碱处理对异形截面聚酯纱线芯吸效应及强力的影响

张 琳， 武海良， 沈艳琴， 毛宁涛,2

(1. 西安工程大学 纺织科学与工程学院， 陕西 西安 710048；2. 英国利兹大学 设计学院， 英国 利兹 LS2 9JT)

异形截面聚酯纤维由于导湿性好，被广泛应用于制作吸湿快干内衣、吸湿凉爽夏季织物和运动服等[1-3]，为功能性纺织品的开发创造了优越的条件。异形截面聚酯纤维截面有多条异形细微沟槽，可有效地将肌肤表面的汗水和湿气瞬间吸收并快速传输至表面，达到吸湿快干和吸湿凉爽的效果。异形截面聚酯纤维织物需要经退浆处理，以满足印染的要求。目前退浆的方式主要有碱退法、酶退法、氧化剂退法及酸退法。由于异形截面聚酯纤维浆纱或浆丝时通常采用聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯酸酯及聚酯浆料，对于这类浆料，退浆时通常采用碱法退浆工艺。退浆过程中碱会影响聚酯纤维的性能，因此碱对聚酯纤维性能的影响一直是研究的热点[4-6]。

许多研究结果表明，碱处理对聚酯微观结构及力学性能具有很大的影响[7-8]，如有文献[9]研究了碱对聚酯纤维复合材料力学性能的影响，发现碱在一定程度上可有效破坏复合材料的力学性能；刘越等[10]探讨了碱水解对改性聚酯纤维性能的影响，得出适当的碱处理有助于水分子在纤维间的传递；王维明等[11]对中空聚酯短纤维的耐碱性及力学性能进行了探讨，发现碱浓度适中时可保留聚酯纤维原有的中空结构；梁必超等[12]研究了酸碱对聚酯/聚酰胺纤维性能的影响，指出聚酯纤维耐碱性差。这些研究均得出一致的结论：碱处理对聚酯纤维纱线的性能影响很大，但目前研究大多集中在碱对纱线力学方面的影响上，对碱处理后水分子在纱线中的传递机制，尤其是碱量如何保证纱线芯吸效应和力学性能的一致方面的研究较少。

本文从退浆方式及要求出发，系统研究碱处理前后异形截面聚酯纤维表面形态变化、芯吸效应、润湿性及强力的变化情况，以期为制定异形截面聚酯纤维织物退浆工艺以及对浆料的选择提供参考。

1 实验部分

1.1 实验材料与仪器

实验材料：异形截面聚酯纤维(Coolsmart纤维，1.34 dtex)、异形截面聚酯纱线(Coolsmart纱线，19.1 tex)，南通双弘纺织有限公司；NaOH(化学纯)，北京益利精细化学品有限公司。

实验仪器：HH-6型恒温水浴锅(金坛市国旺实验仪器厂)、60SXR型傅里叶变换红外光谱仪(美国尼高力仪器公司)、Quanta 600 FEG型场发射扫描电镜(美国FEI公司)、HD021 N型电子单纱强力仪(南通宏大实验仪器有限公司)、LLY-06EDC型电子单纤维强力仪(莱州市电子仪器有限公司)、YG(B)871型毛细管效应测定仪(温州际高检测仪器有限公司)、OCA20型全自动单一纤维接触角测量仪(德国Dataphysics Instruments GmbH公司)。

1.2 实验方法

1.2.1碱处理工艺

称取一定量的异形截面聚酯纤维纱线，分别配制质量分数为2%、4%、6%、8%的NaOH溶液，浴比为1∶30，水浴加热至100 ℃，将纱线浸渍在不同质量分数的碱液中，保温处理60 min，处理后的纱线用蒸馏水洗净，直至纱线附着液的pH值为6～7，在40 ℃条件下烘干后进行性能测试。

1.2.2异形截面聚酯纤维的结构表征

制取粉末试样，采用傅里叶变换红外光谱仪测试异形截面聚酯纤维结构，根据红外光谱中吸收峰的强度、位置和形状，确定纤维的化学组成[13]；为观察纤维表面形态，用导电胶将样品固定在样品台上，经真空喷金处理后，采用扫描电子显微镜分析异形截面聚酯纤维的表面形态[14]。

1.2.3异形截面聚酯纱线性能测试

断裂强力：在电子单纱强力仪上进行测试，夹口间隔距为500 mm，拉伸速度为500 mm/min，每组测试30次，取平均值。

芯吸效应：按照FZ/T 01071—2008《纺织品 毛细效应试验方法》，采用毛细管效应测定仪测量异形截面聚酯纱线的毛细高度[15]。

芯吸速率的计算公式为

式中：v为芯吸速率，cm/min；h为芯吸高度，cm；t为达到该芯吸高度的时间，min。

接触角测量：实验过程中以三级水为测试液。采用座滴法，用全自动单一纤维接触角记录水滴在纱线中的铺展过程，并采用椭圆法对水滴的形态进行分析，得到初始表观接触角[16]。

2 结果与讨论

2.1 异形截面聚酯纤维红外光谱分析

图1 异形截面聚酯纤维与纱线的红外光谱图Fig.1 FT-IR of profiled polyester fiber and yarn

2.2 异形截面聚酯纤维表面形态

图3 碱处理后异形截面聚酯纱线芯吸高度及芯吸速率Fig.3 Wicking height (a) and wicking rate (b) of profiled polyester yarn after alkali treatment

异形截面聚酯纤维的表面形态如图2所示。可见，异形截面聚酯纤维的横截面为“十”字形，沿纤维纵向有四道沟槽，纵向沟槽起到毛细管作用，为水分的迁移提供通道，使异形截面聚酯纤维及纱线具有芯吸效应，赋予了异形截面聚酯纤维织物吸湿凉爽和吸湿快干的性能。聚酯在聚合过程中会形成聚合度为2～10的低聚物，在纺丝过程中高熔点的环状低聚物容易沉积在纤维的表面，如图2(b)所示。异形截面聚酯纤维沟槽处会被低聚物填塞，影响水分子在纤维芯吸管道中的传输；在浆纱或浆丝时浆料填充在纤维沟槽中，退浆不净时亦会堵塞水分子迁移通道，阻碍水分子的快速扩散，造成织物的吸湿凉爽性、吸湿快干性能下降。

图2 异形截面聚酯纤维表面形态(×5 000)Fig.2 Morphology structure of profiled polyester fiber(×5 000). (a) Cross section structure; (b)Longitudinal structure

2.3 碱处理对纱线芯吸高度的影响

图3示出不同质量分数碱处理后异形截面聚酯纱线芯吸高度及芯吸速率与芯吸时间的变化情况。可以看出，碱处理后异形截面聚酯纱线的芯吸高度和芯吸速率高于未处理纱线的芯吸高度和芯吸速率，碱处理后纱线的水分传导速度要比未处理纱线的水分传导速度快，这是由于在纺丝过程中齐聚物填塞于异形截面聚酯纤维沟槽处，影响了水分子在纤维芯吸管道的传输。聚酯纤维结构薄弱点处的碱水解速度较快，这是碱减量的作用点，通过碱水解使异形截面聚酯纤维沟槽处的齐聚物得到清理，从而使得异形截面聚酯纱线的芯吸性能提高、芯吸速率加快。从图3还可看出，当碱质量分数为4%时，纱线的芯吸效应最好。不同质量分数碱液对异形截面聚酯纤维处理后纤维表面状态如图4所示。

图4 不同质量分数碱处理后异形截面聚酯纤维的表面结构(×10 000)Fig.4 Surface structure characteristics of profiledd polyester fiber treated with alkali of different concentrations(×10 000).(a) Profiled polyester fiber; (b) Treated with 2% alkali; (c) Treated with 4% alkali; (d) Treated with 6% alkali; (e) Treated with 8% alkali

图5 不同质量分数碱处理后纱线与水滴接触时的初始形态Fig.5 Appearance of initial contact between yarn and water drop treated with alkali of different concentrations. (a) Profiled polyester yarn; (b) Treated with 2% alkali; (c) Treated with 4% alkali; (d) Treated with 6% alkali; (e) Treated with 8% alkali

当碱液的质量分数在4%以下时，碱液不能完全去除纤维沟槽中的低聚物(见图4(b))；当碱液质量分数为4%时，纤维沟槽中的低聚物被清理干净，沟槽光滑，水分传递阻力减小(见图4(c))，芯吸高度增加；当碱液质量分数超过6%时，碱液对纤维沟槽表面刻蚀，纤维表面出现凹凸不平的裂痕，致使沟槽表面不光滑(见图4(d)、(e))，水分传输阻力增大，相对于碱液质量分数在4%时其芯吸高度减小。由此可知，对异形截面聚酯织物进行退浆处理时，碱液质量分数在4%时为宜。

2.4 碱处理对纱线润湿性的影响

图5示出不同质量分数碱处理后纱线与水滴的初始接触形态。图6示出经不同质量分数碱处理后纱线与水滴的初始表观接触角。

图6 碱处理前后纱线与水滴的接触角Fig.6 Contact angle between water and profiled polyester yarn before and after alkali treatment

从图6可以看出，经碱处理后，纱线润湿性变好，纱线与水滴的接触角变小。这是因为异形截面聚酯纤维化学结构为聚酯，聚酯在碱溶液中加热会发生水解，水解过程如图7所示。

图7 聚酯纤维与NaOH溶液的化学反应Fig.7 Chemical reaction of polyester fibers with NaOH solution

碱处理后使纤维上的酯键断开，引入了亲水基团——羧基和羟基，改善了异形截面聚酯纤维纱线的润湿性。碱液中的OH-水解了纤维表面结构较疏松的非结晶区域和有缺陷的结晶区域，纤维表面出现树状沟槽和凹坑甚至破损(如图4(d)、(e))，使异形截面聚酯纤维结构变得更加松散，相对于未处理的原纱更有利于水分子对纱线的润湿，碱处理后异形截面聚酯纱线的润湿性比处理前明显提高。

2.5 碱处理对纱线强力的影响

将异形截面聚酯纱线分别在质量分数为2%、4%、6%、8%的高温碱液中处理60 min后，其强力及伸长率变化如图8所示。可以看出，碱会损伤异形截面聚酯纱线的强力及伸长性能。碱液破坏了纤维大分子苯环之间的作用以及未取向部分极性酯键的作用。纤维在碱性溶液中形成酯键的离子化形式，大分子发生水解，纤维表面出现了凹凸不平的斑痕和坑穴(见图4(d)、(e))，受到外力作用时应力集中到取向的主链上，使共价键破坏。随着分子间作用力及共价键的不断破坏，造成纱线受到外力时产生应力集中现象，导致纱线强力及伸长率降低。

图8 碱处理对纱线强力及伸长率的影响Fig.8 Influence of alkali treatment on strength and elongation of yarn

从图8可以看出：在碱质量分数达到2%时，纱线强力和伸长率损失较大；随着碱液质量分数的增大，纱线强力和伸长率损失严重，当碱质量分数高于6%时，纱线强力快速下降。这是因为碱质量分数越高，溶液中的OH-数量越多，纤维表面破坏严重，出现更多的凹坑和裂痕，产生更多的应力集中点，宏观上表现为纱线的强力降低、伸长下降。

3 结 论

1)碱处理能去除异形截面聚酯纤维沟槽中的齐聚物，增强纤维纱线的芯吸效应，碱处理时NaOH的质量分数在4%左右时，异形截面聚酯纤维纱线芯吸效果好。

2)经碱处理后，异形截面聚酯纤维表面出现凹坑甚至破损，使纤维结构变得更加松散，提高了纱线的润湿性能。

3)碱处理可降低异形截面聚酯纱线的强力和伸长性，特别是当NaOH质量分数高于6%后，异形截面聚酯纱线的强力和伸长性损失显著。

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