中空咖啡碳聚酯纤维的结构与性能

张陈恬 赵连英 顾学锋

摘要： 为了研究中空咖啡碳聚酯纤维的可纺性，文章测试并分析中空咖啡碳聚酯纤维的形态结构、红外光谱、热稳定性、拉伸性能、吸湿性、卷曲、比电阻、含油率等，并与咖啡碳聚酯纤维、普通聚酯纤维进行对比。测试结果表明，中空咖啡碳聚酯纤维有着明显的圆形中腔结构，附着细腻的纳米级咖啡碳颗粒，且延续了聚酯纤维优异的耐热性、高强高模、拉伸性能;吸湿性提高了3倍，优化了服用舒适性，热分解后质量残余量减少，是一种具有良好开发应用价值的新型功能性纤维，可为纺纱工艺、织造应用提供借鉴。

关键词： 中空咖啡碳聚酯纤维;聚酯短纤维;拉伸性能;吸湿性;纺纱工艺

Abstract： This study focuses on spinnability of hollow coffee carbon polyester. To this end， tests and analyses of the morphological structure， infrared spectrum， thermal stability， tensile property， hygroscopicity， crimp， specific resistance and oil content of hollow coffee carbon polyester were conducted， and comparison was made between coffee carbon polyester and ordinary polyester fiber. The results show that hollow carbon polyester has an obvious circular lumen， is attached with fine nanoscale coffee carbon particles， and is as excellent as polyester in heat resistance， high strength and high modulus， and tensile properties; its moisture absorption is higher than that of the ordinary one by three times， is superior in wearing comfortableness， and has less mass residue after thermal decomposition. It is a new-type functional fiber of high value of development and application， and provides a reference for spinning process and weaving application.

Key words： hollow coffee carbon polyester; polyester staple fiber; tensile properties; moisture absorption; spinning process

隨着人们生活水平的提高，纺织品的安全与保健愈发受到关注，新型纺织材料的研发与应用层出不穷，以满足人们对纺织品安全舒适、时尚高档、功能多样的新需求。聚酯纤维[1]以耐洗、耐光、耐热、耐虫蛀、高强高模、弹性回复好等优异的物理化学性能已成为产量最高的合成纤维之一，广泛应用于纺织品市场。咖啡碳聚酯纤维[2]是由咖啡渣经高温煅烧、研磨而成的纳米粉体，经特殊工艺加工制成母粒后，与一定含量的聚酯切片共混、纺丝而成，具有抑菌除臭、蓄热保暖、防紫外等多种功能，并且安全、环保、手感舒适，非常适合加工贴身服饰，面市后深受消费者欢迎。相比咖啡碳聚酯纤维，中空咖啡碳聚酯纤维增加了圆形中腔结构，使得纤维更加蓬松、富有良好回弹性和高保暖性[3]，而且比表面积大、质量轻、选择渗透性好、吸附能力强[4]等。

本文通过中空咖啡碳聚酯纤维、咖啡碳聚酯纤维和普通聚酯纤维的形态结构观察，经红外光谱、热性能、拉伸性能、吸湿性能、卷曲、蓬松性、弹性、比电阻、含油率等性能的测试和对比，分析中空咖啡碳聚酯纤维的综合性能，为纺纱、织造工艺及产品开发应用提供参考借鉴。

1 试 验

1.1 材 料

咖啡碳聚酯纤维、中空咖啡碳聚酯纤维（华楙生技股份有限公司），聚酯纤维（厦门翔鹭化纤股份有限公司），规格均为1.67 dtex×38 mm。

1.2 仪器设备

本文测试所用实验仪器设备如表1所示。

1.3 测试方法

1.3.1 纤维形态观察

根据GB/T 36422—2018《化学纤维微观形貌及直径的测定扫描电镜法》，采用扫描电镜、生物显微镜对纤维的纵向及横向截面形态进行观察。

1.3.2 红外光谱测试

根据GB/T 6040—2019《红外光谱分析方法通则》，采用傅立叶红外光谱仪测试纤维的组分和链结构，波数范围：400～4 000 cm-1。

1.3.3 纤维热稳定性能测试

根据GB/T 27761—2011《热重分析仪失重和剩余量的试验方法》，采用热重分析仪测试纤维热性能，N2氛围，初始温度为50 ℃，升温速率10 ℃/min，700 ℃结束。

1.3.4 纤维拉伸性能测试

根据GB/T 14337—2008《化学纤维短纤维拉伸性能试验方法》，采用单纤维电子强力仪测试纤维强力，预加张力015 cN/dtex，拉伸速度20 mm/min，夹持距离20 mm，等速将纤维拉伸至断裂，测试50组取平均值。

1.3.5 纤维吸湿性能测试

根据GB/T 6503—2017《化学纤维回潮率试验方法》，采用八篮恒温烘箱，将试样烘除水分至恒重，箱内热称测试回潮率，测试10组取平均值。

1.3.6 纤维卷曲性能、膨松性和弹性测试

根据GB/T 14338—2008《化学纤维短纤维卷曲性能试验方法》，采用纤维卷曲弹性仪，将已达到平衡回潮率的纤维置于与纤维成对比色的绒板上测定，夹持距离20 mm，轻负荷0.003 cN，重负荷0.125 cN，测试20组取平均值。

根据FZ/T 50009.4—2019《中空涤纶短纤维蓬松性和弹性试验方法》，采用2 000 mL的量筒，3 kg砝码，测量纤维在负荷前后的体积并计算，测试3组取平均值。

1.3.7 纤维比电阻测试

根据GB/T 14342—2015《化学纤维短纤维比电阻试验方法》，采用纤维比电阻仪，在温度（20±2） ℃、相对湿度（65±5）%的规定条件下，测量在一定的几何形状下具有一定密度的纤维电阻值。

1.3.8 纤维含油率测试

根据GB/T 6504—2017《化学纤维含油率试验方法》，采用纤维油脂快速抽出器，乙醇作为萃取剂，利用油剂能溶解于特定有机溶剂的性质，萃取出试样中的油剂，蒸发油剂，称量残留油剂的质量及处理后的纤维质量，计算得到试样的含油率。

2 结果与分析

2.1 纤维形态

中空咖啡碳聚酯纤维在自然状态下，有着明显的圆形中腔结构，纵向表面较圆滑，咖啡碳颗粒感分布较细腻、大小均匀，如图1、图2所示。

咖啡碳聚酯纤维的横截面呈现不规则的多边形，实心结构;纵向表面粗糙、附着大小不一的咖啡碳颗粒，多边形特征明显，如图3、图4所示。

涤纶纤维的纵向表面较光滑，实心结构，如图5、图6所示。

纤维的结构决定纤维的性質[5]，中空结构会使得纤维的力学弯曲、扭转刚度增大，纤维内部含有的静止空气（或其他物质）增加，会增强纤维的隔热性能，且仍保持良好的透气性。相比聚酯纤维，咖啡碳聚酯纤维的纳米级咖啡碳颗粒[6]可使得纤维具有优良的升温保暖、抑菌除臭、吸湿透气、防紫外线等多重功效。圆形截面纤维会像凸透镜产生“极光”效应[7]，中空咖啡碳聚酯纤维表现出晶亮透明的晶体光泽，可改善纺织品的光泽感。

2.2 红外光谱

中空咖啡碳聚酯纤维、咖啡碳聚酯纤维和聚酯纤维的红外光谱测试如图7所示，在400～4 000 cm-1内，三种纤维的特征透射率、光谱曲线基本一致，在723、1 013、1 110、1 240、1 329、1 407、1 710 cm-1处均出现涤纶的特征吸收峰。其中，723 cm-1为苯环上—CH键面外弯曲，1 013 cm-1为苯环上—CH键的面内弯曲，1 329 cm-1为—CH2的面外摇摆，1 710 cm-1为CO 伸缩运动[8]。三种纤维的极性基团及其含量的吸收带强度基本相同，亲水基团没有变化，回潮率的改变可排除亲水基团等分子结构的影响，分析是因为咖啡碳颗粒及中空结构的影响。

2.3 纤维热稳定性能

中空咖啡碳聚酯纤维、咖啡碳聚酯纤维和聚酯纤维在N2氛围下随温度变化的质量损失率曲线如图8所示，三种纤维的曲线变化趋势大致相同，几乎都在387 ℃开始分解，仅有1个热降解阶段。100 ℃时，三种纤维质量损失率基本一致，说明纤维中水分及其他微小杂质含量大致相同。咖啡碳聚酯纤维和中空咖啡碳聚酯纤维在461 ℃基本停止分解，质量损失速率接近于零，质量损失率在667 ℃后没有变化，即基本完成降解并释放大量热能，直至剩余碳化残渣。聚酯纤维在471 ℃停止分解，质量损失率直到700 ℃没有变化。

聚酯纤维的热定形优异，耐热性在普通合成纤维中属最好。由图8可得，热稳定性为聚酯纤维>咖啡碳聚酯纤维>中空咖啡碳聚酯纤维，表明咖啡碳聚酯纤维及中空咖啡碳聚酯纤维的耐热性较好，领先于其他普通合成纤维。分解停止后的质量分数为聚酯纤维>咖啡碳聚酯纤维>中空咖啡碳聚酯纤维，表明添加的咖啡碳纳米颗粒及中空结构使得中空咖啡碳聚酯纤维停止分解的温度降低，分解后的质量残余量减少，分解较为彻底。

2.4 纤维拉伸性能

纤维的拉伸性能是其力学性质中最为重要的，对纤维的可纺性、纱线的力学性能和织物的耐用性能等影响极大。中空咖啡碳聚酯纤维、咖啡碳聚酯纤维和聚酯纤维的拉伸性能测试指标如表2所示，纤维的断裂强度：聚酯纤维>中空咖啡碳聚酯纤维>咖啡碳聚酯纤维，纤维的断裂伸长率：中空咖啡碳聚酯纤维>咖啡碳聚酯纤维>聚酯纤维，纤维的初始模量：聚酯纤维>中空咖啡碳聚酯纤维>咖啡碳聚酯纤维。

纤维结构是影响纤维拉伸性能的根本原因[4]，咖啡碳颗粒的添加[6]改变了纤维的内部结构，使得纤维大分子排列发生了变化，缝隙孔洞的增加、扩大，降低了纤维的取向度，纤维的断裂强度和初始模量随之降低，断裂伸长率增加。中空咖啡碳聚酯纤维的拉伸性能也受到中空结构的影响[9]，断裂强度、初始模量略低于聚酯纤维，相比聚酯纤维会更加柔软，舒适性更好。

为了正确评定纤维的质量，需要对试验结果的平均性指标及不匀率指标做综合考虑[10]，中空咖啡碳聚酯纤维的断裂强度变异系数低于聚酯纤维，说明纤维强度不匀率低，出现薄弱环节的次数较少。综合来说，中空咖啡碳聚酯纤维作为一种新型功能性聚酯，延续了聚酯纤维优异的拉伸性能，尤其与强度较低的棉纤维混纺时，中空咖啡碳聚酯纤维含量的增加会提高混纺纱线的拉伸性能[11]。

2.5 纤维吸湿性

中空咖啡碳聚酯纤维、咖啡碳聚酯纤维和聚酯纤维的回潮率分别为1.54%、1.26%、0.46%，计算如下式所示：

三种纤维的亲水基团组成相同，但回潮率存在较大差距。咖啡碳颗粒的添加、中空结构的增加使得纤维的孔隙变多、比表面积变大，表面吸附的水分子数增加，纤维的吸湿性大幅增加，改善了聚酯纤维吸湿性差这一特性[12]。

2.6 纖维卷曲性能、蓬松性和弹性

中空咖啡碳聚酯纤维、咖啡碳聚酯纤维和聚酯纤维的卷曲数、蓬松性和弹性如表3所示，试样卷曲数如下式计算：

纤维的卷曲会使纤维的横向占有空间变大而增加纤维集合体的蓬松性;使得纤维纵向收缩并具有潜在的弹性伸长，从而增加纤维集合体的纵向可变形性。中空咖啡碳聚酯纤维受咖啡碳颗粒及中空结构的影响，纤维卷曲数较多，增大了纤维间的孔隙，进而增加了纤维集合体的蓬松性，进一步影响纤维集合体的保暖性。

2.7 纤维比电阻

中空咖啡碳聚酯纤维、咖啡碳聚酯纤维和聚酯纤维的比电阻如表4所示，纤维的比电阻：聚酯纤维>咖啡碳聚酯纤维>中空咖啡碳聚酯纤维。比电阻的计算如下式所示：

分子结构、吸湿性、温度、表面附着物都会影响纤维的电学性质[13]，接触与摩擦导致纤维产生电荷积聚的静电现象对纺纱、织造及成品使用都有不良的影响。纤维的回潮率增大、吸湿性提高，会使得纤维的导电性得到改善，中空咖啡碳聚酯纤维比电阻小于聚酯纤维，静电现象得到改善，优化了服用舒适性。纤维的比电阻低于1×108 Ω·cm即静电现象在正常范围内，纺纱时选择与吸湿性较强的纤维混纺，可改善静电现象。

2.8 纤维含油率

中空咖啡碳聚酯纤维、咖啡碳聚酯纤维和聚酯纤维的含油率分别为0.41%、0.20%、0.06%，含油率的计算如下式所示：

咖啡渣[14]含有以棕榈酸（C 16︰0）和亚油酸（C 18︰2）为主、硬脂酸（C 18︰0）和油酸（C 18︰1）为次要成分的油脂，碳化成纳米颗粒再添加混入聚酯纺丝液也需要一定油性溶剂以均匀混合再纺丝，故增加了纤维的含油率。油剂在纤维表面会形成具有一定厚度的油膜，油剂过少会导致纤维抱合不足，纺纱时增加飞花、断头等，油剂过多会导致纤维发黏，纺纱时开松困难、纤维黏结等[15]，车间温度和相对湿度会对油剂性能造成很大影响，所以纤维含油率对可纺性的影响需要综合考虑[16]。

3 结 论

本文分析中空咖啡碳聚酯纤维的形态结构、红外光谱、热稳定性、拉伸性能、吸湿性、卷曲、比电阻、含油率等，与普通聚酯纤维进行对比，得出以下5点结论。

1）中空咖啡碳聚酯纤维有着明显的圆形中腔结构且中空度均匀，附着细腻的咖啡碳颗粒，表现出明亮的晶体光泽。

2）中空咖啡碳聚酯纤维的化学结构与聚酯纤维几乎一致，热稳定性一致，分解后的残余量更少。

3）中空咖啡碳聚酯纤维的断裂强度和初始模量略有降低、断裂伸长率增加，延续了聚酯纤维的拉伸性能。

4）中空咖啡碳聚酯纤维具有较高回潮率，改善了吸湿性和静电现象。

5）中空咖啡碳聚酯纤维的卷曲数较多，增加了纤维集合体的蓬松性，可进一步增加保暖性。

综合纤维结构及性能的测试研究，中空咖啡碳聚酯纤维柔软、细腻、光泽好，延续了聚酯纤维的耐热、高强高模、回弹性好等优异性能，改善了吸湿性，具有多种功能，是一种非常值得开发并应用的新型功能纤维。

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