热处理和碱处理对阳离子可染短纤维力学性能的影响

杨童童，韩春艳,2，陈 艳，尹建新，贾君君，李 娜，雷青松

(1. 中国石化仪征化纤有限责任公司，江苏仪征 211900； 2. 江苏省高性能纤维重点实验室，江苏仪征 211900)

聚酯涤纶纤维具有强度高、模量高、尺寸稳定性好、耐磨耐热、挺括不皱等特点，被广泛用于各类纺织品领域[1]。但由于涤纶纤维只能在高温高压下使用分散染料进行染色，并且具有吸湿透气性差、静电大、易起球等特点，这限制了涤纶纤维的应用和发展。而ECDP纤维不仅可以使用阳离子染料在常压下进行染色，上染率高，色谱广，色泽鲜艳[2]，而且与普通涤纶纤维相比，其抗起毛起球性能好，具有手感柔软、吸湿性好、环保低能等特点，也可作为腈纶和黏胶的替代产品在毛纺、棉纺上有一定应用。经查阅，有关聚酯涤纶纤维碱处理的报道较多[3-8]，而对ECDP纤维的热处理和碱处理系统的研究报道甚少。ECDP纤维经过热处理和碱处理，纤维的柔软性和吸湿性提高，满足后道使用需求。因此，ECDP纤维的耐热耐碱性尤其受到关注。本文系统地研究了热处理工艺分别对酯型和醚型ECDP纤维力学性能的影响，以及碱处理工艺对醚型ECDP纤维结构和力学性能的影响。通过对比测试分析，找出合适的处理条件，为今后的生产实践提供参考。

1 试 验

1.1 原料

材料：1.33 dtex×38 mm的酯型和醚型两种ECDP纤维，中国石化仪征化纤有限公司熔体直纺。

试剂：氢氧化钠，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；去离子水，自制。

1.2 仪器设备

振荡式常压染色机，HBC-24型，佛山顺德容桂市荟宝染整机械厂；电热恒温鼓风干燥箱，DHG-9146A型，上海精宏实验设备有限公司；PH计，PHS-3C型，上海雷磁仪器有限公司；电子分析天平，MS-204S型，瑞士METTLER TOLETO公司；短纤强伸仪，XQ-2型，上海新纤仪器有限公司；扫描电子显微镜，Nova NanoSEM 450型，FEI公司。

1.3 热处理和碱处理实验

1.3.1 热处理实验

热处理实验采用电热恒温鼓风干燥箱，对酯型和醚型两种ECDP纤维进行干热处理，将两种ECDP纤维在松弛状态下放入烘箱内，在指定的温度下处理一定时间，取出后放在温度为20 ℃湿度为65%的标准条件下平衡24 h后待用。通过改变干热处理温度(160～200 ℃)，探讨热处理温度和时间对酯型和醚型ECDP纤维力学性能的影响。

1.3.2 碱处理实验

碱处理实验采用振荡式常压染色机，按浴比1∶100 配制处理液，将处理液置于振荡水浴锅中加热到规定的温度，投入经准确称量的醚型ECDP纤维，恒温下处理一定时间，取出，用水冲洗，晾干，待用。通过改变碱液浓度(2.5～200 g/L)、碱处理温度(75～95 ℃)和碱处理时间(15～90 min)，探讨碱液浓度、处理温度、处理时间对醚型ECDP纤维力学性能的影响。

1.4 分析测试

1.4.1 表面形态表征

将分散的ECDP纤维样品平铺在固定的样品座上，放入208HR离子溅射仪进行喷镀处理，经处理后的试样用Nova NanoSEM 450型扫描电子显微镜观察纤维表面形态结构。

1.4.2 纤维力学性能表征

纤维力学性能测试采用纤维强伸度仪，参照标准GB/T 14337中“断裂强力和断裂伸长测定方法”，夹持长度为20 mm，拉伸速度为20 mm/min。

2 结果与讨论

2.1 热处理对ECDP短纤维力学性能的影响

本实验选取醚型和酯型两种ECDP纤维，分别在不同条件下进行热处理10 min，处理温度均高于常压可染阳离子纤维的玻璃化转变温度(60～70 ℃)，测定干热处理试样热处理前后的断裂强力和断裂伸长率、定伸长负荷和模量。热处理条件对醚型和酯型两种ECDP纤维的强度保持率、断裂伸长率、定伸长负荷以及模量的影响如图1～4所示。

图1 干热处理温度对醚型和酯型ECDP 纤维断裂强度的影响

由图1可以看出，当醚型ECDP纤维的热处理温度在170 ℃以内，酯型ECDP纤维的热处理温度低于190 ℃时，两者的强度保持率均高于100%，这可能是因为较低的热处理温度使得纤维内的一些相对不稳定的分子间作用力得到了舒解，并且重建成了较为稳定的分子间作用力，不仅调整了纤维间的微细结构，而且使纤维的总体取向度和结晶度提高，结晶区的大小和结晶度达到一个新的状态，使纤维结构均匀化。整体上来看，热处理时间不变，随处理温度的升高，醚型ECDP纤维强度有明显的下降趋势，但其强度保持率仍能在92%以上。酯型ECDP纤维强度下降不明显，且当处理温度达到200 ℃时，酯型ECDP纤维强度的保持率仍高于96%。这可能是由于纤维受热后，伴随着非晶区大分子链段的“解冻”以及纤维取向结构的变化，纤维内部不同结构区域发生热收缩，断裂强度下降。并且由以上结果可以看出，酯型ECDP纤维的耐热性要比醚型的好，并且ECDP纤维的热处理温度在180 ℃以下时，较为合适。

由图2可以看出，醚型和酯型ECDP纤维在不同温度下进行干热处理后，其断裂伸长率总体上呈现增大趋势(醚型ECDP断裂伸长率为30.43%，酯型为38.34%)，但在160～180 ℃范围内处理时间相同时，伸长率的变化较为复杂，这说明在该温度范围内，纤维的微观结构的变化较为复杂，这是纤维大分子链解取向和结晶同时作用的结果。当处理温度超过180 ℃时，其断裂伸长率陡然升高，此时，解取向占主要作用，在外力作用下，收缩的大分子链可能伸长，伸长率升高。由图3可知，热处理温度对纤维在10%定伸长率下的拉伸负荷影响也比较明显(醚型ECDP为2.19 cN，酯型为2.22 cN)，醚型和酯型ECDP纤维在160 ℃下处理10 min后，10%定伸长负荷基本降到2.0 cN以下，且随温度的升高而不断减小。这一指标是纤维与棉、黏胶等纤维混纺时相匹配的指标，纤维的定伸长负荷过低，混纺过程中强力低于棉等纤维，会导致纱线强力过低。因此，10%定伸长负荷不宜过低。从图4结果可看出，ECDP纤维经高温热处理后拉伸模量均变大(醚型模量为21.56 cN/dtex,酯型为23.64 cN/dtex)，在160 ℃ 热处理10 min后，纤维的模量均显著提高，而随着温度进一步升高，纤维的模量基本保持稳定，不再上升，表明纤维在经热处理后，大分子链结构发生了变化，纤维结晶度提高，致使纤维模量提高。纤维模量增大会导致其织物手感变硬，影响后道使用。综合图1～4来看，ECDP纤维在170～180 ℃温度下处理10 min，既能保证纤维具有较好的定型效果又具有优良的弹性，并且醚型ECDP纤维热处理温度需要略低于酯型。

图2 干热处理温度对醚型和酯型ECDP 纤维断裂伸长率的影响

图3 干热处理温度对醚型和酯型ECDP 纤维10%下定伸长负荷的影响

图4 干热处理温度对醚型和酯型 ECDP纤维模量的影响

2.2 碱处理对醚型ECDP纤维形态结构的影响

碱处理对聚酯纤维的降解是由表及里，处理条件达到一定程度，聚酯纤维表面便会产生破洞。碱液处理前后醚型ECDP纤维表面形态如图5所示。

碱处理过程中，碱液从纤维表面逐渐向纤维内部浸润，聚酯纤维表面结构较疏松的非晶区和结晶有缺陷区域的大分子首先被水解而溶蚀[9]。由聚酯纤维的碱减量理论可知，碱液对纤维形成的刻蚀、损伤随着碱浓度的提高及处理温度、时间的上升而逐渐加大[10]。由图5可知，未用碱液处理的醚型ECDP纤维表面光滑平整。在碱液浓度不变的情况下，在75 ℃下处理15 min后，纤维表面有轻微的刻蚀和龟裂；当在75 ℃下处理45 min后，纤维表面刻蚀严重，并出现凹坑和破洞现象；将处理温度提高到85 ℃，处理时间仍为45 min时，纤维表面出现严重破洞和凹槽，纤维严重受损。由此可知，在碱液浓度不变的情况下，随处理时间和处理温度的提高，醚型ECDP纤维损伤越严重，因此，需要严格控制碱处理的条件。

图5 碱处理对醚型阳离子可染短纤维形态结构的影响

2.3 碱处理对醚型ECDP短纤维力学性能的影响

ECDP纤维在后道的应用中大多是替代涤纶纤维与棉、黏胶等纤维进行混纺，由于ECDP纤维的强力比普通涤纶低，经过退浆、精练、丝光等工序处理后，纤维的强度会进一步降低，将会影响织物的使用性能，因此必须对ECDP纤维的耐碱性进行探究，从而制定适宜的碱处理条件，既要满足染整要求，又要保证ECDP纤维比较小的强度降。

本实验通过控制碱液浓度、碱处理时间和温度，探究碱处理条件对醚型ECDP纤维断裂强度和断裂伸长的影响，如图6和图7所示。

图6和图7分别列出了在碱液浓度(5 g/L)不变时，经过不同的碱处理温度和时间，醚型ECDP纤维断裂强度和断裂伸长率的变化情况。从图中可以看出，当碱处理时间较短在15 min时，温度对醚型ECDP纤维断裂强度的影响不是很大，当温度低于85 ℃时，醚型ECDP纤维断裂强度保持率可达到95%，当温度逐渐升高，断裂强度有所下降，但仍能保持在90%以上。随着碱处理时间的延长，在温度低于85 ℃时，醚型ECDP纤维断裂强度保持率随时间的延长而略有降低，说明在温度低于85 ℃时，处理时间对醚型ECDP纤维断裂强度的影响并不显著。当温度超过85 ℃，随着碱处理时间的延长，醚型ECDP纤维断裂强度保持率呈现出急剧下降的趋势，进一步地，当温度超过85 ℃，处理时间大于45 min 时，纤维断裂强度保持率不足80%，此时醚型ECDP纤维损伤严重。因此，醚型ECDP纤维碱处理温度最好能控制在85 ℃以下。由图7可知，醚型ECDP纤维经碱处理后，其断裂伸长率大幅下降(原样为28.26%)，并且随处理温度的升高和处理时间的延长而不断下降，当温度超过85 ℃时，断裂伸长率不再大幅下降，呈现逐渐稳定的趋势。

图6 碱处理温度和时间对醚型ECDP 纤维断裂强度的影响

图7 碱处理温度和时间对醚型ECDP 纤维断裂伸长率的影响

由上述分析可知，碱处理时温度应控制在85 ℃以内，为了进一步地研究醚型ECDP纤维在碱溶液中处理时，碱液浓度和处理时间对其力学性能的影响，图8～9展示了碱处理温度(85 ℃)不变时，醚型ECDP纤维经不同浓度的碱溶液处理不同时间后纤维强度和断裂伸长率的变化。

由图8可以看出，醚型ECDP纤维在碱溶液浓度较小时，即使处理较长时间，其强度保持率仍较高，可达到90%以上，其强度损失较小。而碱液浓度增大至10 g/L后，随处理时间的延长，纤维强度陡降，纤维损伤严重。由图9可知，醚型ECDP纤维的断裂伸长率整体上随碱液浓度和处理时间的增大而下降(原样为28.26%)。由此可见，碱液浓度对醚型ECDP纤维强度和断裂伸长率的影响较大，这可能是由于碱液会破坏纤维中的结晶部分，使得纤维的结晶度和取向度下降，随碱液浓度的增加，纤维强度和断裂伸长率明显下降。综上所述，在纤维以及织物的后整理过程中，考虑到醚型ECDP纤维的耐碱性，碱处理温度不宜超过85 ℃，碱浓度最好低于7.5 g/L，时间控制在45 min以内。

3 结 论

本文采用扫描电子显微镜、短纤强力仪对ECDP纤维进行测试和表征，讨论了热处理和碱处理工艺条件对ECDP纤维表面形态和力学性能的影响，通过实验得出了ECDP纤维合适的热处理和碱处理的工艺条件。

a) 随温度的升高，酯型和醚型ECDP纤维的断裂强度先增大后减小；其断裂伸长率随温度的升高而增大；温度在160～200 ℃时，纤维的10%定伸长负荷随温度升高而减小，且减小到2 cN以下；纤维模量经热处理后变大，但受温度影响不大。酯型和醚型ECDP纤维在170～180 ℃温度下处理10 min，既能保证纤维具有较好的定型效果又具有优良的弹性。

b) 酯型ECDP纤维比醚型ECDP纤维耐热性好。在进行干热处理时，醚型ECDP纤维的热处理温度要略低于酯型ECDP纤维。

c) 在碱液浓度不变的情况下，随处理时间和处理温度的提高，醚型ECDP纤维损伤逐渐严重，并且纤维表面伴随出现龟裂和刻蚀，以及凹坑和破洞。因此，需严格控制碱处理的条件。

d) 醚型ECDP纤维的耐碱性比普通聚酯纤维弱，碱处理温度不宜超过85 ℃，碱浓度最好低于7.5 g/L，时间控制在45 min以内。