合成纤维发展已有七八十年之久,最初主要是用于服装,开发的只有几种常用纤维,例如锦纶、涤纶等.自1960年以后,随着合成纤维性能的提高,品种不断扩大,特种纤维、超细纤维、弹性纤维和工业高强纤维有了迅速的发展,其中弹性纤维不仅用于各种高性能的服装,还用于装饰纺织品等.目前合成纤维主要朝可持续发展、可回收、具有生物降解性以及纳米功能的方向发展.弹性纤维也是这样,出现了一批新的弹性纤维,主要是通过以下途径来开发的:(1)改变基本材料,即聚合物的分子结构;(2)改变聚合物的超分子或微结构;(3)将不同聚合物共混或混入适当添加物;(4)改变纤维形态结构,例如纤维粗细、截面形状、卷曲程度等;(5)将长丝组分复合或合股,制成双或多组分复合纤维;(6)对纤维表面改性或改变表面结构;(7)将长丝加捻或复合,改变纱线股数和形态.上述途径都可以改变纤维材料的性能(包括弹性功能).最主要的途径首先是改变纤维的基本组成(即聚合物分子结构),近年来开发了许多新聚合物,并纺制了一大批分子结构不同的弹性纤维;其次,将不同聚合物共混或复合,由于纤维含有多种聚合物后,其性能包括弹性会改变,再通过改变复合和混合方式,改变各组分的混合比,可以进一步改变其性能.例如使双组分复合纤维呈卷曲状后可大大提高弹性;此外,改变纤维的截面形状或对表面进行改性或改变表面结构,也可以改变其性能,包括改善纺织品的弹性;最后,将纤维复丝合股,改变股数结构,或对纱线加捻变形等,均可以提高纺织品的弹性.
目前纺织品主要朝强韧、安全、耐用、精细、环保、舒适、美观和易护理等方向发展,其中安全、环保和舒适尤为重要,而这些功能和纤维的弹性关系密切.纺织品的弹性是一种重要的服用性能,它是指材料对抗和回复形变的能力.弹性纤维是指具有高延伸性和高回弹性的纤维或丝束.不同国家或地区有不同的定义.按美国材料试验协会的弹性体定义,是指在室温下材料反复拉伸到至少为原长2倍,释放拉力后能迅速恢复至原长的材料.而对聚氨酯弹性纤维则是拉伸原长3倍后,释放拉力能迅速恢复原长的纤维.近年来,纺织品对弹性要求愈来愈高.为了适应需要,目前开发了许多新的弹性纤维和纺织品,这些新弹性纤维纺织品的加工要求很高,特别是其染整加工难度非常大.为此,本文首先介绍了弹性纤维的结构和弹性,然后讨论了弹性纤维纺织品的染整加工.
1·弹性纤维或丝的类别和弹性
纺织品的弹性主要取决于其结构,包括纤维的化学结构、纤维的超分子或微结构,纤维或纱线的形态结构,以及纺织品的组织结构.通过改变或控制上述结构就可以提高或改善纺织品的弹性.
对普通纺织品来说,由于纤维、纱线和纺织品的结构一般,虽然也具有一定的弹性,但弹性不高;而对弹性纺织品来说,由于要选用弹性纤维或纱线,并织成一定的组织结构,所以弹性良好.
纤维或纱线的弹性主要决定于纤维的聚合物分子结构.即目前市场上出现的弹性纤维或纱线,主要是由弹性聚合物组成.这些弹性聚合物具有特殊的分子链结构和超分子结构,受力后发生高弹形变,是这些高聚物材料所特有的一种可逆形变.当温度高于玻璃化温度后,在无定形区的高分子链段能够自由运动,而整个高分子链仍不能运动的高弹态下,受到外力作用时,链段的运动有可能使大分子链部分卷曲或伸展,形变可达100%~1 000%,材料变得柔软而富有弹性;外力去除后,会随时间延长而逐渐回复到原状,其中部分形变很快回复,部分形变只能缓慢回复.适合制弹性纤维的高聚物通常是嵌段共聚物,大分子由柔性很好的长链段(软链段)和刚性的短链段(硬链段)交替组成.软链段使纤维易于变形拉长,而硬链段则由于相互间分子作用力较强,有的甚至建立共价交联作用而赋予纤维强度和回弹性.目前这种高聚物主要有嵌段聚氨酯和其他合成共聚物,弹性织物主要依靠在经纬纱中混入弹性纤维来提高弹性.
弹性纺织物也可通过改变纤维的超分子或微结构来赋予其良好的弹性,还有的纺织品纤维或纱线则因具有特殊的形态结构或组织结构,使之具有良好的弹性.如通过织入强捻度的纱线赋予较好的回弹性.不同弹性纺织物根据其用途可分别选用弹性纤维和改变纱线或织物组织结构来提高弹性.总之,目前弹性纤维或丝的类别可分为以下几类.
1.1加捻变形丝或弹力丝
加捻变形丝俗称弹力丝,通常将预取向丝或全拉伸丝等原丝,通过加捻变形或加捻-定型-解捻过程,加工制成类似小弹簧形卷曲的丝条.它们具有高度弹性拉伸和快速回复能力.这种丝的聚合物弹性并不强.丝的弹性来自定形后弹簧形丝条的弹性,而不是分子链的弹性.当弹簧形状消失后,丝条的弹性也基本消失,因为其聚合物的弹性并不高.由这种弹力丝制成的纺织品,特别是针织物的染整加工和同类聚合物制成的非弹性纺织品基本类似,只是应注意在染整加工时不要使丝的弹簧形态消失或松弛.故在高温下加工时的张力宜小,时间不能长.因为随着弹簧形态变松或消失,纺织品的弹性也就大大变小.
1.2聚氨酯弹性纤维
聚氨酯弹性纤维[1]是最重要的一类弹性纤维俗称氨纶,是由弹性体即弹性高分子物制成的.所谓弹性体是一些在施加外力下容易发生形变,但当外力除去后,又可回复原形的高分子物.最典型的例子是硫化橡胶,它们的分子链柔软,相互作用力很小,容易相互移动变形,属非晶态高分子物.但经硫化交联形成网状结构后,变形回复能力大大提高,所以弹性非常好.以往许多高弹性纺织品就是编织入部分橡胶丝来提高弹性的,由于橡胶丝存在许多缺点,所以这种弹性纺织品愈来愈少了.
由弹性体制成的弹性纤维主要有聚氨酯、聚醚酯、聚烯烃和聚碳酸酯等类.它们的“软”和“硬”链段的化学组成和结构各不相同,因此弹性大小、染整加工性能也就有所不同.
聚氨酯弹性纤维已大量生产和应用,发展很快,是一种高弹性纤维,广泛用于各种纺织品.其弹性起源于它的分子结构,首先是“软”和“硬”链段组成的嵌段共聚物网络结构,也称“区段”网络结构.但这种纤维随着嵌段共聚物不同,纺丝工艺不同,形成不同的“区段”网络结构后,弹性和染整加工性能也不同.“区段”结构的共聚物是通过二异氰酸酯分段加聚获得的,由低分子二异氰酸酯与低分子二羟基化合物反应制得较短的“硬”链段.由于它们具有多种极性基团(特别是脲基),相互间可形成较多的氢键,并易结晶和分子间横向交联.在较低的应力作用下,这种链段基本上不发生形变,可防止纤维大分子间发生滑移,并为“软”链段大幅度伸长后回弹提供了节点,还赋予纤维一定的强度、模量和耐磨性“.区段”结构共聚物的“软”链段则是由长链二羟基化合物(大分子二醇)组成的,其相对分子质量为1 500~3 000,熔点<50℃,链段长度约为15~30 nm,是“硬”链段长度的10倍左右,玻璃化温度Tg很低(为-50~-70℃).长链二醇可以是聚酯、聚醚、聚碳酸酯、聚乙酸内酯及其复合物.它们很难结晶,在常温下处在高弹态,在很小应力下就能发生很大的形变,使聚氨酯纤维容易伸长.根据“软”链段含有醚基还是酯基不同,聚氨酯弹性纤维大致分聚醚型和聚酯型两大类,两类纤维不但弹性明显不同,染整加工性能、对化学品的稳定性和耐老化性能也不同.一般来说,聚醚型的更柔软,受力变形更大,而且拉伸后的纤维网络结构变化非常明显.聚酯型的“软”链段在拉伸200%时,分子链只是沿着纤维轴向不断取向,但不出现结晶;聚醚型的不但取向,还产生结晶,因为聚醚分子链相互间更容易靠近并规整排列.从染整加工角度来说,聚酯型的聚氨酯纤维抗氧化性和耐热性较好,对分散染料的吸附性也较强;聚醚型的耐洗涤剂和耐霉性较好.所以两者的加工条件和适用的产品是不同的.聚氨酯分子长链结构如下:
聚氨酯纤维的分子软链段由大分子二醇化合物链段组成,它们相互间分子作用力很弱,分子链段容易运动,而且软链段质量占整个聚氨酯纤维质量的65%~90%,容易伸长或收缩卷曲.纤维拉伸时易变细伸长,有序性提高,不同软链段拉伸后序度变化也不同.已经指出,未拉伸时聚氨酯长丝内部的软链段区是非晶型和无取向的,但是在拉伸伸长200%后,聚酯二醇组成的纤维沿纤维轴向分子链发生了取向,但无结晶出现,而由聚醚二醇组成的纤维沿纤维轴向不仅发生取向,还发生结晶现象.这是由于2种分子链结晶倾向不同所致.聚氨酯硬链段较短,所含极性基团较多,主要是脲基和氨基甲酸酯基.它们的分子链不容易自由运动,相互间存在较强的分子作用力(包括形成氢键结合),所以硬链段直接关系到纤维的强力和耐热性,也是弹性回复力的关键组成.它和软链段构成“区段”网络结构,赋予纤维极好的弹性.
目前聚氨酯弹性纤维主要采用溶剂纺丝工艺生产,需要使用大量的溶剂(例如DMF等).这些溶剂存在环境污染和对人体健康不利等问题,因此近年来大力开发熔纺生产技术.虽然这种工艺生产的纤维在弹性回复率、耐水解性和耐热性等方面还不如传统溶剂法制得的纤维,但随着纺丝技术不断成熟,产品性能已逐渐接近或达到传统纤维的水平,所以熔纺纤维品种将会愈来愈多.不同工艺生产的聚氨酯弹性纤维由于化学组成和超分子结构不完全相同,其弹性和染整加工性能存在明显差异,染整加工时应加以注意.就以熔纺生产的产品来看,选用不同原料生产的聚氨酯弹性体性能差别也很大.例如用聚己内酯二醇生产的纤维耐水性好,用聚碳酸酯二醇生产的耐热性好.选用脂肪族聚酯低聚物作为交联剂可以改善弹性,加入适当的二胺化合物还可以改善染色性等.为适应市场需求,目前还生产了一批高吸放湿氨纶、高热定型氨纶和抗菌、耐磨、抗氯、抗静电、吸汗、除臭、透气、保暖等高性能的氨纶.[2]
1.3聚醚酯弹性纤维
聚醚酯弹性纤维是由聚酯和聚醚共聚物通过熔融纺丝制得的弹性纤维,首次是Teijin公司于1990年生产的.聚醚酯弹性纤维和聚氨酯弹性纤维结构类似,也具有“区段”结构特征“:软”链段主要是聚醚链段,柔顺性好,链较长,故容易伸长变形“;硬”链段则是聚酯链段,相对较僵硬,易于结晶,链较短,在纤维受力变形时,起节点作用,赋予弹性回复性能,并决定了纤维的强力和耐热性.无论是聚醚或是聚酯链段都不具备形成共价键的能力,也难形成氢键结合,故分子链网络节点主要是结晶单元,即聚酯链段形成的结晶单元.这种弹性纤维的“区段”结构示意式如下:
式中,R1为聚醚烷基,聚醚链较长,柔顺性好,属软链段;R2是二元酸的烷基或芳基,此链段较僵硬,也较短,且易结晶,属硬链段;R3为二醇的烷基,二醇链段也较短,易结晶,和酯链段一起起硬链段作用,只有当R3链较长时才相对较柔顺.这类弹性纤维较多的是以PET为硬链段,PEO为软链段,可表示为PET/PEO.并分为普强、中强和高强弹性纤维.由表1可知,各种聚醚酯弹性纤维不仅强度较高,弹性也很好,在伸长50%时,中强弹性纤维的弹性已和氨纶相当.它们熔点也较高,和PET纤维混纺,可在120~130℃下染色.因此,涤纶纤维也可加工成弹性纺织品.此外,它们的耐光性优良,耐氯漂性、耐酸碱性等也良好,都比普通氨纶好.因耐酸碱性良好,由它和涤纶织成的织物还可进行碱减量加工,以提高织物的悬垂性,故这种弹性纤维可用于丝绸服装中.该纤维原料便宜、易于生产和加工,是一类有发展前途的纤维.目前日本帝人有限公司的Rexe已经实现商品化,受到市场关注.
1.4聚烯烃弹性纤维
聚烯烃弹性纤维是由聚烯烃共聚物制得的一种弹性纤维,主要由乙烯(质量分数≥95%)和其他烯烃共聚而得到.共聚物也具有“软”和“硬”区段结构:由结晶体和大分子链间的共价键(交联点)组成网络体系的“硬”链段区,而由较长的柔性聚烯烃链组成“软”链段区.分子链易运动,属于无定形排列.这种“软”和“硬”的区段结构赋予了纤维弹性.其代表是陶氏化学公司生产的Lastol纤维,也称Dow XLA纤维,正式命名为Elastolefin纤维.这种纤维的微观网状结构和155.6dtex纤维横截面形状分别见图1和2.[3]
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