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热定型对氨纶纤维结构性能的影响分析

发布时间：2023-06-08 点击：

定型机、涂层机、地毯机专业生成厂家无锡前洲兴华机械2023年6月8日讯 涤/氨织物需要在高温下热定型以改善布面平整性, 而高温必然对氨纶纤维结构和性能产生影响。对氨纶纤维进行 180 ℃ 热定型处理, 测试分析了纤维分子结构及力学性能。结果表明 , 氨纶纤维经 180 ℃ 热定型较短时间 , 其分子结构影响不大, 断裂强力有一定提高, 但耐疲劳性并没有改善。

作者：樊家良杨从登费长书汪涛张同华冉瑞龙

氨纶纤维具有优异的超弹性, 主要表现为低强高伸。故氨纶丝常与短纤维或者长丝混纺制成包芯纱或包覆丝，以利用其优异的弹性。由这些纱线制得的面料既具有良好的拉伸强度, 又具有大的弹性伸长,能获得良好的穿着体验。例如, 市面上的棉袜主要使用棉/氨纶包芯纱, 女士丝袜主要是锦纶/氨纶包覆丝的针织品, 还有许多运动型面料使用涤纶/氨纶复合丝。这些面料在生产过程中经常会遭受高温作用，如高温染色、热定型机定型处理等。热定型的机理是在高温条件下使聚合物分子结构重排, 消除内应力, 达到能量更低的稳定状态, 从而提升纤维及其织物的尺寸热稳定性。以涤纶/氨纶复合丝为例, 为了提高涤纶丝的尺寸稳定性以及改善布面平整度, 需要在180~200℃ 温度下进行热定型。然而, 氨纶纤维对热的耐受性较差, 在高温下处理一定时间会出现弹性性能恶化。

因此, 有必要对氨纶纤维的热定型进行研究, 为其产品工艺方案提供参考依据。

试验部分

1.1 试验材料

氨纶丝(线密度 3.85 tex ), 由华峰重庆氨纶有限公司提供。

1.2 热定型处理

取 2 m 长氨纶丝若干, 分别以原长(伸长率 0% )、伸长率 150% 缠绕在 50 mm×150 mm 的金属框架上。然后放入 180 ℃ 电热干燥箱内热定型机定型一定时间, 取出备用。

1.3 差示扫描量热(DSC)测试

将氨纶丝样品剪碎成粉末状,取5 mg左右粉末置于氧化铝世巳﹐采用Q20 DSC(美国TA)进行测试。温度区间25～350 ℃,升温速率10 ℃ / min,氮气流速25 ml/ min。

1.4 XRD测试
将氨纶丝样品剪碎成粉末状,采用X'Pert3 Pow-der(荷兰 PANalytical)对粉末的结晶度进行测试,扫描角度5°～55°,扫描速度2°/min。

1.5 红外光谱(FTIR)测试
采用TENSOR 27红外光谱仪(德国Bruker)进行测试,波束范围为500～ 4 000 cm-1,扫描次数为32次,分辨率为4 cm^―1。

1.6 力学性能测试

将氨纶丝伸直置于剪好的纸框中间 ( 内框长 50mm , 宽 10 mm ), 用双面胶固定好, 每组样品重复数为10 个。采用 AGS-X 万能材料试验机进行测试, 传感器量程 5N , 隔距 50mm , 加载(卸载) 速率500mm / min 。

结果与分析

2.1 氨纶纤维的热性质

聚氨酯大分子由软段和硬段组成, 软段是柔性链低聚物多元醇, 硬段是刚性的二异氰酸酯。聚氨酯分子的特殊结构使得其具有较复杂的热学性质。软段具有极低的玻璃化转变温度Tg( -40 ℃ 左右), 且熔融温度仅 20 ℃ 左右, 硬段的Tg一般在 40~100 ℃ 之间，故聚氨酯分子的耐热性较差。对于氨纶纤维而言, 其聚氨酯大分子会进一步发生交联, 以改善力学性能。同时, 氨纶纤维的热性质也得到改善。由未热定型氨纶纤维的 DSC 曲线(图 1 ) 可以看出 , 92 ℃ 吸热峰对应硬段的Tg温度, 202 ℃ 的弱吸收峰为硬段的熔融峰 , 273 ℃ 的强吸收峰对应硬段分解温度, 309 ℃则对应软段多元醇的分解温度。经热定型机定型处理后, 氨纶纤维硬段的分解温度比原来提高 5 ℃ , 而软段的分解温度下降了 3 ℃ 。可见，180 ℃ 热定型对聚氨酯硬段和软段的影响有所不同。分析认为, 热定型使聚氨酯分子结构重排, 硬段排列更加规整, 内部氢键作用更强, 而软段更加无规, 软硬段的热力学不相容性进一步提升, 改善微相分离程度。由此看出 , 180 ℃ 热定型较短时间并不会对氨纶纤维造成破坏。

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2.2 热定型对氨纶纤维结构的影响

氨纶纤维的红外光谱如图2所示。高波数区3 444.4和3337.7 cm―'的吸收峰分别为自由一NH和氢键作用的一NH 的伸缩振动峰，2 934.1 和2850.6 cm'分别为一CH2和一CH。的伸缩振动峰，1 591.5 cm-'附近为酰胺基上C=O和C一N的伸缩振动峰,1 092.4 cm-'处为C-o一C醚键的伸缩振动峰。

由图2可知,热定型1 min后(曲线b),自由一NH吸收峰明显增强,氢键作用的一NH的峰强相对减弱，说明部分软硬段间的氢键断裂,软硬段微相分离增大。而延长热定型时间至2 min(曲线c),自由一NH的峰强显著减弱,氢键作用一NH的峰强明显增大,说明自由一NH又开始形成新的更多的氢键,这会导致纤维刚性增大。

热定型后没有新的特征峰出现,表明氨纶纤维分子基团并没有变化,也说明180℃热定型处理较短时间对氨纶纤维分子结构影响不大。

180 ℃ 定型机热定型对氨纶纤维外观结构不会有影响,但对聚氨酯大分子的微观结构会有一定影响。由 DSC和 FTIR 分析已知, 180 ℃ 处理较短时间不会造成聚氨酯大分子断裂, 但分子热运动会加剧, 分子间作用力重构, 分子结构重排, 形成能量更低的稳定态。由 XRD测试结果(图 3 )可以看出 , 热定型处理前后氨纶纤维的曲线形态基本一致, 说明热定型处理并没有改变纤维的晶相结构。在 20° 处的宽峰表明氨纶纤维的结晶度低。氨纶纤维的结晶主要来自氨基甲酸酯硬段相, 软硬段相的交替结构也会使得部分硬段相 “溶”于软段相, 从而导致硬段相结晶结构减少。软段结晶取决于软段分子量, 一般分子量 2 000 以上的软段能形成一定结晶, 而聚氨酯分子间交联作用会阻碍软段结晶, 高交联密度的聚氨酯分子甚至不会形成软段结晶。因此, 氨纶纤维的结晶度比较低, 而 180 ℃ 热定型并不会导致纤维晶相结构改变, 但是会影响微相分离结构变化。

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2.3 热定型对氨纶纤维力学性能的影响

定型机热定型处理要避免对氨纶纤维产生损伤, 造成纤维强力和弹性性能下降。因此, 对氨纶丝热定型处理前后的拉伸力学性能进行测试(图 4 )。氨纶原丝的断裂强力为 45.6 cN 左右, 断裂伸长率达到 600% 以上(曲线 a )。将氨纶丝直接在 180 ℃ 加热定型 1 min 后,氨纶丝的断裂强力和伸长率都有一定提升, 特别是断裂伸长率增大到了 700% (曲线 b ), 说明纤维中聚氨酯分子的柔性增加。如果延长热定型时间至 2 min , 氨纶丝的断裂强度仍与原丝保持一致, 但断裂伸长有明显下降(曲线 c ), 说明纤维刚性增大。这可能由于氨纶纤维中水分丢失, 聚氨酯分子与水分子氢键断裂, 聚氨酯分子间形成更多氢键有关。氨纶纤维伸长 150% 后热定型不同时间都会造成力学性能严重下降, 表现为强度和断裂伸长较原丝均下降了 30% 以上(曲线 d 、 e )。在拉伸状态下, 聚氨酯分子趋于伸直排列, 分子间形成更多氢键并固定下来, 导致部分弹性损失, 因此氨纶纤维在相对低的伸长率( 400% ~500% ) 下发生断裂破坏。

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氨纶纤维在反复大变形条件下会出现弹性下降现象, 主要是发生了应力松弛。氨纶纤维在定伸长 300%下的循环拉伸曲线如图 5 所示。由图 5a 可以看出 , 氨纶原丝经 5 次拉伸变形后的强力损失随着形变增大而逐渐增加, 在伸长 200% (位移 100 mm ) 后趋于稳定。氨纶原丝 300% 强力由原来的 10.3 cN 下降到 8.5cN , 弹力损失 17.5% 。经 180 ℃ 热定型处理后, 氨纶纤维的 300% 强力下降明显(图 5b 、图 5c )。与氨纶原丝相比, 热定型 1 min 和 2 min 后, 300% 强力分别下降 33% 和 45% 。但是, 热定型氨纶的模量(初始斜率)明显增大了, 说明氨纶纤维的刚性增加, 聚氨酯分子形成了更多的分子间作用力。循环拉伸 5 次后, 热定型氨纶纤维的强力损失随变形增大更为显著, 说明热定型产生的结构并不稳定, 在多次大变形作用下, 这些结构会发生相对永久滑移。可见, 氨纶纤维的热定型对其耐疲劳性没有增益效果。但对涤/氨织物来说,定型机 热定型主要是改善涤纶纤维的尺寸稳定性和布面平整性, 只要热定型对氨纶纤维没有损伤, 氨纶纤维仍能发挥其良好的弹性功能, 那么热定型处理就是可行的。