亲水润湿改性聚酰胺纤维的制备及表征

摘要

摘要为提高锦纶纤维的吸湿性和透气性，以聚乙二醇(PEG)为成孔剂，采用熔融纺丝法制备了具有多孔结构的改性锦纶纤维。采用电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、x射线衍射(XRD)和水接触角分析了不同聚乙二醇含量对改性纤维结构和性能的影响。结果表明，改性纤维的孔隙率随聚乙二醇含量的增加而增大。气孔的形成对改性纤维的结晶形态有明显的影响。随孔隙率的增大，晶体逐渐减小，晶体逐渐增大。此外，对于从47.33% PEG含量得到的改性纤维，其吸水率从纯PA的3.78%提高到19.76%，接触角从116°降低到85°。此外，在纺丝过程中，由于PA与PEG之间的氢键相互作用，当孔隙率不大于4.23%时，改性纤维的断裂伸长率、断裂功和初始模量均有所提高。

1.介绍

聚酰胺（PA）是一种重要的高分子材料，以其重量轻、柔软、弹性高、耐磨性好、耐化学腐蚀、力学性能优异等优点，广泛应用于工业和民用领域，尤其是运动服装。如今，它已成为继聚酯之后服装行业最大的合成纤维。但由于其吸湿性和透气性差，穿着舒适性不好。为了解决这个问题，有很多修改的方法，比如混合修改[1- - - - - -3.]，共聚改性[4- - - - - -6]，表面改性[7- - - - - -9、异形截面修改[10个,11个]及后整理[德意志北方银行- - - - - -14个]。例如，Pappas等人[15个]通过添加新的反应性化学基团使PA表面功能化以提高其润湿性。苗等人。[16个]发现，对尼龙织物进行电离混合气体处理后，其吸油率和吸水率均显著降低，这与Samanta K K团队的研究结果一致[17岁]. 一般来说，每种方法都有优缺点。共聚改性工艺复杂，增加了生产难度和成本。表面改性，特别是等离子体处理，是一项复杂而难以工业化的技术。对于特殊截面的改造，喷丝头设备制造复杂，精度要求高。后整理的耐久性较差。与上述方法相比，共混改性是一种较为普遍和简单的方法，因此在化纤工业中通常用于制备改性纤维。此外，关于PA共混改性的文献也很多[18岁- - - - - -20个]。

近年来，随着超滤膜的进一步应用，通过添加合适的添加剂来进行相转化的方法越来越受到重视，以提高膜的性能，可以采用多种添加剂[21岁- - - - - -23个]. 聚乙二醇（PEG）是一种无毒、无刺激性、高溶于水的高分子添加剂，在溶液浇铸过程中常用于增强膜的孔连通性和渗透性。Yang等人。[24个]将PEG与聚苯乙烯嵌段聚丙烯酸共混，调节等孔膜的孔径和透气性。他们发现当膜透性达到最大值时，微相分离和大相分离之间存在平衡。一些研究者研究了不同分子量的PEG对膜形成和水渗透的影响[25个,26个]. 有鉴于此，采用非溶剂添加剂相转化法可以制备亲水性润湿PA纤维。

据我们所知，虽然这种通过添加一些添加剂来提高材料的孔连通性和透气性的相转化方法通常应用于膜的制备中，但是对于改善PA纤维的亲水润湿性和透气性的文献相对较少。探讨了以聚乙二醇（PEG）为成孔剂，通过熔融纺丝制备具有孔结构改性纤维的可行性。讨论了PEG用量对纤维孔隙率的影响，表征了孔隙率对改性纤维结构和性能的影响。

2.实验

2.1条。材料

锦纶6 (PA6，技术等级)购自昆山鸿越塑料有限公司(中国苏州)。聚乙二醇2000(分析级)和溴化钾(光谱级)由天津科米欧化学试剂有限公司提供。甘油(分析级)购自天津丰川化学试剂技术有限公司。

2.2。改性纤维的制备

采用熔融纺丝共混法获得改性纤维。原理图如图所示1主要包括以下步骤。

混合物制备：首先将PEG 2000在90℃水浴中熔融，然后加入粒状PA并用机械搅拌器搅拌5小时，为了研究孔隙率对改性纤维结构和性能的影响，制备了一系列PEG含量为0%、8.85%、18.79%、28.25%、38.66%的PA/PEG共混物分别为47.33%。

混合纤维制备:采用单螺杆纺丝机在235°C - 285°C熔体纺成纤维，卷绕速度为1m /min。

改性纤维制备:将经PA和PEG熔融纺成的纤维在室温下浸入蒸馏水中，除去在水中溶化度较高的PEG。同时，为保证PEG的完全去除，定期(30 min)将样品取出，烘干后称重。连续称量5次后，当质量不再变化时，得到改性纤维。此外，改性纤维的孔隙率与制备改性纤维时的聚乙二醇含量有关。一般来说，纤维中PEG含量高，孔隙率大。

3.特征

3.1。扫描电子显微镜

用扫描电子显微镜（SEM，SIGMA500，Carl-Zeiss-Jena，德国）观察了改性纤维的表面和截面形貌。在扫描电镜观察之前，用薄金溅射试样以避免电子充电效应。

3.2条。红外光谱分析

用KBr圆盘法用红外光谱仪（TENSOR37，Bruker Optics，德国）对改性纤维的化学结构进行了表征。在400–4000 cm的波数区域收集光谱⁻¹光谱分辨率为4 cm⁻¹。

3.3。x射线分析

用日本Rigaku公司的Ultima-Iv型X射线衍射仪，用CuKα射线对改性纤维的晶体结构进行了分析。将纤维样品切成小块，测试前将1.5 cm × 1.5 cm薄片压入。采用扫描速率为10°/min的阶跃扫描法测定纤维的晶体结构变化。

3.4。孔隙度计算

称取一定量的改性纤维( )然后浸入甘油中1 h以充分吸收。之后，从甘油中提取，用吸油板将表面干燥。最后，它的质量被重新衡量( ).孔隙率(P)根据以下公式计算。 哪里和改性前后纤维的质量均为甘油吸收。这个（1.293×10）⁻³克/厘米^3.),(1.2617克/厘米^3.),（1.14克/厘米^3.)分别为空气密度、甘油密度和PA密度。

3.5。水吸收

吸水率的计算与孔隙率的计算非常相似，只是用水代替了甘油。首先，对去除PEG后改性纤维的质量进行称重( ).然后将它们浸入水中充分吸收，并在纤维表面的水被去除后再次称重( ).吸水率( )由以下公式计算。

3.6条。润湿性

采用悬浮液滴法，用接触角计（OCA2，Dataphysics instruments gmbh，德国）测量了改性纤维的润湿性，水的注入量为0.5μ在测试前，纤维应在一个平面上紧密排列，水接触角是水滴达到平衡的角度。

3.7条。物理性质

用东华大学（上海）研制的XD-1型纤维细度仪测定了改性纤维的细度。采用20 mm标距，对每个样品进行20次试验，以估计平均细度。用LILY-06ED纤维拉伸试验机测定了改性纤维的力学性能。标距为20 mm，拉伸速度为20 mm/min。每个样品至少进行20次试验以估计平均值。

四。结果和讨论

4.1条。纤维孔隙率

改性纤维的孔隙率与PEG含量有关，由式(1). 数字2绘制了不同PEG含量改性纤维的孔隙率。结果表明，随着PEG含量的增加，改性纤维的孔隙率显著增加，但其孔隙率远小于PEG的共混比。两个可能的原因是：一是由于纺丝过程中PEG与PA的相互作用，在浸没过程中PEG没有完全去除。另一个是由于PEG的低熔点，在纺丝过程中的质量损失。

4.2条。纤维的表面和横截面形貌

改性纤维的表面和横截面受去聚乙二醇引起的气孔的影响。数字3.结果表明，改性纤维的表面和横截面SEM图像为孔隙率为11.81%的纯PA纤维，表面和横截面光滑致密。改性后的纤维表面和横截面均呈现出许多不规则的孔洞，这是由于其浸泡在水中后脱PEG的结果。

4.3条。纤维的化学结构

红外光谱对材料的化学结构非常敏感。数字4介绍了不同孔隙率的PA纤维的红外光谱。结果表明，在3430cm、2920cm、2850cm和1640cm处有明显的峰⁻¹对于所有的纤维，这是PA6的特征吸收峰[27个]。强吸收峰集中在3430cm⁻¹是由于酰胺的N-H伸缩振动引起的。吸收峰位于2920 cm处⁻¹2850 厘米⁻¹分别与亚甲基的反对称拉伸模式和对称拉伸模式有关。1640 cm处的强吸收峰⁻¹与酰胺I和水的弯曲振动有关[28个]。除气孔率为17.72%的改性纤维外，这些吸收峰的强度随孔隙率的增加而逐渐降低。此外，吸收峰的强度位于1540cm⁻¹1065 厘米⁻¹随着孔隙率的增加，由酰胺II和C-N拉伸振动引起的孔隙率逐渐降低直至消失。此外，由亚甲基C-H弯曲振动和C-O-C对称拉伸振动引起的PEG的特征吸收峰出现在1380 cm处⁻¹和1110厘米⁻¹改性纤维[29个,30个]。FTIR谱的变化表明纺丝过程中PA与PEG发生了一些反应，导致少量PEG的不完全去除[31个]. 当PEG含量达到47.33%时，改性纤维中有较多的孔，这些孔容易吸收空气中的水分，使3430 cm处的吸收峰强度增强⁻¹1640 厘米⁻¹。

4.4。纤维晶体结构

PA是一种具有多种结晶形式的高结晶聚合物。气孔和少量聚乙二醇的存在影响了改性纤维的结晶结构。纯PA纤维的XRD拟合图如图所示5. 纯PA纤维有三个结晶峰，分别位于20.9°和23.11°处（峰1和峰4如图所示5和21.35°的伽马结晶峰(图中峰值2)5)，以及一个无定形峰(图中第3峰)5)，分别[32个,33个]. 如图所示6结果表明，改性纤维的XRD图谱发生了明显的变化，由于气孔的形成，三个结晶峰明显分离。此外,α结晶峰的强度为20.9°逐渐减少和强度位于23.11°的增加孔隙度增加,然而,γ结晶峰首先增加然后减少,这表明,毛孔明显改变了晶体的存在形式和晶面结构的纤维。此外，虽然纯聚乙二醇也是一种高结晶材料，但在XRD图谱中不存在特征的衍射峰。这表明聚乙二醇在改性纤维中没有形成独立的结晶相。原因是相对少量的PEG不能结晶，而PEG与PA之间的反应导致了游离PEG分子的缺失。

4.5。纤维的亲水润湿性

多孔结构影响纤维的亲水润湿性，主要表现为吸水率和接触角。不同孔隙率改性纤维的吸水率和接触角如图所示7和8。随着孔隙率的增大，吸水率不断增大，接触角逐渐减小。此外，当孔隙率达到14.65%时，改性纤维已由疏水性变为亲水性。原因是孔隙结构引起的改性纤维表面粗糙，有利于提高纤维的亲水润湿性。

4.6条。纤维的物理力学性能

表中列出了不同孔隙率的改性纤维的物理力学性能1。改性纤维的细度和拉伸强度随孔隙率的增加而逐渐降低;断裂伸长率、断裂功和初始模量呈现先增大后减小的趋势。增加的主要原因是少量的聚乙二醇在纤维中起到增塑增韧作用。此外，当孔隙率超过4.23%时，改性纤维的性能开始恶化，因为纤维中孔隙的增加导致了分子链在拉伸过程中发生滑移和断裂。

5个。结论

研究了不同聚乙二醇含量引起的孔隙率对聚丙烯酸改性纤维性能的影响。结果表明，多孔结构对改性纤维的性能有明显的影响。由于气孔的存在，改性纤维的表面形貌、截面形貌和晶体形态发生了明显的变化。改性PA纤维的亲水润湿性随孔隙率的增大而增大。当孔隙率足够大时，改性纤维可以完全转化为亲水纤维。随着孔隙率的增加，改性纤维的细度和抗拉强度逐渐降低，而断裂伸长率、断裂功和初始模量则因少量PEG残留和气孔而呈现先增大后减小的趋势。当孔隙率不大于4.23%时，可以得到具有优良力学性能和亲水润湿性的改性纤维。

数据可用性

如有合理要求，可向相应作者索取数据。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

该工作获得国家重点研发项目(批准号:2017YFB0309100, 2017)、河南省纺织服装协同创新中心、河南省功能性纺织材料重点实验室的支持。

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