淼卡纖維的性能測試和吸濕放濕過程研究

薛建昌（石家莊常山恒新紡織有限公司）王倩蓉 張瑞寅 薛文良（東華大學）

[編輯:Cyx]  [發布時間:2015-11-27 13:11:57]  []

　　摘要：介紹了高吸濕纖維的國內外研究現狀及高吸濕纖維的分類方法；以上海正家纖維公司出產的淼卡纖維為試樣，測定了在溫度為22℃、相對濕度為64%的條件下，該纖維的部分物理性質，包括平均回潮率為31.96%，平均細度為2.19dtex，纖維的平均拉伸強力為3.36cN；測試了淼卡纖維在標準大氣條件下的吸放濕性能，給出了纖維在標準大氣條件下的吸放濕曲線，并對實驗結果進行分析，得出結論：淼卡纖維具有很強的吸濕能力，屬于快吸慢放型纖維，且纖維存在較大的吸濕滯后性，得到纖維的吸濕滯后值為18.98%。
　　關鍵詞：高吸濕纖維；吸濕；放濕
　　近年來，隨著人們生活水平的提高，對于服裝或服裝面料舒適性的要求越來越高，而服裝穿著的舒適性與材料的吸放濕特性密切相關。因此，國內外對于吸水、吸汗纖維的研究與開發愈來愈重視，該類纖維的生產規模迅速的擴大。
　　目前，高吸水纖維的主要生產國有加拿大、美國、日本等，其中屬日本在這方面的研究經驗及產品開發最為豐富。加拿大阿爾伯達省卡爾加利市的Camelot Super absorbents有限公司在1994年便開始高吸水纖維Fibirdri和Fiberborb的中試生產；美國Arco化學技術公司、Bix Fiberfilm公司和Asahi化學公司在高吸濕纖維的生產研究領域也占有很大分量。而日本在這方面的研究相當廣泛：比如鐘紡是日本最大的高吸水纖維生產廠家，2002年高吸水纖維產量達到3500噸/年，其產品是聚丙烯酸鹽高吸水纖維及高吸水無紡布；日本東麗公司在尼龍6中混入特殊的高吸濕性聚合物而制得的均勻相溶的聚合物混合體Quup，Quup既保持了尼龍原來的特性，又能使吸濕性提高2倍。

　　1 高吸濕纖維的分類
　　1.1原料分類
　　(1)纖維素類：通過對纖維素進行化學改性，將強親水性的羧基引入纖維素的大分子鏈，進行羧甲基化。
　　(2)聚羧酸類：以聚羧酸和羧酸的共聚物為主要原料，添加其它可紡性較好的聚合物紡絲制備高吸水纖維。所制備的高吸水纖維可熱交聯，也可加入適量的多元醇交聯，常用的不飽和羧酸單體主要有丙烯酸、甲基丙烯酸、丁烯酸等。
　　(3)聚丙烯腈類：通過對腈綸纖維的外層進行選擇性親水改性，改性后的外層和未發生變化的內層共同構成皮芯結構高吸水纖維。
　　(4)改性聚乙烯醇類：聚乙烯醇是一種有大量親水基團的聚合物，它具有水溶性，能吸收大量的水分，如果向聚乙烯醇分子內引入羧基后，效果更顯著。
　　1.2加工方法分類
　　(1)與親水性單體共聚，使成纖聚合物具有親水性
　　先進行聚合物交聯制得可紡性高吸水性樹脂，然后再紡絲成形制成纖維。聚合物交聯法受到聚合物水溶液粘度及其分子量的限制。若控制聚合物溶液的濃度和粘度在較低值時，所得纖維的吸水倍率也較低，但仍比單體聚合法有利。
　　(2)采用親水性單體進行接枝共聚
　　可紡性高吸水性樹脂采用吸水性單體與非親水性(或親水性小)物質共聚的方法制取。共聚使用的單體主要是含氰基、酰胺基、酯基、羧酸基、硫酸鈉基等乙烯基的不飽和單體，如丙烯腈、丙烯酰胺、丙烯酸鈉、甲基丙烯酸甲酯、亞甲基雙丙烯酰胺、對苯乙烯左側酸鈉等。聚合采用乳液聚合(或反向乳液聚合)、懸浮聚合(或反懸浮聚合)，有時亦采用溶液聚合。紡絲方法可分為溶液紡絲與熔融紡絲。日本早乙女和雄等將棉花/聚酯(50/50)混紡棉浸漬丙烯酸單體水溶液后，在特定溫度、氨氣/水蒸氣混合氣流作用下，用電子射線照射引發聚合，得到蓬松纖維，能與纖維素共混制成吸水材料。這樣生產出的吸水纖維吸水倍率約200g/g。
　　(3)用親水性物質對纖維表面進行處理
　　如纖維同吸水樹脂復合法，該復合法是指通過纖維表面與吸水樹脂進行化學反應制造吸水纖維及纖維改性制成吸水纖維的方法。此類方法生產的高吸水纖維強度和完整性均較好，且吸水速度快，是一類較好的方法。羧甲基纖維素通過交聯引入高吸水聚合物的方法早就有，聚丙烯腈纖維30%的表面官能團經加水分解后與丙烯酸類吸水樹脂交聯制成高吸水纖維。這種纖維材料通常能夠制成無紡布，但后加工成紡織制品還存在一定的困難。
　　(4)改變纖維的形態
　　例如超細纖維采用桔瓣技術使纖維表面積增大，織物中孔隙增多，借助毛細管芯吸效應增強吸水效果。另外常用的方法是對纖維的截面進行中空化或異形化處理。

　　2 吸濕放濕過程的研究
　　本文研究的淼卡纖維為丙烯酸-聚丙烯腈合成纖維，它外觀呈粉紅色，手感柔軟潤滑，富有光澤，具有良好的吸濕放濕性能。
　　2.1實驗部分
　　實驗原料包括主要原料包括纖維試樣，蒸餾水；儀器主要有FA1004型電子天平，LLY-O6GE電子單纖維強力儀，DHG-9240A型電熱恒溫鼓風干燥箱，Y802A型八籃恒溫烘箱，HM10型溫濕度表。
　?。?）纖維細度的測定
　　本實驗依據國家標準《化學纖維、短纖維線密度試驗方法》GB/T14335—2008。從已調濕的試樣中隨機抽取10g左右作為細度測定樣品，這些樣品通過束纖維中段稱量法來測得纖維的細度值。首先從樣品中取一定根數的纖維束，手扯整理幾次，使之成為一端平齊、伸直且不延伸的纖維束。在能消除卷曲所需要的最小張力下，將試樣束放在與切斷器的刀口垂直的地方，用切斷器從試樣束的中部切下20mm的試樣束中段，其中不得有游離纖維。用鑷子夾取一小束中段試樣放在扭力天平上稱重（精確至0.01mg），隨后將已測重量的中段試樣逐根計數。最后測得試樣的平均細度為2.19dtex。
　　（2）纖維強力的測定
　　本實驗依據國家標準《化學纖維、短纖維拉伸性能試驗方法》GB/T14337-2008。從已達平衡的試樣中隨機取出約500根的纖維，均勻鋪放于絨板上以備測定。用鑷子從待測試樣中隨機抽取一根，用0.2CN的張力夾夾持纖維的一端，將纖維置于儀器的夾持器中，保證纖維沿軸向伸長，然后進行拉伸實驗，得出試樣斷裂時的負荷及伸長值。實驗次數為50次，試樣預加張力為0.2cN，夾持距離為10mm，拉伸速度為20mm/min。由實驗得出，纖維的平均拉伸強力為3.36cN，平均的斷裂伸長為48.37%，屬于低強高伸纖維，完全能保證紡紗加工和織物堅牢性的要求。
　?。?）纖維回潮率的測定
　　本實驗依據國家標準《化學纖維-回潮率試驗方法》GB/T6503-2008。稱取10個試樣，每個試樣50g左右，精確至0.01g，記錄為烘前質量。開啟烘箱電源開關和分源升溫開關，并將烘箱的溫度調至110±2℃后，關閉分源升溫開關；將已裝試樣的稱量盒放入烘箱，待烘箱溫度升至規定溫度時開始計時，烘2個小時之后，打開箱門，迅速蓋上稱量盒蓋放入干燥器冷卻；待試樣冷卻至室溫時，開始稱量烘干后質量，稱量之前瞬時打開盒蓋再蓋上，保證盒內氣壓與大氣壓一致。應注意試樣在運送途中不能受潮；最終纖維的回潮率取十個試樣的平均回潮值。
　　試樣的回潮率按式(1)計算：
　　Ri=(mi₀-mi₁)/mi₁(1)
　　式中：
　　Ri—第i個試樣的回潮率，%；
　　mi₀—第i個試樣的烘干前質量，g；
　　mi₁—第i個試樣的烘干后質量，g；
　　試樣的平均回潮率按式(2)計算：
　　R=ΣRi/n（2）
　　R—平均回潮率，%；
　　n—試樣個數。
　　最后測得試樣的平均回潮率為31.96%。由此可見由于丙烯酸基團的作用，在標準狀態下該合成纖維比普通的腈綸纖維吸濕性提高了很多，同時也遠遠超過棉、羊毛等天然纖維。
　?。?）纖維吸濕過程質量測定
　　取出已調濕好的約1g纖維試樣在105℃烘箱內烘燥1h，烘至試樣的質量不變時，稱取試樣的初始重量。然后將試樣放置在玻璃皿中，盡量保持蓬松狀態下進入吸濕過程，每隔一段時間記錄1次試樣重量，當前后兩次稱重之差與后一次重量之比小于0.05%時，視為纖維在標準狀態下達到吸濕平衡。實驗采用10組纖維試樣，每組試樣纖維質量約為1g。
　?。?）纖維放濕過程質量測定
　　將已調濕好的纖維試樣浸于蒸餾水中30min后取出，在普通脫水機上脫水10min，然后將纖維試樣放到密閉容器中進行測量，測得的重量為試樣的初始重量。然后將纖維放在標準溫濕度下進行放濕，每隔一段時間稱重一次，當前后兩次稱重之差與后一次重量之比小于0.05%時，視為已達到放濕平衡。實驗采用10組纖維試樣，每組試樣纖維質量約為1g。

　　3 實驗數據分析及結果討論

　　
　　
　　從吸濕曲線中可以看出纖維在吸濕過程中的質量變化趨勢，從開始至6h的初始階段內，纖維的吸濕速率比較快，在6h后纖維的含水率迅速達到25%左右，之后纖維的吸濕速率明顯下降，曲線的斜率趨于平緩，同時纖維的含水率逐漸接近飽和量；從放濕曲線中可以看出，在纖維放濕的初始階段，即第一個24h之內，纖維的放濕速率較快，在24h之后，放濕速率明顯減小，曲線也趨于平緩，纖維逐漸達到放濕平衡。最后從實驗得到的數據中可以看出，在相同實驗條件下，即溫度22℃、相對濕度為64%，放濕的回潮率—時間曲線和吸濕的回潮率—時間曲線最后并不重疊，存在差值，即吸濕平衡回潮率小于放濕平衡回潮率，這種現象，即為纖維的吸濕滯后性或吸濕保守性。
　　纖維的回潮率因吸濕滯后性造成的差值稱為吸濕滯后值，它取決于纖維的吸濕能力及大氣的相對濕度。在同一相對濕度下，吸濕能力大的纖維，吸濕滯后值也大。同一種纖維，相對濕度較小或較大時，吸濕滯后值都小，而在中等相對濕度時，吸濕滯后值則較大。在標準大氣條件下，吸濕滯后值：蠶絲為1.2%，羊毛為2.0%，粘膠為1.8～2.0%，棉為0.9%，錦綸為0.25%，而滌綸等吸濕性差的合成纖維，吸濕滯后值基本為0。從實驗數據中可知：試樣的吸濕滯后值約為18.98%，比粘膠、羊毛等常用纖維的吸濕滯后值都要高出許多，也從側面表現了纖維試樣有很強的吸濕能力。
　　造成纖維吸濕滯后性的主要成因：本纖維試樣屬于高吸濕纖維，在浸濕纖維時，由于水分子進入纖維內部，使纖維大幅溶脹，大分子間少數連接點被迫拆開，纖維內無定形區的分子鏈間的距離增加，同時也加大了纖維的無定形區，使纖維有更大的空間儲存游離的水分子。放濕時，水分子離開纖維，由于大分子上已有較多的極性基團與水分子相吸引，阻止水分子離去，因而試樣的放濕速率非常緩慢；另外水分子離開纖維后，無定形區纖維分子間需要重新形成交聯點，但纖維分子間的距離不能完全回復到未吸濕前的情況，仍保持了較大的距離，因此纖維中保留著一部分水分子，有較高的平衡回潮率。因此同一纖維在同樣的溫濕度條件下，從放濕達到平衡比從吸濕達到平衡具有較高的回潮率。

　　4 結論
　?。?）在溫度為22℃、相對濕度為64%條件下，該纖維的平均回潮率為31.96%，平均細度為2.19dtex，纖維的平均拉伸強力為3.36cN。
　?。?）纖維的吸濕規律：實驗前統一稱好的1g左右的纖維試樣在烘干后，其質量會有所不同，但區別不是很大，質量差異一般在0.15g之內；將纖維放入恒溫恒濕實驗室中吸濕后，其吸濕曲線的走向基本一致，說明該曲線代表這種纖維在吸濕過程中的基本變化規律，即如上所述，在前6小時之內的初級階段迅速吸濕，之后速率減緩，趨于平衡。
　?。?）纖維的放濕規律：將實驗前統一稱好的1g左右的纖維試樣浸濕并脫水后，各個試樣間的質量差異比較大，造成該結果的原因可能在于試樣的在脫水過程中受力不均勻。從五組數據所得的曲線來看，各試樣放濕速率的變化基本一致，即在前30小時的初級階段內，纖維的放濕速率較快，在30小時之后放濕速率迅速放緩并趨于平衡。
　　試樣屬于快吸慢放型纖維。纖維分別達到吸濕平衡及放濕平衡時的回潮率值差18.98%，說明纖維存在吸濕滯后性，也從側面表現了纖維試樣超強的吸濕能力。