合成纖維發(fā)展已有七八十年之久,最初主要是用于服裝,開發(fā)的只有幾種常用纖維,例如錦綸、滌綸等.自1960年以后,隨著合成纖維性能的提高,品種不斷擴大,特種纖維、超細纖維、彈性纖維和工業(yè)高強纖維有了迅速的發(fā)展,其中彈性纖維不僅用于各種高性能的服裝,還用于裝飾紡織品等.目前合成纖維主要朝可持續(xù)發(fā)展、可回收、具有生物降解性以及納米功能的方向發(fā)展.彈性纖維也是這樣,出現了一批新的彈性纖維,主要是通過以下途徑來開發(fā)的:(1)改變基本材料,即聚合物的分子結構;(2)改變聚合物的超分子或微結構;(3)將不同聚合物共混或混入適當添加物;(4)改變纖維形態(tài)結構,例如纖維粗細、截面形狀、卷曲程度等;(5)將長絲組分復合或合股,制成雙或多組分復合纖維;(6)對纖維表面改性或改變表面結構;(7)將長絲加捻或復合,改變紗線股數和形態(tài).上述途徑都可以改變纖維材料的性能(包括彈性功能).最主要的途徑首先是改變纖維的基本組成(即聚合物分子結構),近年來開發(fā)了許多新聚合物,并紡制了一大批分子結構不同的彈性纖維;其次,將不同聚合物共混或復合,由于纖維含有多種聚合物后,其性能包括彈性會改變,再通過改變復合和混合方式,改變各組分的混合比,可以進一步改變其性能.例如使雙組分復合纖維呈卷曲狀后可大大提高彈性;此外,改變纖維的截面形狀或對表面進行改性或改變表面結構,也可以改變其性能,包括改善紡織品的彈性;最后,將纖維復絲合股,改變股數結構,或對紗線加捻變形等,均可以提高紡織品的彈性.
目前紡織品主要朝強韌、安全、耐用、精細、環(huán)保、舒適、美觀和易護理等方向發(fā)展,其中安全、環(huán)保和舒適尤為重要,而這些功能和纖維的彈性關系密切.紡織品的彈性是一種重要的服用性能,它是指材料對抗和回復形變的能力.彈性纖維是指具有高延伸性和高回彈性的纖維或絲束.不同國家或地區(qū)有不同的定義.按美國材料試驗協(xié)會的彈性體定義,是指在室溫下材料反復拉伸到至少為原長2倍,釋放拉力后能迅速恢復至原長的材料.而對聚氨酯彈性纖維則是拉伸原長3倍后,釋放拉力能迅速恢復原長的纖維.近年來,紡織品對彈性要求愈來愈高.為了適應需要,目前開發(fā)了許多新的彈性纖維和紡織品,這些新彈性纖維紡織品的加工要求很高,特別是其染整加工難度非常大.為此,本文首先介紹了彈性纖維的結構和彈性,然后討論了彈性纖維紡織品的染整加工.
1·彈性纖維或絲的類別和彈性
紡織品的彈性主要取決于其結構,包括纖維的化學結構、纖維的超分子或微結構,纖維或紗線的形態(tài)結構,以及紡織品的組織結構.通過改變或控制上述結構就可以提高或改善紡織品的彈性.
對普通紡織品來說,由于纖維、紗線和紡織品的結構一般,雖然也具有一定的彈性,但彈性不高;而對彈性紡織品來說,由于要選用彈性纖維或紗線,并織成一定的組織結構,所以彈性良好.
纖維或紗線的彈性主要決定于纖維的聚合物分子結構.即目前市場上出現的彈性纖維或紗線,主要是由彈性聚合物組成.這些彈性聚合物具有特殊的分子鏈結構和超分子結構,受力后發(fā)生高彈形變,是這些高聚物材料所特有的一種可逆形變.當溫度高于玻璃化溫度后,在無定形區(qū)的高分子鏈段能夠自由運動,而整個高分子鏈仍不能運動的高彈態(tài)下,受到外力作用時,鏈段的運動有可能使大分子鏈部分卷曲或伸展,形變可達100%~1 000%,材料變得柔軟而富有彈性;外力去除后,會隨時間延長而逐漸回復到原狀,其中部分形變很快回復,部分形變只能緩慢回復.適合制彈性纖維的高聚物通常是嵌段共聚物,大分子由柔性很好的長鏈段(軟鏈段)和剛性的短鏈段(硬鏈段)交替組成.軟鏈段使纖維易于變形拉長,而硬鏈段則由于相互間分子作用力較強,有的甚至建立共價交聯(lián)作用而賦予纖維強度和回彈性.目前這種高聚物主要有嵌段聚氨酯和其他合成共聚物,彈性織物主要依靠在經緯紗中混入彈性纖維來提高彈性.
彈性紡織物也可通過改變纖維的超分子或微結構來賦予其良好的彈性,還有的紡織品纖維或紗線則因具有特殊的形態(tài)結構或組織結構,使之具有良好的彈性.如通過織入強捻度的紗線賦予較好的回彈性.不同彈性紡織物根據其用途可分別選用彈性纖維和改變紗線或織物組織結構來提高彈性.總之,目前彈性纖維或絲的類別可分為以下幾類.
1.1加捻變形絲或彈力絲
加捻變形絲俗稱彈力絲,通常將預取向絲或全拉伸絲等原絲,通過加捻變形或加捻-定型-解捻過程,加工制成類似小彈簧形卷曲的絲條.它們具有高度彈性拉伸和快速回復能力.這種絲的聚合物彈性并不強.絲的彈性來自定形后彈簧形絲條的彈性,而不是分子鏈的彈性.當彈簧形狀消失后,絲條的彈性也基本消失,因為其聚合物的彈性并不高.由這種彈力絲制成的紡織品,特別是針織物的染整加工和同類聚合物制成的非彈性紡織品基本類似,只是應注意在染整加工時不要使絲的彈簧形態(tài)消失或松弛.故在高溫下加工時的張力宜小,時間不能長.因為隨著彈簧形態(tài)變松或消失,紡織品的彈性也就大大變小.
1.2聚氨酯彈性纖維
聚氨酯彈性纖維[1]是最重要的一類彈性纖維俗稱氨綸,是由彈性體即彈性高分子物制成的.所謂彈性體是一些在施加外力下容易發(fā)生形變,但當外力除去后,又可回復原形的高分子物.最典型的例子是硫化橡膠,它們的分子鏈柔軟,相互作用力很小,容易相互移動變形,屬非晶態(tài)高分子物.但經硫化交聯(lián)形成網狀結構后,變形回復能力大大提高,所以彈性非常好.以往許多高彈性紡織品就是編織入部分橡膠絲來提高彈性的,由于橡膠絲存在許多缺點,所以這種彈性紡織品愈來愈少了.
由彈性體制成的彈性纖維主要有聚氨酯、聚醚酯、聚烯烴和聚碳酸酯等類.它們的“軟”和“硬”鏈段的化學組成和結構各不相同,因此彈性大小、染整加工性能也就有所不同.
聚氨酯彈性纖維已大量生產和應用,發(fā)展很快,是一種高彈性纖維,廣泛用于各種紡織品.其彈性起源于它的分子結構,首先是“軟”和“硬”鏈段組成的嵌段共聚物網絡結構,也稱“區(qū)段”網絡結構.但這種纖維隨著嵌段共聚物不同,紡絲工藝不同,形成不同的“區(qū)段”網絡結構后,彈性和染整加工性能也不同.“區(qū)段”結構的共聚物是通過二異氰酸酯分段加聚獲得的,由低分子二異氰酸酯與低分子二羥基化合物反應制得較短的“硬”鏈段.由于它們具有多種極性基團(特別是脲基),相互間可形成較多的氫鍵,并易結晶和分子間橫向交聯(lián).在較低的應力作用下,這種鏈段基本上不發(fā)生形變,可防止纖維大分子間發(fā)生滑移,并為“軟”鏈段大幅度伸長后回彈提供了節(jié)點,還賦予纖維一定的強度、模量和耐磨性“.區(qū)段”結構共聚物的“軟”鏈段則是由長鏈二羥基化合物(大分子二醇)組成的,其相對分子質量為1 500~3 000,熔點<50℃,鏈段長度約為15~30 nm,是“硬”鏈段長度的10倍左右,玻璃化溫度Tg很低(為-50~-70℃).長鏈二醇可以是聚酯、聚醚、聚碳酸酯、聚乙酸內酯及其復合物.它們很難結晶,在常溫下處在高彈態(tài),在很小應力下就能發(fā)生很大的形變,使聚氨酯纖維容易伸長.根據“軟”鏈段含有醚基還是酯基不同,聚氨酯彈性纖維大致分聚醚型和聚酯型兩大類,兩類纖維不但彈性明顯不同,染整加工性能、對化學品的穩(wěn)定性和耐老化性能也不同.一般來說,聚醚型的更柔軟,受力變形更大,而且拉伸后的纖維網絡結構變化非常明顯.聚酯型的“軟”鏈段在拉伸200%時,分子鏈只是沿著纖維軸向不斷取向,但不出現結晶;聚醚型的不但取向,還產生結晶,因為聚醚分子鏈相互間更容易靠近并規(guī)整排列.從染整加工角度來說,聚酯型的聚氨酯纖維抗氧化性和耐熱性較好,對分散染料的吸附性也較強;聚醚型的耐洗滌劑和耐霉性較好.所以兩者的加工條件和適用的產品是不同的.聚氨酯分子長鏈結構如下:
聚氨酯纖維的分子軟鏈段由大分子二醇化合物鏈段組成,它們相互間分子作用力很弱,分子鏈段容易運動,而且軟鏈段質量占整個聚氨酯纖維質量的65%~90%,容易伸長或收縮卷曲.纖維拉伸時易變細伸長,有序性提高,不同軟鏈段拉伸后序度變化也不同.已經指出,未拉伸時聚氨酯長絲內部的軟鏈段區(qū)是非晶型和無取向的,但是在拉伸伸長200%后,聚酯二醇組成的纖維沿纖維軸向分子鏈發(fā)生了取向,但無結晶出現,而由聚醚二醇組成的纖維沿纖維軸向不僅發(fā)生取向,還發(fā)生結晶現象.這是由于2種分子鏈結晶傾向不同所致.聚氨酯硬鏈段較短,所含極性基團較多,主要是脲基和氨基甲酸酯基.它們的分子鏈不容易自由運動,相互間存在較強的分子作用力(包括形成氫鍵結合),所以硬鏈段直接關系到纖維的強力和耐熱性,也是彈性回復力的關鍵組成.它和軟鏈段構成“區(qū)段”網絡結構,賦予纖維極好的彈性.
目前聚氨酯彈性纖維主要采用溶劑紡絲工藝生產,需要使用大量的溶劑(例如DMF等).這些溶劑存在環(huán)境污染和對人體健康不利等問題,因此近年來大力開發(fā)熔紡生產技術.雖然這種工藝生產的纖維在彈性回復率、耐水解性和耐熱性等方面還不如傳統(tǒng)溶劑法制得的纖維,但隨著紡絲技術不斷成熟,產品性能已逐漸接近或達到傳統(tǒng)纖維的水平,所以熔紡纖維品種將會愈來愈多.不同工藝生產的聚氨酯彈性纖維由于化學組成和超分子結構不完全相同,其彈性和染整加工性能存在明顯差異,染整加工時應加以注意.就以熔紡生產的產品來看,選用不同原料生產的聚氨酯彈性體性能差別也很大.例如用聚己內酯二醇生產的纖維耐水性好,用聚碳酸酯二醇生產的耐熱性好.選用脂肪族聚酯低聚物作為交聯(lián)劑可以改善彈性,加入適當的二胺化合物還可以改善染色性等.為適應市場需求,目前還生產了一批高吸放濕氨綸、高熱定型氨綸和抗菌、耐磨、抗氯、抗靜電、吸汗、除臭、透氣、保暖等高性能的氨綸.[2]
1.3聚醚酯彈性纖維
聚醚酯彈性纖維是由聚酯和聚醚共聚物通過熔融紡絲制得的彈性纖維,首次是Teijin公司于1990年生產的.聚醚酯彈性纖維和聚氨酯彈性纖維結構類似,也具有“區(qū)段”結構特征“:軟”鏈段主要是聚醚鏈段,柔順性好,鏈較長,故容易伸長變形“;硬”鏈段則是聚酯鏈段,相對較僵硬,易于結晶,鏈較短,在纖維受力變形時,起節(jié)點作用,賦予彈性回復性能,并決定了纖維的強力和耐熱性.無論是聚醚或是聚酯鏈段都不具備形成共價鍵的能力,也難形成氫鍵結合,故分子鏈網絡節(jié)點主要是結晶單元,即聚酯鏈段形成的結晶單元.這種彈性纖維的“區(qū)段”結構示意式如下:
式中,R1為聚醚烷基,聚醚鏈較長,柔順性好,屬軟鏈段;R2是二元酸的烷基或芳基,此鏈段較僵硬,也較短,且易結晶,屬硬鏈段;R3為二醇的烷基,二醇鏈段也較短,易結晶,和酯鏈段一起起硬鏈段作用,只有當R3鏈較長時才相對較柔順.這類彈性纖維較多的是以PET為硬鏈段,PEO為軟鏈段,可表示為PET/PEO.并分為普強、中強和高強彈性纖維.由表1可知,各種聚醚酯彈性纖維不僅強度較高,彈性也很好,在伸長50%時,中強彈性纖維的彈性已和氨綸相當.它們熔點也較高,和PET纖維混紡,可在120~130℃下染色.因此,滌綸纖維也可加工成彈性紡織品.此外,它們的耐光性優(yōu)良,耐氯漂性、耐酸堿性等也良好,都比普通氨綸好.因耐酸堿性良好,由它和滌綸織成的織物還可進行堿減量加工,以提高織物的懸垂性,故這種彈性纖維可用于絲綢服裝中.該纖維原料便宜、易于生產和加工,是一類有發(fā)展前途的纖維.目前日本帝人有限公司的Rexe已經實現商品化,受到市場關注.
1.4聚烯烴彈性纖維
聚烯烴彈性纖維是由聚烯烴共聚物制得的一種彈性纖維,主要由乙烯(質量分數≥95%)和其他烯烴共聚而得到.共聚物也具有“軟”和“硬”區(qū)段結構:由結晶體和大分子鏈間的共價鍵(交聯(lián)點)組成網絡體系的“硬”鏈段區(qū),而由較長的柔性聚烯烴鏈組成“軟”鏈段區(qū).分子鏈易運動,屬于無定形排列.這種“軟”和“硬”的區(qū)段結構賦予了纖維彈性.其代表是陶氏化學公司生產的Lastol纖維,也稱Dow XLA纖維,正式命名為Elastolefin纖維.這種纖維的微觀網狀結構和155.6dtex纖維橫截面形狀分別見圖1和2.[3]
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