科普 | 纤维知识之：改性涤纶

1941年英国Whenfield和Dikson以对苯二甲酸和乙二醇为原料合成了聚对苯二甲酸乙二酯，并制成了纤维，在我国商品名为涤纶。涤纶于1946年在英国工业化生产，1953年开始在世界范围内大规模工业化生产，1971年开始在数量上超过尼龙，成为大合成纤维。由于涤纶具有强度高、弹性好、保型性好、尺寸稳定性高等优异性能，由其织成的衣物经久耐穿，电绝缘性好，易洗快干，具有“洗可穿”的美称，因而被广泛应用于服装、装饰、产业等领域。但是涤纶由于内部分子排列紧密，分子间缺少亲水结构，因此回潮率很小，吸湿性能差。在相对湿度为95％的条件下，其高吸湿率为0.7％，由于其吸湿性差，抗静电性不好，涤纶织物透气性不好，染色性差，抗起毛起球性差。

涤纶纤维是疏水性的合成纤维，缺乏能与直接染料、酸性染料、碱性染料等结合的官能团。
虽然具有能与分散染料形成氢键的酯基，但是涤纶分子链结构紧密，染料分子不易进入纤维内部，致使染色困难，色泽单调，直接影响到涤纶面料花色品种的开发。由于涤纶的结晶度高，纤维中只存在较小的空隙，当温度较低时，分子热运动改变其位置的幅度较小，在潮湿条件下，涤纶纤维又不会象棉纤维那样能通过剧烈溶胀而使空隙增大，染料分子难以渗透到纤维内部。涤纶染色时通常只能用分散染料进行染色，并且必须在高温高压下或借助载体进行染色。为了提高涤纶的染色性能，从分子结构上考虑，提高分子链的疏松程度，将有助于染料分子的进入。改善染色性能主要采用的方法有：(1)与分子体积庞大的化台物共聚；(2)与具有可塑化效应的化合物混合纺丝；(3)导入具有醚键那样的和分散性染料亲和性好的基团。采用共聚方法改性制得的涤纶树脂熔点低，结晶度低，纤维的热性能和机械性能受到一定程度的损害。

阳离子染料可染改性方法是将涤纶染色改性剂，如简苯二甲酸二甲脂-5-磺酸钠(俗称三单体，英文缩写SIPM)与涤纶共聚，共聚后的涤纶分子链中引入了磺酸基团，可用阳离子染料染色，所染织物色彩鲜艳，染料吸尽率高，大幅度减少了印染废水的排放，共聚聚酯切片又能增加抗静电、抗起毛球及吸湿性能，是近年来改善涤纶染色性能的主要方法之一。日本尤尼吉卡公司用4份含磺酸基团的间苯二甲酸盐单元的阳离子可染聚酯与1份乙二醇／聚乙二醇／磺酸基间苯二甲酸钠／对苯二甲酸的嵌段共聚物共混纺丝，可制成具有高染色深度的超细纤维；在纺丝前或纺丝过程中，加人阳离子活性剂和少量变性剂与BAET共聚。使其成为无规线型聚合体后，其可纺性变好。这种改性涤纶不但可用阳离子染料染色，且还兼有抗起球性并提高了缩皱回复性。

另外在阳离子可染纤维推出的同时．一种以1，4丁二醇代替乙二醇作为第二单体的改性涤纶(PBT)也加入了差别化涤纶的行列。以丁二醇代替乙二醇不仅使分子链的柔性大大增加，而且纤维的染色性能也大为改善，达到常压沸染。但由于1，4丁二醇的原料价格远高于乙二醇，而使PBT纤维在价格上缺乏竞争优势。因此目前主要是在常规PET中把l，4丁二醇作为第三单体加入，这样不仅使纤维的价格有所下降，而且其染色性能得到改善，热稳定性要大大优于阳离子可染纤维。

涤纶织物容易起球的原因与纤维性状有密切关系，主要是纤维间抱合力小、纤维的强度高、伸长能力大，特别是耐弯曲疲劳、耐扭转疲劳与耐磨性好，故纤维容易滑出织物表面，一旦在表面形成小球后，又不容易脱落。在实际穿用和洗涤过程中。纤维不断经受摩擦，使织物表面的纤维露出于织物。在织物表面呈现出许多令人讨厌的毛茸，即为“起毛”，若这些毛茸在穿用中不能及时脱落，就互相纠缠在一起，被揉成许多球形小粒，通常称为起球。

影响织物起毛、起球的因素主要有：

(1)组成织物的纤维；

(2)纺织工艺参数；

(3)染整加工；

(4)服用条件。

已经采用的抗起球措施有：

(1)降低聚酯的分子量，使纤维的耐摩擦牢度、抗弯曲疲劳性与强度下降，使纤维在织物表面形成的小球较易脱落；

(2)改变纤维断面形状。异形截面纤维，如“T”形或“Y”形，在弯曲时易折断，纤维缠结成簇较圆形纤维困难；

(3)降低纤维的伸长率、增加短纤维长度、短纤纱的捻度，或用后整理加工等方法来获得抗起球效果，如将PET纤维浸入180～240℃的碱金属甲醇溶液中进行处理；

(4)利用混纺的方法提高抗起球性，如将l：1的棉和PET混纺制得抗起球纤维。
AKZO Nobel NV公司开发出了一种具有较高抗起球性能的聚酯纤维和纱线。生产时将聚乙烯醇嵌段共聚物作为分离相均匀地加入到聚酯混合物中，这种配方特殊的聚合物中至少含有90％摩尔的聚乙烯对苯二甲酸盐，聚合物是在聚酯混合物发生共聚以后加入的，它所占的重量比是1％～7％，当聚合物与聚酯混合物混合均匀后采用普通纺丝方法可制得具有抗起球特性的涤纶纤维。

涤纶的另一严重缺点是吸水性差，容易被油类所圬染，在低湿度的场合下易带静电荷。抗静电纤维的制造方法有：

(1)用耐久性抗静电剂涂于织物上；

(2)将耐热性抗静电剂分散在聚酯熔体中，纺丝织成织物；

(3)将聚酯分子链进行共聚改性，将共聚物熔融纺丝，改善聚酯纤维的抗静电性能。通常所采用的可反应和可溶性的抗静电添加剂有甘醇醚类和二羧酸酰胺类和西佛碱类化舍物。

改善高聚物纤维的抗静电性能和吸湿性能，通常通过共聚等方法在聚合物中引入亲水基团，提高其吸湿性能，降低比电阻。例如在PET的生产过程中，加入适量聚乙醇(PEG)，经过共同缩聚而制得PET—PEG嵌段共聚物，以此作为改性剂加入到PET中混合纺丝，用以改进涤纶产品的抗静电性和吸湿性。

上世纪90年代后，日本的钟纺、帝人、东丽、可乐丽等公司都进行了导电纤维系列研究。东丽公司开发的高白度导电复合纤维，可乐丽公司开发了由炭黑和热塑性弹性体组成的具有永久导电性能的合成共轭纤维，还开发了用于军装和工作服的白色抗静电聚酯长丝，用其织成的织物不仅具有优良的抗静电性，还具有优良的手感、染色性、强度、抗洗涤性和耐化学性。由ICI纤维公司开发的Epirtopic纤维是一种独特的导电纤维，其应用非常广泛，其芯是聚酯，皮层是聚酯和间苯二酸酯的共聚物，在生产时，它浸渍于黑炭粒中。
国内导电纤维的研究起步较晚，浙江大学、浙江省冶金研究所与杭州孔雀化纤集团股份有限公司开发了一种镀复合导电涤纶，它用普通PET作为基体，在其表面镀上一层聚丙烯腈，再在聚丙烯腈上镀上复合导电的Cu2S，制得具有与普通PET物理性能基本相同的导电纤维，该纤维的导电性能耐久，由其纺成的38支纱的电阻可小于100Ω．cm-1。
导电纤维用途广泛，其中早用于地毯，是当前用量大的领域，其它方面主要用于抗静电、除尘工作服，一般衣料及产业材料等领域。抗静电除尘工作服主要用于石油、天然气等危险品工作场地、半导体、电子工业、精密仪器、医药卫生等领域，其用途和市场正在不断地扩大。

国内近年来对吸水纤维进行了研究开发，如北京服装大学开发的PBT／PET中空微孔复合纤维，显示出优异的吸水性和保水性；天津石化公司涤纶厂与北京服装大学共同开发的高吸水中空涤纶短纤能快速地吸收、传递、释放水分，并纺制出近l0t 2.5dtex的高吸水短纤，与纺织厂家联合开发出高吸湿面料，制作的运动服具有良好的穿着舒适性；东华大学研制成功的高吸水聚酯纤维的吸水率与棉花相似，为20.5％，吸湿率为2％，是普通涤纶的5倍。帝人公司将聚酯纤维内部配合重量平均分子量10万以上的聚烷撑氧为O.1wt％～15wt％，而且聚烷撑二醇衍生物接枝于纤维表面，吸湿耐洗，极大地改善了聚酯纤维的吸湿性。
抗静电、防污和吸湿性三者在一定程度上是紧密联系的，只要改善聚酯的亲水性，就能使这三种性能相应得到改善，同时也能在一定程度上改善涤纶的染色性能。

涤纶的阻燃改性有共混改性和共聚改性两种方法。共混改性是在聚酯切片合成过程中添加共混阻燃剂制备阻燃切片或在纺丝时添加阻燃剂与聚酯熔体共混成阻燃纤维；共聚改性是在合成聚酯过程中加入共聚型阻燃剂作单体通过共聚方法制备阻燃聚酯。
按生产工艺过程对阻燃方法进行分类，可归纳为以下5种：
(1)在酯交换或缩聚阶段加入反应型阻燃剂进行共缩聚；

(2)在熔融纺丝前向熔体中加入添加型阻燃剂；

(3)普通聚酯与含有阻燃成分的聚酯进行复合纺丝；

(4)在聚酯纤维或织物上与反应型阻燃剂进行接枝共聚；

(5)对聚酯纤维织物进行阻燃后处理。

可用于聚酯纤维的添加型阻燃剂比较多，添加阻燃剂也是聚酯纤维初的阻燃改性方法。阻燃剂主要有卤素阻燃剂和磷系阻燃剂。在卤素阻燃剂中又以溴类阻燃剂的阻燃效果为好，且可与通过锑类化合物(如三氧化二锑)与其形成协效作用来提高其阻燃效果。在磷系阻燃剂中各种有机磷酸酯、无机磷酸酯以及氧化磷等阻燃剂都可以用于聚酯纤维阻燃改性。其中芳香族磷酸酯热分解稳定性好，加入到聚酯熔体中对聚酯的热降解影响较小，从而不会影响纺丝工艺和纤维的性能。目前，添加型阻燃剂在一些小的聚酯纤维生产企业中得到了广泛的应用。聚酯纤维用反应型阻燃剂是指分子中含有阻燃元素(磷、氯、溴、氟)及活性基团(羧基、羟基以及酸酐等)的小分子阻燃剂。反应型阻燃剂将逐渐取代添加型阻燃剂。通常加入较低含量(3％～8％)的阻燃剂就可以使纤维具有良好的阻燃效果。可用于聚酯纤维的反应型阻燃剂包括卤素和磷系阻燃剂。目前国际上常用的是磷系共聚型阻燃剂。磷系阻燃剂对聚酯纤维具有良好的阻燃效果，且燃烧过程中无毒性气体的生成。属于环保友好型阻燃体系。
在酯交换或缩聚阶段加入反应型阻燃剂进行共缩聚，由于共聚阻燃单体通过共缩聚反应固定在共聚酯链上，成为构成大分子链上的一个组分，因此此种方法对PET纺丝性能影响较小，代表了纤维用阻燃聚酯发展的主流。如在合成阻燃聚酯时，添加4wt％～5wt％2一羧乙基苯基次膦酸(CEPPA)阻燃剂制成的聚酯纤维切片，氧指数可达到32％～33％；反应活性好，能够得到高分子量的无毒无味、具有较高的热稳定性及氧化稳定性和耐水性的聚酯切片。

随着合成纤维工业的发展，人们生活水平的不断提高及科学技术的不断进步，人们对涤纶纤维的改性研究将得到更加深入的发展，改性后的涤纶织物以及涤纶混纺织物的应用将更加广泛，民用、装饰、工业用涤纶的比例将会有进一步变化。涤纶织物本身所具有的优异性能，加上改性后所赋予织物的鲜艳色泽、良好的手感、抗起毛起球性以及吸湿抗静电性，将极大地推动聚酯纤维工业的发展。

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