季铵盐改性聚氨酯弹性纤维的结构与性能

薛士壮，王小华，钱 锦，王 靖，晋中成，杨晓印

(浙江华峰氨纶股份有限公司，浙江 瑞安 325200)

季铵盐改性聚氨酯弹性纤维的结构与性能

薛士壮，王小华，钱 锦，王 靖，晋中成，杨晓印

(浙江华峰氨纶股份有限公司，浙江 瑞安 325200)

为改善聚氨酯弹性纤维的酸性染料染色性能，采用物理混合的方法制备了季铵盐/聚氨酯脲纺丝原液，然后经干法纺丝制得了季铵盐改性聚氨酯弹性纤维；研究了改性聚氨酯弹性纤维的表面形貌、力学性能及酸性染料染色性能。结果表明：改性前后的聚氨酯弹性纤维表面形貌没有变化；改性聚氨酯弹性纤维伸长300%时的拉伸应力提高了16%，断裂强度提高了21%，断裂伸长率下降了6.4%，弹性回复率没有变化；改性聚氨酯弹性纤维的酸性染料上染率有了明显的提高，耐洗色牢度达到4级。

聚氨酯弹性纤维 季铵盐 共混改性 干法纺丝 力学性能 染色性能

聚氨酯弹性纤维在我国俗称氨纶，是一种软硬段交替的多嵌段共聚物，具有断裂伸长率大、弹性回复率高等优异性能。氨纶在后加工应用中，一般不单独使用，而是少量地掺入织物中来提高织物的服用性能[1]。然而，含氨纶的弹性织物在拉伸状态下因氨纶的“露白”而影响织物的整体品质，这种现象主要是由于氨纶染色困难、不易上色造成的[2]。

锦纶/氨纶弹力织物是目前泳装、运动装等服饰的首选面料，市场需求量也在不断上升。此类织物一般采用酸性染料进行染色，主要是由于锦纶大分子链中存有—NH2和—CONH—[3]。织物中含有氨纶时，酸性染料主要进入较为疏松的无定形区，与聚氨酯大分子中一定量的极性基团(如脲基、氨基甲酸酯基等)发生偶极力、氢键结合，达到上染，但色牢度通常较差[4]。所以，提高氨纶的酸性染料染色性能的研究具有重要的意义，不但有利于氨纶的染整加工，而且有利于差异化氨纶的发展。

目前，提高氨纶的酸性染料染色性能的主要方法是在氨纶合成的扩链反应阶段引入具有叔胺基结构的二元胺类物质作为协扩链剂，从而使聚氨酯大分子链中具有可与酸性染料结合的染座[5-6]。但由于聚氨酯脲原液可纺性的限制，此类协扩链剂的加入量较少，染色性能提高有限。作者通过物理共混改性的方法，将季铵盐与聚氨酯脲纺丝原液共混，通过干法纺丝生产出改性氨纶，研究了季铵盐改性剂对氨纶表面形貌、力学性能及其酸性染料染色性能的影响。

1 实验

1.1 原料与试剂

聚氨酯脲：硬段为4,4′-二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)，软段为聚四氢呋喃醚二醇(PTMG)，扩链剂为丙二胺和乙二胺，浙江华峰氨纶股份有限公司提供；季铵盐：十六烷基三甲基氯化铵，国药集团化学试剂有限公司产；染色剂：弱酸嫩黄G，弱酸性红GN，酸性艳蓝G，均为市售。

1.2 季铵盐改性氨纶的制备

将季铵盐与聚氨酯脲原液混合均匀后采用干法纺丝制备改性氨纶，其线密度为44 dtex，季铵盐质量分数为0.5%。混合纺丝原液经过熟化后，由齿轮计量泵定量均匀地压入纺丝头，在压力作用下原液从喷丝板毛细孔中挤出形成丝条细流，通过方形纺丝甬道，在热气流下溶剂挥发，固化成丝，丝束经过假捻后卷绕成型。纺丝温度控制在260 ℃，纺丝速度为900 m/min。

1.3 染色方法及工艺

采用台湾新瑞开发科技有限公司IR-12型红外染色机对氨纶进行染色。选择酸性染料质量分数2%，温度100 ℃，pH值4.5，浴比1:25的条件下染色90 min，室温入染，升温速率2 ℃/min。

1.4 分析与测试

表面形貌：采用日本JEOL公司的JSM-5610LV型扫描电镜(SEM)观察季铵盐改性前后的氨纶表面形貌。

力学性能：采用CMT6101型微机控制电子万能试验仪(深圳市新三思材料检测有限公司制)对试样进行测试，测试试样断裂强度、断裂伸长率及试样伸长300%时的应力(S300)。

弹性回复率：将制备的普通氨纶和改性氨纶拉伸至原长度的300%，经过5次循环往复拉伸停留30 s后，测量试样的松弛长度，计算弹性回复率。测试前试样在25 ℃，相对湿度65%的条件下放置4h；测试时拉伸速度为500 mm/min，试样长度为50 mm，每个试样测试5次取平均值。

染色性能：采用U-3010型紫外可见光分光光度计(日本Hitachi公司制)测定染色前、后残液的最大吸光度，按式(1)计算上染率(E)：

(1)

式中:A1和A0分别为残液和染色前染液的吸光度。

参照GB/T 3921—2008《纺织品 色牢度试验 耐皂洗色牢度》标准，在SW-12型耐洗色牢度试验机上进行测试试样的耐皂洗色牢度，测试后用GB 250—1995《评定变色用灰色样卡》评定试样的褪色和沾色级别。

2 结果与讨论

2.1 形态结构

从图1可以看出，改性前后氨纶表面形貌并没有发生变化，说明采用物理混合的方法对氨纶的表面形态无影响。

图1 氨纶试样的表面形貌Fig.1 Surface morphology of spandex samples

2.2 力学性能

从表1可以看出，相同纺丝条件下，经季氨盐改性后，氨纶S300和断裂强度提高，断裂伸长率降低，同时季铵盐对氨纶的弹性回复率基本无影响，说明季铵盐的加入对氨纶有一定的增强作用。这是由于季铵盐与氨纶硬段之间由于氢键的作用而相互聚集，从而促使软硬段的相分离，这种相分离有利于提高氨纶的断裂强度和模量。

表1 季铵盐改性氨纶的力学性能Tab.1 Mechanical properties of quaternary ammonium salt modified spandex

2.3 染色性能

从表2可以看出，季铵盐改性氨纶对酸性染料的E有明显的提高。氨纶的大分子链末端有微量的端氨基(—NH2)存在，而这种端氨基有利于酸性染料的上染，虽然氨纶生产工艺的不同，端氨基的含量也会发生变化，但始终较低。而通过物理改性的方法，引入具有叔胺基的季铵盐改性剂，通过染料与叔胺基发生离子键结合，提高了氨纶对酸性染料的亲和力。

表2 氨纶试样对酸性染料的ETab.2 E of acid dyes on spandex samples

由表3可以看出，对于3种酸性染料，改性氨纶的染色牢度均优于普通氨纶。这是由于季铵盐改性剂中叔胺基的引入，改善了氨纶对染料的亲和力，而纤维与染料之间的离子键作用使这些染料在耐洗色牢度测试中，不容易脱落下来，耐洗色牢度得到提高，染色质量得到改善。

表3 氨纶试样对酸性染料染色的色牢度Tab.3 Color fastness of spandex samples dyed with acid dyes

3 结论

a.相同纺丝工艺条件下，加入季铵盐改性剂后，得到的改性氨纶的S300和断裂强度提高，断裂伸长率降低，弹性回复率基本保持不变。

b.相同的染色工艺条件下，加入季铵盐改性剂后，由于引入了大量的叔胺基，改性氨纶的染色性能有了明显改善，对弱酸性红GN、弱酸嫩黄G、酸性艳蓝G 3种染料的E可分别达98%，92%，96%。

[1] 牛家祥，何山，张祖文，等.氨纶的生产及应用 [J].聚酯工业，2003，16(2)：19-22.

[2] 徐谷仓.氨纶弹性织物染整常见疵病的产生及防止 [J].印染，2006,32(10)：11-17.

[3] 杨桂芳，王勇，董仲生.酸性络合染料在锦纶织物上的染色 [J].染料与染色，2014，51(3)：25-28.

[4] 车江宁，袁琴华，毕东辉.弱酸性染料氨纶染色工艺新探 [J].印染，1999,25(11)：10-12.

[5] 宋心远.氨纶的结构、性能和染整(一) [J].印染，2002,28(11)：30-35.

[6] 宋心远.氨纶的结构、性能和染整(二) [J].印染，2002,28(12)：35-38.

Structure and properties of quaternary ammonium salt modified elastomeric polyurethane fiber

Xue Shizhuang,Wang Xiaohua,Qian Jin,Wang Jing,Jin Zhongcheng,Yang Xiaoyin

(ZhejiangHuafonSpandexCo.,Ltd.,Ruian325200)

In order to improve the acid dyeing behavior of elastomeric polyurethane fiber,a quaternary ammonium salt/polyurethane urea spinning solution was prepared by physical blending method and was produced into quaternary ammonium salt modified elastomeric polyurethane fiber by dry spinning process.The surface morphology,mechanical properties and acid dyeing behavior of the modified elastomeric polyurethane fiber were studied.The results showed that the surface morphology of elastomeric polyurethane fiber did not change before and after modification; the modified elastomeric polyurethane fiber had an increase of 16% in tensile tension at 300% elongation,an increase of 21% in breaking strength,a decrease of 6.4% in elongation at break and elastic recovery percentage with no change; and the acid dyeing behavior of the modified elastomeric polyurethane fiber was profoundly improved,and the color fastness to washing reached grade 4.

elastomeric polyurethane fiber; quaternary ammonium salt; blend modification; dry spinning; mechanical properties; dyeing property

2015- 09- 06； 修改稿收到日期：2016- 01-25。

薛士壮(1984—)，男，硕士研究生，主要从事高分子材料的合成与改性。E-mail：shizhuang_xue@126.com。

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1001- 0041(2016)02- 0053- 03