大的结晶生长受到限制。同时，Lycra曲线中的Tg(玻璃化温度)要比熔纺氨纶A曲线低，说明干纺氨纶微相分离程度要比熔纺氨纶高。对比TPU切片、熔纺氨纶A曲线，TPU切片曲线第一次升温扫描时在143.09 ℃处有熔融峰，退火后第二次升温扫描时此峰消失，熔纺氨纶A曲线上始终没有此峰出现，说明TPU切片硬段中存在局部有序排列或微晶，它经熔融交联后，硬段中引入了化学交联键，破坏了硬段的规整性，加上交联键的空间位阻作用，使得硬段中远程有序结构或者结晶被破坏，所以熔纺氨纶的DSC曲线中没有熔融峰；TPU切片曲线上第二次升温时熔融峰消失，是因为第一次升温至300 ℃的过程中，TPU切片发生了熔融流动，改变了分子的聚集状态。同时从两者曲线上可以看出，熔纺氨纶A曲线上所示的Tg要比TPU切片曲线中低7 ℃左右，说明交联键引入后，熔纺氨纶中微相分离程度变大[5]。

2.3 TG-DTG分析

图3(a)、3(b)分别为TPU切片和熔纺氨纶A的TG-DTG曲线图。

从图3可知，3(b)熔纺氨纶A图中TG曲线上5%、10%、50%失重温度和DTG曲线上最大分解速率所对应的温度都要比3(a)TPU切片图中高5～15 ℃，说明交联熔融反应后，熔纺氨纶的各项特征热分解温度都有提高，热稳定性得到了改善。

(a) TPU切片

(b) 熔纺氨纶A

3 结论

(1)干纺氨纶FTIR曲线上存在较强的脲基伸缩振动峰，而熔纺氨纶FTIR曲线上没有此峰，说明干纺氨纶大分子链结构中存在大量脲基。

(2)与TPU切片相比，熔纺氨纶FTIR曲线中N—H、C—H吸收峰位置向高波数方向移动，且吸收较弱，这是因为TPU切片与交联剂在熔融状态下发生交联反应，生成的大分子内化学交联键使得氢键化官能团和硬段区的有序规整度遭到破坏，氢键作用减弱。

(3)DSC曲线上，熔纺氨纶的Tg高于干纺氨纶，低于TPU切片，说明熔纺氨纶微相分离程度比干纺氨纶低，在引入交联键后，微相分离程度变大。

(4)TG-DTG曲线上，熔纺氨纶的失重温度和最大分解速率所对应的温度都比TPU切片高，说明熔融交联反应后，熔纺氨纶的各项特征热分解温度都有所提高，热稳定性得到了改善。

[1]韩秀山.熔纺氨纶的优势和生产发展现状[J].精细化工原料及中间体，2008(6)：39-40.

[2]顾超英.国内外氨纶市场现状及中国氨纶行业经济运行分析[J].聚氨酯，2007(11)：84-92.

[3]曾幸荣.高分子近代测试分析技术[M].广州：华南理工大学出版社，2007：52-70.

[4]李杰妹，黄瑞，吕小红，等.傅里叶变换红外光谱技术在聚氨酯行业中的应用进展[J].化学推进剂与高分子材料，2008，6(6)：30-38.

[5]郭大生，王文科.熔纺聚氨酯纤维[M].北京：中国纺织出版社，2003：423-436.