涤纶纤维表面复合改性对其亲水性的影响

邵灵达 申晓 金肖克 田伟 祝成炎

摘要： 为了改善涤纶纤维分子缺乏亲水基团亲水性能差的问题，文章采用等离子体和硅烷偶联剂对其进行复合改性，并对涤纶试样的表面微观形貌、表面接触角、质量变化、单丝强度、官能团等进行测试和分析。结果表明：等离子体处理可以显著改善涤纶的表面亲水性，表面接触角相比无处理之前降低58.5°，但在存放过程中涤纶纤维表面的极性基团变少，表面接触角逐渐增大;经等离子体和硅烷偶联剂复合改性后，表面接触角降低46.3°，维持在85.7°左右。这些改性方式均使涤纶表面亲和作用提升，浸润性得到改善，同时对涤纶纤维质量和单丝强度的影响都很小。

关键词： 涤纶纤维;表面改性;纤维表面性能;浸润性;表面接触角;单丝强度

中图分类号： TS102.522文献标志码： A文章编号： 10017003（2020）02001906

引用页码： 021104DOI： 10.3969/j.issn.10017003.2020.02.004

Effect of surface modification of polyester fiber on its properties

SHAO Lingda， SHEN Xiao， JIN Xiaoke， TIAN Wei， ZHU Chengyan

（Key Laboratory of Advanced Textile Materials and Manufacturing Technology， Ministry of Education，

Zhejiang SciTech University， Hangzhou 310018， China）

Abstract： In order to solve the problem of poor hydrophilic performance due to the lack of hydrophilic group in the polyester fiber， it was modified by plasma and silane coupling agent. The surface topography， surface contact angle， mass change， functional group， and monofilament strength of polyester samples were tested and analyzed. The results show that the plasma treatment can significantly improve the surface hydrophilicity of the polyester. The surface contact angle was 58.5° lower than before treatment. But the polar groups on the surface of the polyester fiber decreased during the storage process， and the surface contact angle gradually increased. After composite modification with plasma and silane coupling agent， the surface contact angle decreased by 46.3°， it remained around 85.7°. These modification methods enhance the affinity of the polyester surface and improve the wettability. At the same time， the effect on the quality of polyester fiber and the strength of monofilament is very small.

Key words： polyester fiber; surface modification; fiber surface properties; wettability; surface contact angle; monofilament strength

滌纶是一种强度高、耐腐蚀、热塑性好的合成纤维。因为良好的性能和低廉的价格涤纶行业发展得很快，同时石油工业的发展为涤纶生产提供了丰富而且廉价的原料，使其在化学纤维领域大发光彩，由传统的服用领域向要求更高的产业用纺织品领域不断发展[1]。但是涤纶分子排列紧密结晶度高，大分子上缺少亲水基团，因此涤纶纤维亲水性差且易产生静电[24]，影响了涤纶织物的上染率[56]。目前涤纶纤维表面改性方法大致分为两类（表1）：一类是通过物理方法，主要包括紫外线[78]、等离子体[9]、高能辐射射线[1011]和激光[12]等;另一类是通过化学方法，主要包括碱处理[13]、酶处理[14]。紫外线和高能辐射射线处理对仪器操作人员要求较高，难以实现工业化的生产。碱处理和酶处理不仅会对材料本身的力学性能产生较大的影响，同时也会对环境造成污染。Junkar等[15]对涤纶纤维进行等离子体处理，发现处理后的分子充满了富氧官能团，通过水接触角测试表明涤纶表面的亲水性能有所增加。李宏英等[16]通过对无预处理和经等离子体预处理的涤纶织物进行测试，证明了经等离子体预处理的涤纶织物接枝率大幅提高，亲水性也得到了的改善。但是经等离子处理后的纤维性能存在时效性，会在一定时间后失效。目前主要通过对不同处理对象采用合适的等离子体气氛、处理功率、处理时间来改善等离子体处理存在的时效性。Kim[17]通过调整等离子体气氛氩氧气的比例，研究对等离子体时效性的影响，结果表明当氩气和氧气的比例为9︰1时处理效果最好，时效性较不明显。硅烷偶联剂是一类具有两种不同性质基团（可水解基团和非水解基团）的有机硅化合物，其应用领域日益扩大，多应用于材料的表面改性，改善其浸润性、流变性、黏接力等，具有用量少、效果明显、时效性长等优点。本文以涤纶纤维为研究对象，对其进行等离子体处理和硅烷偶联剂处理，同时尝试采用一种物理与化学结合的方法使等离子体和硅烷偶联剂复合改性，通过对表面处理前后性能的测试，来研究不同改性方法对涤纶纤维亲水性能的影响。

1实验

1.1材料、试剂与仪器

材料：平方米质量400g/m2涤纶织物（江苏天裕集团）。

试剂：KH550硅烷偶联剂（南京全希化工有限公司），无水乙醇、丙酮（杭州高晶精细化工有限公司）。

仪器：HD1A/B冷等离子体处理仪（常州中科常泰等离子体科技有限公司），JSM5610扫描电子显微镜（日本电子株式会社），视频接触角张力仪（德国Kruss公司），Instron3369万能试验机（美国英斯特朗公司）。

Effect of surface modification of polyester fiber on its properties涤纶纤维表面复合改性对其亲水性的影响

1.2试样处理

涤纶在加工过程中会加入油剂，这些油剂会停留在表面形成一层保护膜，所以在纤维改性之前应进行预处理，去除多余的油剂。

1.2.1涤纶纤维预处理

将涤纶试样浸泡在丙酮溶液中24h去除油剂，然后将处理后的试样放入鼓风干燥箱内，温度设定为75℃，时间为12h，去除残留的丙酮溶液。

1.2.2等离子体表面处理

将涤纶试样放入等离子体处理室中，处理10min后排空处理室内的气体，装入真空袋备用[1819]。

1.2.3硅烷偶联剂处理

将乙醇溶液硅烷偶联剂按照97︰3配置成溶液。然后将经过预处理的涤纶试样浸入溶液中，处理1h后使用乙醇溶液洗去未反应的硅烷偶联剂，随后将试样放入鼓风干燥箱，充分干燥后装入真空袋备用。

1.3结构表征和性能测试

在经等离子体表面处理和硅烷偶联剂处理后，涤纶纤维的亲水性能得到改善，通过测试表面接触角来表征涤纶纤维的亲水程度。为研究改性前后涤纶各项性能变化，本文对涤纶的微观结构、表面接触角、质量变化率和单丝强度进行对比分析。

1.3.1微观结构表征

将涤纶纤维表面喷金后，使用JSM5610型扫描电子显微镜观察纤维表面处理前后的形态变化，测试电压为10kV，放大倍率2000。

1.3.2表面接触角测试

使用德国Kruss公司生产的视频接触角张力仪来测试表面接触角，将去离子水滴在涤纶机织物表面，每种试样测试8个不同位置并记录其水接触角。

1.3.3纤维质量变化率

本文采用称重法，每种试样测试5次取平均值。

1.3.4纤维单丝强度

通过光学显微镜测试涤纶纤维直径并使用Instron3369万能试验机进行测试，夹距为20cm，测试速度设定为10mm/min，每组试样测试5次取平均值。

2结果与分析

2.1涤纶纤维表面形貌

图1为涤纶纤维经不同改性处理后的扫描电镜图。

通过观察对比图1（a）（b），可以发现经等离子体处理后涤纶纤维表面出现了较为明显的沟槽，增大了接触面积。这是因为不稳定的电浆体在电磁场的作用下轰击到纤维表面，通过物理作用剥离了纤维的表层物质。对比图1（a）（c）可以看出，经硅烷偶联剂处理后，原本光滑纤维表面被一层硅烷偶联剂所覆盖，表面变得粗糙。

对比图1（b）（d）可以看出，在经硅烷偶联剂处理后，涤纶纤维表面因等离子体处理而产生的沟槽被硅烷偶联剂所覆盖，等离子体处理能够使硅烷偶联剂接枝效果变得更好。

2.2表面改性处理对涤纶织物表面接触角的影响

2.2.1等离子体及硅烷偶联剂处理对涤纶织物表面接触角的影响

图2、图3分别为不同改性处理后的涤纶织物表面接触角测试及变化情况。

通过图3可以看出，未经处理的涤纶织物表面接触角为132°，去离子水停留在纤维表面湿润性较差，呈现疏水性。涤纶织物经不同改性处理后的表面接触角均发生一定程度的降低，其中经等离子体处理后的涤纶织物表面接触角降低最明显，这是由于等离子体束中的电浆体轰击涤纶纤维表面，使涤纶纤维表面发生刻蚀作用同时产生更多的羟基亲水基团。但此时涤纶表面处于非常不稳定的高能状态，由于物质系统能量越低越稳定因此随着时间的推移纤维的羟基基团会变少，表面改善的亲水性能又恢复到之前的疏水状态[20]。通过引入硅烷偶联剂，涤纶纤维表面会物理吸附一些硅烷偶联剂大分子的同时通过化学接枝使氨基增加羟基减少，但因为羟基的亲水性优于氨基，导致亲水性稍稍下降，共同作用下表面接触角稳定在85.7°左右，经过测试复合改性可以有效避免等离子体表面处理失效。

2.2.2等离子體及硅烷偶联剂处理对涤纶纤维质量变化率和单丝强度的影响

图4为不同表面处理后涤纶纤维的质量变化率和单丝强度。

由图4可见，经等离子体处理后，涤纶纤维的质量减少了1.04%，单丝强度提高了2.47%，这是由于等离子体穿透性不强，对纤维的损伤小，涤纶纤维的纤度减小，从而纤维单丝强度稍稍增加。经硅烷偶联剂和复合处理的涤纶纤维质量分别增加了0.89%、1.05%，单丝强度降低了1.39%、0.39%。经硅烷偶联剂处理后，纤维表面附着有偶联剂大分子，涤纶纤维的纤度提高，单丝强度稍稍降低[21]。结果表明，三种改性方式对纤维质量和单丝强度影响不大。

2.2.3等离子体及硅烷偶联剂处理对涤纶纤维表面官能团的影响

图5为经不同表面处理后涤纶纤维的傅里叶红外光谱图。

由图5（a）可见，970cm-1是涤纶大分子链末端—OH的振动峰，1409cm-1是苯环上C—H的振动峰，涤纶纤维大分子链的酯键分别在1710cm-1和1241cm-1处具有较强的—CO对称伸缩特征。观察图5（b），在1578cm-1处的峰变明显，这是由于硅烷偶联剂中存在的—NH2和苯环振动吸收峰在此处相互叠加[22]。观察图5（c），1710cm-1处的强度明显增强，表面被激活—CO基团强度增大，在3200～3600cm-1处的—OH伸缩振动谱带变高变宽。这是由于纤维经过等离子体处理之后会产生很多的含氧极性基团，这些基团与空气中的水接触，增加了纤维表面的—OH基团数量[23]。

3结论

通过对涤纶纤维进行等离子体和硅烷偶联剂复合处理，涤纶织物的亲水性得到改善。

1）SEM结果表明，涤纶纤维经等离子体处理后，因刻蚀作用产生了沟槽，接触面积增加，有利于改善涤纶的亲水性;经硅烷偶联剂处理后，与纤维表面活性基团形成化学键覆盖在纤维表面，有利于改善涤纶的亲水性。

2）经等离子体和硅烷偶联剂处理后，涤纶织物表面接触角有不同程度的降低。经等离子处理涤纶的表面接触角降低最明显，表面接触角相比之前降低58.5°，通过复合改性处理表面接触角维持在85.7°，稳定性较好，表明复合改性处理有利于降低涤纶纤维的表面接触角，同时改善等离子体处理时效性差的问题。

3）测试纤维质量和单丝强度变化的结果表明，经三种改性方式处理后的涤纶纤维质量和单丝强度均小幅上涨或下降，说明等离子体和硅烷偶联剂处理对纤维损伤小，不会对纤维的力学性能造成明显影响。

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收稿日期： 20190521; 修回日期： 20191212

作者简介： 邵灵达（1995），男，博士研究生，研究方向为纺织复合材料。通信作者：祝成炎，教授，cyzhu@zstu.edu.cn。