堿減量率對滌綸工業絲表面及拉伸性能的影響

普丹丹 葉云芳

摘要： 文章采用4種堿處理方案制得4種不同堿減量率的滌綸工業絲，探討了堿減量率對滌綸工業絲表面形貌、水潤濕性能及機械性能的影響。結果表明，未經堿處理的滌綸工業絲表面光滑，經過堿處理的滌綸工業絲表面形態粗糙。5種試樣中，堿減量率為22.60%的滌綸工業絲的浸潤性能最好，堿減量率為23.95%與13.82%的滌綸工業絲的浸潤性能次之，未經堿處理的滌綸工業絲浸潤性能最差。堿減量率為13.82%時，滌綸工業絲的拉伸性能受到的損傷可忽略，隨著堿減量率的增加，其拉伸性能的損傷越大;堿減量率為33.77%時，其拉伸斷裂強度和伸長率相較于堿處理前分別降低了21.13%和19.17%。

關鍵詞： 滌綸工業絲;堿減量;表面性能;潤濕性能;拉伸性能

中圖分類號： TS102.522

文獻標志碼： A

文章編號： 1001-7003（2020）11-0008-05

引用頁碼： 111102

Abstract： Four polyester industrial filaments with different alkali deweighting rates were prepared by four alkali treatment schemes. The effects of alkali deweighting rates on the surface morphology， water wettability and mechanical properties of polyester industrial filaments were discussed. The results showed that the surface morphology of polyester industrial filaments without alkali treatment was smooth， while the surface morphology of polyester industrial filaments after alkali treatment was rough. The polyester industrial filaments with alkali deweighting rate of 22.60% had the best wetting performance among the five samples， followed by the polyester industrial filaments with the alkali deweighting rates of 23.95% and 13.82% respectively， and the polyester industrial filaments without alkali treatment had the worst wetting performance. When the rate of alkali deweighting was 13.82%， the damage to tensile properties of polyester industrial filaments could be ignored. With the increase of alkali deweighting rate， the damage of their tensile properties was greater. When the rate of alkali deweighting was 33.77%， the tensile breaking strength and elongation were 21.13% and 19.17% lower than those before alkali treatment.

Key words： polyester industrial filaments; alkali deweighting; surface properties; wettability; tensile properties

滌綸工業絲不僅具有普通滌綸良好的化學穩定性，還具有高強度、高模量、低延伸、耐沖擊、耐疲勞等優良的物理機械性能[1]。近30年來，滌綸工業長絲以其優良的物理機械性能已被廣泛應用于汽車工業、建筑工程、包裝材料、休閑運動、防護設施等領域[2-3]。但是由于滌綸工業絲結晶度高，分子間作用力大，表面形態光滑致密，缺少極性基團[4]，故呈現很強的化學惰性，限制了其復合材料產品的應用。故對滌綸工業絲進行適當的表面改性，改變表面形態，提高表面能，是改善滌綸工業絲復合材料產品性能的技術關鍵。

為此，眾多科研工作者采用對滌綸進行表面改性處理來改善其表面性能的不足。為了改變滌綸表面的形態及性質，研究人員探索的方法主要有：堿處理[5-6]、等離子體處理[7-9]、生物酶處理[10-11]、接枝改性處理[12]等。然而，大多數方法在實際應用中都有一定的局限性。比如堿處理在處理工藝不合理的情況下，就會在一定程度上損傷滌綸的本體性能。本文在前人研究的基礎上，優化堿處理工藝，通過分析堿減量率對滌綸工業絲表面及拉伸性能的影響，尋求在盡量不損傷滌綸本體性能的基礎上，改善滌綸表面形態的堿處理工藝，以期為實際應用提供參考。

1?實?驗

1.1?材?料

滌綸工業絲（浙江古纖道新材料有限公司）規格為55.6 tex/96f（500 D/96f），氫氧化鈉（分析純，杭州高晶精細化工有限公司），陽離子型抗靜電劑SN（工業級，江蘇省安海石油化工廠）主要成分為十八烷基二甲基羥乙基季銨硝酸鹽，表面活性劑1227（工業級，杭州科峰化工有限公司）主要成分為十二烷基二甲基芐基氯化銨。

1.2?儀?器

AL204分析天平（梅特勒托利多儀器（上海）有限公司），DHG-9146A鼓風干燥箱（上海精宏實驗設備有限公司），CH1015超級恒溫槽（上海衡平儀器儀表廠），ALTRA55場發射掃描電子顯微鏡（德國Carl Zeiss公司），DCAT11接觸角分析儀（德國Dataphysics公司），KES-G1多功能拉伸儀（日本Kato-Tech公司）。

1.3?方?法

1.3.1?堿處理工藝

首先，將滌綸工業絲進行預處理，繞成“8”字型，置于NaOH質量濃度3 g/L、抗靜電劑SN質量濃度2 g/L的混合溶液中，浴比1︰100，在50 ℃條件下超聲清洗30 min，然后用去離子水多次沖洗，干燥后命名為PF-0。

然后，將PF-0進行堿減量處理，處理方案如表1所示。處理工藝為：溫度90 ℃，浴比1︰100，時間50 min，經過熱水、冷水反復洗滌，直至pH值小于8。最后，將工業絲取出放入烘箱65 ℃下干燥3 h。

滌綸工業絲的分子結構是聚對苯二甲酸乙二醇酯，其在堿性條件的作用下容易發生水解，使得其表面產生刻蝕。本文考察了加工液中堿劑及乳化劑質量濃度對滌綸工業絲刻蝕程度的影響，并以堿減量率定量評價，堿減量率由下式計算得到。

式中：P為堿減量率，%;m0為滌綸工業絲堿處理前在標準狀態下平衡6 h后的質量，g;m1為滌綸工業絲堿處理后，經烘干后在標準狀態下平衡6 h后的質量，g。

1.3.2?表征方法

1） 表面形貌。采用德國FE-SEM觀察不同減減量率的滌綸工業絲的表面形貌，加速電壓3 kV。測試前，取少量滌綸工業絲剪成5 mm長的小段兒，用導電膠固定于鋁臺上，對樣品進行鍍金，鍍金工藝參數為10 mA、50 s。

2） 動態接觸角的測試。根據Wilhelmy天平法，采用DCAT11接觸角分析儀對滌綸工業絲的動態接觸角進行測試。Wilhelmy天平法對試樣的要求較高，制樣之前將待測的滌綸工業絲試樣置于60 ℃的烘燥箱中2 h，以除去表面的水分，從而減小實驗誤差，然后按照動態接觸角測試的制樣示意圖制備試樣（圖1）。測試時，工業絲插入液體中的速率設定為0008 mm/s，工業絲插入液體的深度設定為5 mm，每秒測量5個數據點。每組樣品至少測試5次，取平均值。

3） 單絲拉伸性能測試。參照ISO 11566—1996《纖維單絲拉伸強度測試標準》，利用KES-G1多功能拉伸儀對滌綸工業絲單絲的拉伸性能進行測試，每組樣品的有效樣本容量為30個。試樣在進行測試之前，需要在溫度22 ℃、相對濕度65%的環境下平衡4 h以上。測試在相同的環境下于等速拉伸模式下進行，設定拉伸速率為2 mm/min。為了驗證兩組試樣的測試結果是否具有顯著性差異，在α=0.05水平下對實驗數據進行T檢驗。

2?結果與分析

2.1?堿減量率

經4種不同堿處理方案處理后，滌綸工業絲的堿減量率如表2所示。

從表2數據可以看出，4種不同堿處理工藝處理的滌綸工業絲，其堿減量率有明顯的變化。當氫氧化鈉的質量濃度為10 g/L時，表面活性劑1227的質量濃度由1 g/L增大至2 g/L，堿減量率由13.82%增加至22.60%;當表面活性劑1227的質量濃度為1 g/L時，氫氧化鈉的質量濃度由10 g/L增大至15 g/L時，堿減量率由13.82%增加至23.95%;當氫氧化鈉的質量濃度為15 g/L，表面活性劑1227的質量濃度為2 g/L時，堿減量率高達33.77%。

2.2?堿減量率對滌綸工業絲表面形貌的影響

以FE-SEM考察了堿減量率分別為0、13.82%、22.60%、23.95%和33.77%5種滌綸工業絲試樣的表面形貌，結果如圖2所示。

僅經去油處理的工業絲堿減量率為0，其SEM照如圖2（a）所示，工業絲表面平整光滑，呈圓柱狀。當堿減量率為13.82%時，工業絲的表面形貌如圖2（b）所示，受到堿處理對滌綸刻蝕作用，工業絲表面變得粗糙，密布著點式凹坑和小溝痕。圖2（c）（d）分別為22.60%和23.95%堿減量率的工業絲SEM照，雖然兩者的堿減量率接近，但是通過對比高倍率下SEM照，不難發現堿減量率為22.60%的滌綸工業絲表面凹坑較深，堿減量率為23.95%的滌綸工業絲表面凹坑較大，表明這兩種條件下堿處理對滌綸工業絲損傷較大。產生這種現象的主要原因與這兩種情況下堿處理的工藝條件有關。堿減量率為22.60%的滌綸工業絲表面凹坑較深，說明該堿處理工藝中表面活性劑的濃度偏高，表面活性劑的滲透作用使得滌綸工業絲的水解向滌綸工業絲的內部進行。堿減量率為23.95%的滌綸工業絲表面凹坑面積較大，說明該堿處理工藝中氫氧化鈉的濃度偏高，造成水解速率過快，產生了較大面積的凹坑。堿減量率為33.77%的滌綸工業絲的SEM照如圖2（e）所示，可以明顯看出滌綸工業絲表面有清晰的片狀，表明滌綸絲在堿處理的過程中出現了“剝皮現象”。這主要是由于隨著堿處理過程中氫氧化鈉與表面活性劑濃度的進一步增大，使得滌綸工業絲的水解作用進一步加劇，從而產生大面積的脫落。

2.3?堿減量率對滌綸工業絲浸潤性能的影響

動態接觸角是表征固體浸潤性能的指標[13]，動態接觸角越小，表明固體與液體之間的浸潤性能越好。堿減量率對滌綸工業絲與水的動態接觸角的影響如圖3所示。

由圖3可以看出，5種滌綸工業絲試樣中，堿減量率為22.60%的滌綸工業絲與水的動態接觸角最小，為47.68°，表明堿減量率為22.60%的滌綸工業絲與水的浸潤性能最好;堿減量率為23.95%與13.82%的滌綸工業絲與水的動態接觸角略有增大，分別為55.43°和59.29°;堿減量率為33.77%的滌綸工業絲與水的動態接觸角進一步增大，為72.38°;堿減量率為0（未經堿處理）的滌綸工業絲與水的動態接觸角最大，為78.89°，表明未經堿處理的滌綸工業絲與水的浸潤性能最差。這主要是由于滌綸除大分子兩端各有一個羥基外，分子中不含其他親水性基團，而且結晶度高，分子排列緊密[14]。經過堿處理，滌綸分子發生水解，產生的羧基和羥基等親水性基團增多，使得滌綸工業絲與水的浸潤性能變好。但分析實驗結果發現，滌綸工業絲與水的浸潤性能并不隨堿減量率的增大而變好，這主要是由于滌綸工業絲與水的浸潤性還與滌綸工業絲表面的形態有關。滌綸工業絲表面粗糙度越大，點式凹坑越深，其比表面積越大，為吸附水分子創造更有利條件，就越有利于其與水浸潤。因此，堿減量率為22.60%的滌綸工業絲與水的浸潤性能最好。這一結果與上文滌綸工業絲表面形貌分析的結果非常吻合。

2.4?堿減量率對滌綸工業絲拉伸性能的影響

圖4對比了不同堿減量率對滌綸工業絲的拉伸斷裂強度與斷裂伸長率的影響。

未經過堿處理（堿減量率為0）的滌綸工業絲的拉伸斷裂強度為0.852 GPa，拉伸斷裂伸長率為12.57%。隨著堿減量率的增加，工業絲的斷裂強力和伸長率均呈降低的趨勢。堿減量率為13.82%的滌綸工業絲，其拉伸斷裂強度和拉伸斷裂伸長率分別為0.837 GPa和12.26%。在α=0.05水平下，分別對未經過堿處理的滌綸工業絲與堿減量率為13.82%的滌綸工業絲的拉伸斷裂強度和伸長率進行T檢驗，發現兩種試樣的拉伸斷裂強度與伸長率均沒有顯著性差異，說明13.82%堿減量率的工業絲在表面發生水解作用，工業絲的本體性能幾乎沒有損傷。隨著堿處理強度的增大，堿溶液對滌綸工業絲的水解作用也進一步強烈，對滌綸的損傷也逐漸向滌綸工業絲內部滲透。堿減量率為33.77%的滌綸工業絲，其拉伸斷裂強度和拉伸斷裂伸長率分別為0.672 GPa和10.16%，相較于未經過堿減量的滌綸工業絲，拉伸斷裂強度和拉伸斷裂伸長率分別降低了21.13%和19.17%，由此表明工業絲的拉伸性能受到明顯損傷。

3?結?論

通過改變堿處理工藝，得到了4種不同堿減量率的滌綸工業絲，考察了堿減量率對滌綸工業絲表面及拉伸性能的影響，研究表明：

1） 未經堿處理的滌綸工業絲表面光滑，堿減量率為1382%的工業絲表面密布著點式凹坑和小溝痕，堿減量率為22.60%的工業絲表面凹坑變深，堿減量率為23.95%的滌綸絲表面凹坑面積變大，堿減量率為33.77%的絲表面出現了“剝皮”現象。

2） 5種試樣中，堿減量率為22.60%的滌綸工業絲的浸潤性能最好，堿減量率為23.95%與13.82%的滌綸工業絲的浸潤性能次之，未經堿處理的滌綸工業絲浸潤性能最差。

3） 堿減量率為13.82%的滌綸工業絲的拉伸性能受到的損傷可忽略。隨著堿減量率的增大，滌綸工業絲的拉伸性能受到的損傷越大，堿減量率為33.77%時，其拉伸斷裂強度和伸長率相較于堿處理前分別降低了21.13%和19.17%。

參考文獻：

[1]楊志超， 陳文興， 溫國奇， 等. 高強低伸型滌綸工業絲的制備及力學性能研究[J]. 合成纖維工業， 2017， 40（4）： 1-4.

YANG Zhichao， CHEN Wenxing， WEN Guoqi， et al. Preparation and mechanical properties of high-strength low-elongation polyester industrial yarn [J]. China Synthetic Fiber Industry， 2017， 40（4）： 1-4.

[2]王玉萍. 滌綸工業絲行業發展現狀及應用研究[J]. 合成纖維， 2011， 40（9）： 1-6.

WANG Yuping. Development situation and application of polyester technical yarn industry[J]. Synthetic Fiber in China， 2011， 40（9）： 1-6.

[3]姚軍義， 王玉合， 吳旭華， 等. 國內滌綸工業絲發展現狀[J]. 合成技術及應用， 2017， 32（2）： 26-30.

YAO Junyi， WANG Yuhe， WU Xuhua， et al. Development status of polyester industry filament in China[J]. Synthetic Technology and Application， 2017， 32（2）： 26-30.

[4]汪瀟， 王云， 潘琪， 等. 滌綸工業絲的晶態結構與性能的關系[J]. 合成纖維工業， 2012， 35（1）： 35-38.

WANG Xiao， WANG Yun， PAN Qi， et al. Relationship between crystalline structure and properties of PET industrial yarn[J]. China Synthetic Fiber Industry， 2012， 35（1）： 35-38.

[5]AZIZ S H， ANSELL M P. The effect of alkalization and fibre alignment on the mechanical and thermal properties of kenaf and hemp bast fibre composites： part 1-polyester resin matrix[J]. Composites Science and Technology， 2004， 64（9）： 1219-1230.

[6]胡智文， 傅雅琴， 陳文興. 化學法聚酯纖維表面改性研究[J]. 紡織學報， 2001， 22（4）： 57-59.

HU Zhiwen， FU Yaqin， CHEN Wenxing. Studies on chemical modification of PET fiber surface[J]. Journal of Textile Research， 2001， 22（4）： 57-59.

[7]SOJKA-LEDAKOWICZ J， KUDZIN M H. Effect of plasma modification on the chemical structure of a polyethylene terephthalate fabrics surface[J]. Fibers and Textiles in Eastern Europe， 2014， 22（6）： 118-122.

[8]ZHENG Z， REN L， FENG W， et al. Surface characterization of polyethylene terephthalate films treated by ammonia low-temperature plasma[J]. Applied Surface Science， 2012， 258（18）： 7207-7212.

[9]秦偉， 張志謙， 黃玉東， 等. 冷等離子體處理對滌綸纖維表面性能的影響[J]. 材料科學與工藝， 2001， 9（1）： 23-25.

QIN Wei， ZHANG Zhiqian， HUANG Yudong， et al. Effect of cold plasma treatment on surface of properties PET fibers[J]. Materials Science and Technology， 2001， 9（1）： 23-25.

[10]KARACA B， OZDOGAN E. A study on surface characterization of enzyme treated polyethylene terephthalate fibers by XPS and AFM[J]. Tekstil Ve Konfeksiyon， 2013， 23（1）： 16-22.

[11]DONELLI I， TADDEI P， SMET P F， et al. Enzymatic surface modification and functionalization of PET： a water contact angle， FTIR， and fluorescence spectroscopy study [J]. Biotechnology and Bioengineering， 2009， 103（5）： 845-856.

[12]CHEN X， WANG Y， DAI G L， et al. Radiation grafting of glycidyl methacrylate and divinylbenzene onto polyethylene terephthalate fabrics for improving anti-dripping performance[J]. Radiation Physics and Chemistry， 2016， 127： 256-263.

[13]趙振國. 接觸角及其在表面化學研究中的應用[J]. 化學研究與應用， 2000， 12（4）： 370-374.

ZHAO Zhenguo. Contact angle and its application in surface chemistry research[J]. Chemical Research and Application， 2000， 12（4）： 370-374.

[14]葛陳程， 呂汪洋， 石教學， 等. 應用二維X射線衍射法測定滌綸工業絲結晶和取向行為[J]. 紡織學報， 2018， 39（3）： 19-25.

GE Chencheng， L Wangyang， SHI Jiaoxue， et al. Measurement of crystallinity and crystal orientation of polyester industrial yarns by 2-D X-ray diffraction [J]. Journal of Textile Research， 2018， 39（3）： 19-25.