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1、第十一章亲水性纤维及纺织品 第一节概述与天然纤维相比 大多数合成纤维是疏水性的 吸湿性和透气性差 易产生静电 易沾污和易燃等 制成的衣料 尤其是内衣 在服用过程中不如天然纤维舒适 天然纤维棉 麻 丝 毛均属于亲水性纤维 而合成纤维涤纶 腈纶 丙纶均为疏水性纤维 为了改进合成纤维服用材料的舒适性和卫生性 人们将涤纶 腈纶 锦纶 聚酰胺 丙纶等合成纤维通过化学或物理改性制成亲水性纤维 为改进合成纤维亲水性 最早采用的方法是与天然纤维混纺 1967年德国拜耳公司开发出一种在水中不溶胀的亲水性聚丙烯腈纤维 该纤维具有皮芯双重结构 芯部沿纤维轴向有许多微孔 皮层也有导孔与芯部贯通 这种多孔结构使纤维的润
2、湿和吸水性接近棉纤维 而去湿速度是棉纤维的2 3倍 相对密度也较普通聚丙烯腈纤维小30 左右 与此同时 日本的三菱人造丝 旭化成 爱克斯伦以及意大利蒙特公司也相继开发和试制出亲水性聚丙烯腈纤维 此外 日本的帝人 东丽 尤尼吉卡及东洋纺等公司先后研制出亲水性聚酯和聚酰胺纤维 第二节纤维的亲水性就纺织纤维而言 亲水性一般是指纤维吸收水分并将水分向邻近纤维输送的能力 一般习惯上将纤维的亲水性按机理分成吸湿性和吸水性两种形式 气态水分受到纤维表面和内部的化学及物理作用而被吸收 这种性质称为纤维的吸湿性 吸湿性主要取决于纤维的化学结构 与物理结构的关系较小 纤维的吸湿性的强弱常用吸湿率表示 它指单位质量
3、的绝干纤维在一定温湿条件 如20 相对湿度65 下所能吸收的水分量 吸湿性对纤维的力学性质 电学性质及热性质等都有影响 一般来说 纤维的模量 强度 弹性回复等均因纤维吸湿而降低 纤维的吸湿性好 不易产生静电 有利于纺织染整加工 穿着舒适性好 纤维吸收水分后 其耐热性有所减弱 特别是在水中 纤维高分子的玻璃化温度有明显的降低 容易发生变形或导致纤维制品的尺寸不稳定 液态水分在纤维表面扩散 被纤维中的空隙 毛细管和纤维之间的空隙所吸收 这种性质称为纤维的吸水性 吸水性的强弱既与纤维化学结构有关 也与物理结构相联系 对于疏水性纤维 后者起主要作用 即纤维中的空隙或毛细孔是决定其吸水性大小的主要因素
4、一 影响纤维亲水性的主要因素纤维的亲水性取决于其化学结构和物理结构 纤维大分子中的极性基团 常见的有羧基 C00H 酰氨基 CONH 羟基 OH 氨基 一NH2 等 都是亲水性基团 对水分子有相当的亲和力 主要是通过氢键和水分子的缔合作用 使水分子失去热运动的能力 留存在纤维中 因此 纤维高分子结构中亲水性基团的数目越多 基团的极性越强 纤维的亲水性越好 部分极性基团的亲水性大小按以下顺序排列 表11 1列出了几种天然纤维和合成纤维的吸湿率和保水率 物理结构也是决定纤维亲水性的重要因素 一般认为 在纤维高分子的结晶区和高序区 活性基团之间形成交联 如纤维素中的羟基间形成氢键 聚酰胺中的酰胺基团
5、之间形成氢键 所以水分子不容易渗入结晶区 呈现硫水性 而在非晶区或低序区以及形态结构粗糙 微孔或空隙很多的区域 水分子易于扩散和停留 表现为亲水性 二 纤维吸收水分后性能的变化 一 吸着热和润湿热吸着热 表示一无限质量的纤维材料在给定回潮率下吸收1g水时所放出的热量 润湿热 是表示干燥的 质量为1g的纤维材料在给定的回潮率下完全浸湿时放出的热量 具有高度吸湿能力的纤维润湿热最大 非吸湿性疏水纤维润湿热非常小 纤维的线密度也会影响润湿热的大小 单纤维越细 润湿热越大 二 纤维的膨胀具有亲水基团的纤维在吸湿吸水后 体积发生变化 横向和纵向发生膨胀 随之引起纱线和织物的大小 形状 挺直度 透气性和密
6、度的变化 三 纤维力学性能的变化纤维吸收水分会使纤维机械性质发生变化 几种常用纤维在润湿状态下的强伸度变化列于表11 2 由表可见 除涤纶以外 所有这些纤维随着回潮率增加 水分进入纤维内部改变了分子间作用力 从面使强度下降 断裂伸长增加 所以随着回潮率增加 纤维的塑性形变增加 容易变形 柔软 纤维表面摩擦系数也随着回潮率增加而增大 四 纤维的电学性能亲水性纤维回潮率的变化 会影响纤维的电学性质 纤维回潮率较大可使纤维电阻和介电系数明显下降 例如羊毛在相对湿度10 时体积比电阻为1013 cm 而在相对湿度90 时体积比电阻下降为107 cm以下 三 纤维亲水性与服用舒适性的关系从生理角度考虑
7、纤维制成的衣料在使用时能调节体温和保护机体 从皮肤表面蒸发的气态水分 首先被纤维材料所吸湿 然后由材料表面放湿 同时 纤维内部的空洞 微孔 毛细孔和表面缺陷等 以及纤维之间的空隙所产生的毛细管 效应 也使水分在材料中吸附 扩散和放湿 两种作用的结果导致水分发生迁移 前一种作用主要与纤维大分子的化学结构有关 后一种作用则与纤维的物理结构相关 第三节合成纤维亲水化方法一 概述要使合成纤维亲水 总的方向就是要使合成纤维在保持原有基本特性的基础上 具有类似天然纤维的亲水性能 要赋予合成纤维亲水性能 就必须使合成纤维具有类似天然纤维的亲水基团和亲水结构 要在纤维中引进各种亲水基团 通过它们建立氢键与水分
8、子缔合 使水分子失去热运动的能力 暂时留存在纤维上 常见的亲水基团有羧基 C00H 酰氨基 CONH 羟基 OH 氨基 一NH2 等 目前合成纤维亲水化的方法大致可分为化学方法和物理方法两大类 化学方法包括 与亲水性单体共聚 亲水性单体接枝改性 纤维表面的亲水化处理 与亲水性组分共混及含亲水性组分的复合纤维 物理方法则主要有使纤维具有多孔结构 表面粗糙化及横截面异形化等 二 化学改性通过化学改性方法使纤维获得亲水性的主要途径有下列三种 一 大分子结构的亲水化天然纤维之所以有良好的亲水性 其主要原因在于纤维大分子中含有大量的亲水性基团 所以通过均聚或共聚在纤维大分子主链上引入亲水性基团 是改进疏
9、水性合成纤维亲水性的有效方法之一 聚酰胺纤维 主要原因之一是酰氨基在整个大分子的比例太少 若设法增加酰氨基的比例 减少非极性的亚甲基 CH2 的比例 则纤维的吸湿性就明显增加 聚酯纤维是一种结晶性纤维 大分子主链上不含亲水性基团 是疏水性的 吸湿性差 易产生静电 采用共聚的方法在聚酯大分子主链上引进亲水性基团 改进纤维亲水性 二 与亲水性物质控枝共聚接枝是指在有一种或几种单体生成的大分子主链上接上由另一种单体组成的支链的共聚反应 在纤维改性中 接枝反应常常在纤维成型后进行 丙烯酸接枝 甲醛接枝低温等离子体处理 三 纤维表面的亲水化纤维或者织物表面亲水处理的关键是要有优良的亲水整理剂 通常亲水整
10、理剂与纤维大分子不形成化学键缔合 用作亲水整理剂的化合物应具备下述性质 1 使处理后的纤维或织物具有良好的亲水性 2 不影响染色牢度 3 耐久性好 4 处理方法简单 目前使用的亲水整理剂大致分为两类 一类是丙烯酸系单体 在整理过程中 他们往往与纤维表面的大分子通过引发游离基进行接枝共聚 一类是亲水整理剂商品 亲水整理剂的结构一般由两个部分组成 第一部分就是亲水性部分 这种亲水性结构一般要求耐洗涤 有持久的亲水效果 要能够使水在织物表面迅速扩散 而且化学性质稳定 具体来说 它们往往是聚醚类化合物或离子型表面活性剂 第二个组成部分是固着性部分 固着性部分一般要求能形成柔软的薄膜 或者其结构是与合成
11、纤维的分子结构相类似的单元 例如 用于聚酯纤维的亲水整理剂中的固着性部分往往是在整理过程中 通过焙烘能和被整理的聚酰胺纤维形成低的共熔结晶 综上所述 纤维表面亲水处理法的优点是 方法简便 成本低廉 能够在基本保持纤维原有特性的情况下 增加纤维的吸湿性和吸水性 三 物理改性通过物理改性方法使纤维获得亲水性的主要途径主要有下列三种 一 与亲水性物质共混共混是在纺丝之前 把亲水性物质混入高聚物熔体或高聚物浓溶液 然后按常规纺丝方法进行纺丝就可以得到亲水性纤维 采用聚丙烯酰胺和聚丙烯腈共混制得高吸湿性的腈纶 用聚乙二醇衍生物 聚亚烷基二醇等亲水性高聚物与聚酯共混可以得到高吸湿的聚酯纤维 复合纤维也属于
12、共混纤维的范畴 复合纤维就是将两种或两种以上成纤高聚物熔体或浓溶液利用其组成 配比 黏度或品种的不同 分别输人同一纺丝组件 由同一喷丝孔挤出成型 从而使一根纤维同时具有两种或两种以上的组分 纺丝时 选择一种亲水性组分和一种疏水性组分 前者使纤维具有亲水性 后者赋予纤维其他性能 由于两种组分的物理化学性质不同 复合纤维在吸湿 吸水后还往往显示自然卷曲的性质 使纤维具有良好的疏松性 二 纤维微孔化纤维的聚合物组成和吸水性有密切关系 而纤维的物理结构也是一个影响吸水性的重要因素 纤维微孔化的方法着眼于 改变纤维的形态结构 使合成纤维也像棉 羊毛等天然纤维那样 具有许多内外贯通的微孔 利用毛细管现象吸
13、水 因此纤维微孔化方法只能改善纤维的吸水性 但是这类纤维具有密度小 干燥快 保暖性好 耐污垢性能好等优点 三 纤维表面粗糙化一般来说 水分子不能在纤维的晶区扩散 水分子仅能通过非晶区 因此非晶区域越多 其结构就越粗糙 水分子就容易吸附 扩散 适水 透湿 放湿 放水等 通过改变纤维截面形状 使之异型化和粗糙化 超细化 可以达到提高吸水性的效果 第四节亲水性纤维的生产一 亲水性涤纶改善涤纶亲水性的方法大致可分为两类 一种是通过共聚 包括接枝和嵌段共聚 共混 表面涂层等引入亲水性基团 另一种是改变纤维截面形状 减少单丝特数以及使纤维内部具有微孔型结构 一 多孔型吸水涤纶的制造制造多孔型涤纶的方法可分
14、为三种 见表11 4 溶出法制备多孔型亲水涤纶的生产工艺如下 二 其他亲水性涤纶的超备接枝改性涤纶 接枝共聚物常兼有骨架聚合物和构成支链型聚合物的特性 利用这一特性 选择具有亲水性能的单体或聚合物作为支链在涤纶大分子上接枝 就可以赋予涤纶亲水性能 表面处理的亲水涤纶 用含有亲水基团的表面处理剂处理纤维或织物 也可改善它们的亲水性 这些表面处理剂大致分为四类 第一类 非离子型乙氧基化的有机物 含有乙氧基的芳香族羧酸 聚酰胺类衍生物 具有不同链长的聚乙二醇 醚类衍生物 第二类 阴离子型化合物 苯磺酸衍生物 第三类 阳离子型化合物 含有二羟基二甲基胺的脂肪酸类衍生物 第四类 丙烯酸类聚合物 丙烯酸与
15、甲基丙烯酸的分散体系 丙烯酸与甲基丙烯酸酯混合体系 通常采用下面三种方法对纤维或织物进行表面处理 1 使表面处理剂在纤维表面形成耐久性皮膜表面处理剂一般是由两种物质组成的一个体系 其中一种物质是含有亲水基团的水溶性聚合物 另一种是联结水溶性聚合物与纤维的交联剂 如水溶性高分子化合物与三聚氰胺衍生物的组合所构成的表面处理剂可以赋予纤维持久的亲水性 2 通过热处理使表面处理剂与纤维共结晶含有亲水性基团的化合物与聚酯纤维的共结晶是提供纤维持久亲水性的有效方法 应用较多的是合有聚乙二醇 醚基团的共聚物与聚酯纤维的共结晶 首先将含有聚乙二酵 醚基团的共聚物溶解在水溶性乙烯基化合物中构成表面处理剂 然后将
16、纤维浸渍在表面处理剂中或将表面处理剂喷雾在纤维表面上 使纤维和表面处理剂两者乳胶化 再经过热处理后 含有聚乙二醇 醚基团的共聚物就牢固地结合在纤维表面上 3 通过在纤维表面形成活性中心而发生化学反应 三 异型截面亲水性涤纶的制造普通的涤纶截面为圆型 表面完整而光滑 没有吸收和保存水分的能力 通过在纺丝时改变喷丝孔的形状可纺制异形截面的纤维 如中空纤维 三角形纤维 三叶形纤维 c形纤维和L形截面的纤维等 使得纤维表面趋于不完整 不光滑 产生毛细现象而具有吸水能力 或者增大纤维的表面积 使纤维内的亲水基团 在纤维内含有亲水基团的情况下 更多地与人体表面接触 提高吸湿性 此外 异形截面纤维由于纤维间的接触面积小 纱线或长丝间的空隙率高 因此 由其制成的织物其透气性可提高20 左右 二 亲水性腈纶成孔的方法基本上有三大类 1 孔洞固定法将经过拉伸 水洗的初级溶胀纤维先进行汽蒸热处理 然后再经过干燥工序 在微孔中的水分虽然蒸发 但微孔却保留下来 在干燥过程中没有发生致密化现象 2 孔洞稳定剂添加法在腈纶原液中加入一种物质 待纺丝成型后 再设法从纤维中去除这种物质 使纤维中出现无数微孔 这种能使纤
