（纺织材料与纺织品设计专业论文）聚乳酸纤维及织物湿传递性能的研究.pdf

摘要 随着人们生活水平的不断提高，人们开始越来越关注自身的健康和生存环 境。作为从谷物、甜菜中等天然糖类得到的聚乳酸酯制成的一种纤维，聚乳酸 ( p l a ) 纤维以其良好的生物相容性、可降解纤维，以及优良的芯吸性能及抗紫 外线性能，成为目前广为关注的新型纤维。同时，随着目前人们对服装舒适性要 求的不断提高，尤其是对那些具有良好湿传递性能的服装面料需求不断增加，开 发既环保又具有良好湿传递性能的纺织产品成为当前纺织新材料丌发的热点。本 课题主要针对聚乳酸纤维和聚乳酸织物的湿传递性能进行了较为深入的探讨，分 析找出了聚乳酸纤维织物的各基本结构参数与其湿传递性能的关系，并丌发出了 具有良好湿传递性能的吸湿快干织物。 课题首先对聚乳酸纤维的基本结构和性能进行了全面的测试和分析。同时， 对聚乳酸纤维的吸放湿性能、润湿性能进行了测试分析和探讨，了解到聚乳酸纤 维虽然吸湿性较差，但散湿速度快，并且纤维具有较大的表面能，润湿性能好， 导湿速度快。 其次，对聚乳酸纤维织物的湿传递性能进行了较为深入的研究。通过采用 1 4 5 r e x 的纯聚乳酸纤维纱线、聚乳酸纤维棉( 5 0 5 0 ) 混纺纱和纯棉纱，织造了 5 4 块结构参数不同的纯聚乳酸纤维织物、聚乳酸纤维棉混纺织物和聚乳酸纤维 棉的交织织物。并对织物的各项湿传递性能：透湿性能、透气性能、表面润湿性 能、导湿性能和散湿性进行了测试，分别研究探讨了织物原料以及织物的各个基 本结构参数( 织物紧度、厚度和克重等) 与织物湿传递性能的关系。 最后，通过狄色关联分析得到了聚乳酸纤维织物的各基本结构参数对织物各 项湿传递性能指标的影响。并设计丌发出了几种具有吸湿快干和吸湿透气性能的 聚乳酸纤维织物。 关键词：聚乳酸( p l a ) 纤维，湿传递性能，吸湿快干性，织物结构参数 a b s t ra c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d ，t h e yf o c u so nt h e i rh e a l t ha n d e n v i r o n m e n t a saf i b e rm a d ef r o mn a t u r a lg l u c i d e ，s u c ha sc o r n ，b e e t ，p l ah a sb e e n b e c o m et h en e wk i n do ff i b e rw i t hg o o dp r o p e r t i e so fb i o c o m p a t i b i l i t y , d e g r a d a b i l i t y , e x c e l l e n tw i c k i n ga n du v i o r e s i s t a n t m e a n w h i l e ，w i t hp e o p l ep a y i n gm o r ea t t e n t i o nt o c l o t h i n gc o m f o r t ，e s p e c i a l l yt h o s et e x t i l e s w i t hg o o dc o n f o r m a n c eo ft r a n s f e r r i n g h u m i d ，i ti sa ni s s u et h a th o wt od e v e l o pf r i e n d l ye n v i r o n m e n t a la n de x c e l l e n tt h e p e r f o r m a n c eo ft r a n s f e r r i n gh u m i d t e x t i l e si nn e wt e x t i l em a t e r i a l s t h i sp a p e rm o s t l y a i m sa td i s c u s s i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft r a n s f e r r i n gh u m i do fp l a f i b e ra n dt e x t i l e s ， t h r o u g ha n a l y s i s ，s u i t a b l ea p i e c eb a s i cs t r u c t u r ep a r a m e t e r so fp l a f a b r i c sh a sb e e n f o u n da n dw e t a b s o r ba n df a s t d r yt e x t i l e sh a sb e e ns u c c e s s f u l l yd e v e l o p e d f i r s t l y , s t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c eo fp l a f i b e rh a v eb e e nt e s t e da n da n a l y z e d w h a t ，sm o r e i th a sd i s c u s s e da b s o r ba n dr e l e a s eh u m i d i t yp r o p e r t y , w e t t a b i l i t y p r o p e r t y i ts h o w st h a tw e tp e r m e a b i l i t yo fp l a f i b e ri su n s a t i s f a c t o r yw h i l es p e e do f w e td i s s i p a t i o ni sf a s ta n di th a sg o o dw e t t a b i l i t ym o i s t u r ec o n d u c t i v i t yd u et ol a r g e r s u r f a c ee n e r g y s e c o n d l y , i th a sr e s e a r c h e d t h ep e r f o r m a n c eo ft r a n s f e r r i n gh u m i dd e e p l y 5 4 p i e c e so fp l aw e a v i n gf a b r i c ，p l a c o t t o na n dp l a c o t t o n i n t e r t e x t u r ef a b r i cw i t h d i f f e r e n ts t r u c t u r ep a r a m e t e r sh a v eb e e nw e a v e db y1 4 5 r e xp l 气y a r n ，p l v c o t t o n ( 5 0 5 0 ) b l e n d i n gy a r na n dc o t t o ny a m p r o p e r t i e s ，s u c ha s ，w e tp e r m e a b i l i t y a i r p e r m e a b i l i t y , w e t t a b i l i t yp r o p e r t y , m o i s t u r ec o n d u c t i v i t y , w e td i s s i p a t i o n h a v eb e e n t e s t e da n dd i s c u s s e dr e l a t i o no ft h ep e r f o r m a n c eo ft r a n s f e r r i n gh u m i d b e t w e e nt e x t i l e m a t e r i a l sa n da p i e c eb a s i cs t r u c t u r ep a r a m e t e r s ( t i g h t n e s s 、t h i c k n e s sw e i 曲t ，e t c ) r e s p e c t i v e l y f i n a l l y ，i th a sf o u n dt h ei n f l u e n c eo fa p i e c eb a s i cs t r u c t u r ep a r a m e t e r so nt h e p e r f o r m a n c e o ft r a n s f e r r i n gh u m i di n d e xb yg r e yr e l a t i o n a lg r a d ea n a l y s i s b e s i d e s ， p l af a b r i c sw i t hw e t a b s o r ba n df a s t - d r yp r o p e r t yh a sb e e nd e v e l o p e d k e y w o r d s ：p o l y 1 a c t i c - a c i df i b e r ，t h ep e r f o r m a n c eo ft r a n s f e r r i n gh u m i d ， w e t a b s o r ba n df a s t - d r y ，f a b r i cs t r u c t u r ep a r a m e t e r s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼王些太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同心- - a = 对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者虢3 褫咔签字隅豸年1 月i 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天津工业大学有关保留、使用学位论文的规定。 特授权天津工业大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：昌露婿 导师签名： 、 签字同期： 曙年月，7 f 1 一期：伊，月7 同 学位论文的主要创新点 一、对聚乳酸纤维纯纺、混纺、交织平纹织物的湿传递各项性能，即透湿性能、 透气性能、表面润湿性能、导湿性能和散湿性能进行了测试分析，找出了聚 乳酸纤维织物的结构参数与织物湿传递性能的关系。 二、采用灰色关联度分析方法，综合分析出了聚乳酸纤维各织物结构参数对其湿 传递性能的影响程度。 三、依据聚乳酸纤维湿传递性能与其结构的关系，设计开发出了具有吸湿快干性 能的聚乳酸纤维机织织物。 第一章概述 1 1 聚乳酸纤维概述 第一章概述 聚乳酸( p o l y 1 a c t i c a c i d ) ，简称p l a ，是以乳酸为主要原料聚合所得到的高分 子聚合物。2 0 0 2 年，美国联邦贸易委员会( v r c ) 把聚乳酸纤维划归为一类新的纤 维，即是由谷物、甜菜中的天然糖类得到的聚乳酸酯制成的合成纤维。聚乳酸纤 维具有良好的性能：( 1 ) 良好的生物相容性和安全性，可在自然环境中降解， 属于生物可降解纤维：( 2 ) 比重小，拥有真丝般的光泽，优良的芯吸效应；( 3 ) 良好的阻燃性、耐气候性、染色性及抗紫外线性能。因此，有专家预测，聚乳酸 在未来的几年中将得到巨大的发展，预计在未来的5 1 0 年内随着我国聚乳酸制 备技术的逐渐成熟，我国聚乳酸纤维的市场需求量至少可以达到1 0 0 万吨年以 i - 。 1 1 1 聚乳酸纤维的研究开发 目前，人们对聚乳酸纤维的研究开发【1 卜1 6 1 ，大多放在聚乳酸纤维的纺制工艺 ( 纤维的分子的聚合方法、生产工艺等) 和染色工艺上( 染色所用染料、染色工 艺条件、染色对于纤维性能的影响等) 。对于聚乳酸纤维的纺制，目前主要采用 溶液纺丝法和熔融纺丝法。溶液纺丝所得的纤维性能虽优于熔融纺丝，但后者不 需溶剂和溶剂回收处理装置，对环境无污染，成本低，所以目前各国的研究开发 主要放在熔融纺丝上。到现在为止，国外己相继丌发出了商品名为v i c a r a ( 美国 维吉尼亚卡罗来纳化学公司) 、l a c t r o n ( 日本岛津与钟纺公司合作) 、n a t u r ew o r k s ( 卡吉尔道公司) 、s o r o n a ( 美国杜邦和g e n e n c o r 公司合作) 的聚乳酸纤维 ( 织物) 。在我国，对聚乳酸纤维的研发起步较晚，从2 0 世纪8 0 年代术才开 始进行有关聚乳酸的研究，迄今为止，对聚乳酸纤维的研究主要还在纤维聚合和 产业化方面。9 0 年代曾对丙交酯、乙交酯共聚物进行熔融纺丝研究，并以淀粉 为初始原料合成了聚乳酸树脂并试制成纤维，上海华源股份有限公司研制开发了 聚乳酸纤维加弹丝和拉伸丝，上海第十化纤厂目前同c d p 公司共同探讨丌发聚 乳酸短纤维产品。在纤维染色方面，美国n e b r a s k a 大学的s e s c h e y e r 和 y i q i y a n 9 1 7 l 等科学家对不同结晶度的p l a 纤维作染色研究，提供上染率以及上 染率与染料、纤维结构、染色条件的关系；j l u n t 和j b o n e 进行了p l a 工业化 应用的研究【8 1 ，n a k a m u r a 等研究了p l a 织物采用偶氮和葸醌分散染料的日晒牢 第一章概述 度；l o w e 和n e g u l e s c u 报道了p l a 在分散染料染色中的形态结构特征；b o m m u 等探讨了热定形对p l a 的可染性和结构性能的影响钱红飞【9 】研究了聚乳酸纤维 通过对分散染料的染色工艺染料温度、p h 值、时间及助剂等改变从而提高上染 率。 1 2 聚乳酸织物的研究开发 目前，随着聚乳酸纤维研究的深入和生产的日益成熟，p l a 纤维织物在非 织、产业用、装饰用、服用【1 0 l - 【1 1 】等方面得到了一定程度的应用。 在工业用方面，通过将聚乳酸纤维干法、纺粘法和熔喷法等成网，用水刺、 针刺或热粘合等方法加固，制成各种形式的非织造1 1 2 l 产品，其制品在工业、农 业等领域应用。目前已有商品名为t e r r a m a c ( 日本尤尼吉卡公司) 、d e p o s a ( 法 国f i b e r w e b 公司) 的非织造布，以及专利“聚乳酸树脂和由其构成的纤维制品 及纤维制品的制造方法”( 申请号0 0 8 0 9 1 1 0 1 2 0 0 8 ) 记载了以聚乳酸为原料的纤维 制品，其长纤维无纺布制品的平均纤维细度为1 4 u m - - 4 1 u m ，2 0 0 4 年东华大学研 制了超细聚乳酸纤维非织造布，平均纤维细度为2 1 7 u m 一9 1 0 7 u m 。 在家用方面，聚乳酸纤维的u v 稳定性、发烟量少、燃烧热低、以及其优异 的弹性等特点使其在家用装饰市场具有吸引力，适宜作室内悬挂物、装饰品、面 罩、地毯等织物，目前已有相应的产品进入市场。另外，聚乳酸纤维应用于填充 件也受到了人们的重视。 在服用方面，由于p l a 纤维具有良好的形状保持性，当与棉花混纺时，具 有涤棉混纺织物的性能；由于p l a 纤维折射率较低，所以具有较好的光泽度， 不会产生刺眼的光泽，而且其手感与丝十分相似，其长丝十分类似真丝。由于 p l a 纤维具有吸湿、吸水性能，并能迅速干燥，与羊毛混纺时，能保持良好形 状，抗皱性强。p l a 纤维还可用于t 恤、茄克衫、外衣、礼服等；由于p l a 纤 维有蓬松的手感，对皮肤不发粘，没有任何刺激，接触皮肤有干燥感，也很适合 制作运动服。 由于我国对p l 气纤维的研究较晚，因此对聚乳酸纤维织物的研究程度则涉 及很少而且程度很浅，仅限于一般机织物面料的开发上，而针对聚乳酸纤维优良 的特性如芯吸性而设计的机织物则鲜见报道。随着人们环保意识、能源意识的不 断加强，聚乳酸纤维这种利用天然原料生产的生物降解纺织材料必将受到人们更 多的重视。目前，人们对于这种纤维及其织物的研究尚不够深入，而由于聚乳酸 纤维良好的芯吸性能，人们已经开始对其湿传递性能大为关注，并期望其在吸湿 快干方面有更好的应用。我们期待在不久的将来，随着原料成本的降低和产量的 增加，聚乳酸织物将有更多更好的用途被开发出来，最终将取代聚酯、尼龙织物， 第一章概述 在人们的日常生活中得到广泛的应用。 1 2 吸湿快干织物概述 随着人们生活水平的不断提高，人们开始越来越关注自身的健康与生存环 境，舒适性功能纺织品的开发和研究是当前纺织品发展的一大趋势，吸湿快干织 物面料由于具有优良的热湿传递性能，已经愈来愈受到国内外纺织品市场的青 睐，成为当前国内外竞相研制和开发的热点。 我们知道，织物的湿传递性是服用纺织品和某些工业用纺织品的重要性能之 一。这是由于织物的湿传递性能直接关系到织物吸附储存释放水汽及排汗透汽的 能力。服装材料的湿传递性包括了透气性、透湿性、吸湿性、吸水性、润湿性、 导湿性、散湿性等。透气性是指空气透过织物而通过的性质。它主要取决于织物 的空隙率和厚度等指标。透湿性是指气相水分织物内外的水蒸气压差，而通过纤 维与纤维间的空隙、纱线与纱线间的空隙散出的性质。吸湿性是指纤维表面或内 部吸附或吸收气相水分的特性。吸水性是指纤维与纤维间的空隙、纱线与纱线间 的空隙影响衣料吸收或吸附液相水分的性质。衣料吸水性包含吸水速度和平衡吸 水量两方面内容。由于吸水性主要靠毛细管现象，故纤维的表面状态、纱线捻度、 织物密度、织物组织、后加工处理等结构特性比纤维种类更能影响吸水性。吸水 性较高的纤维，当出汗量未超出衣料吸水能力时可感到较舒适，当出汗量超出吸 水能力时就会觉得湿闷不适。 吸湿快干织物【1 3 j f 是通过调节服装与皮肤表面间的水分及温度之间的关系 即服装内微气候、服装与皮肤接触时的压力或触感，从而改善贴身服装的舒适性， 因此吸湿快干织物也被称为“可呼吸织物”。吸湿快干织物的出现，使人们对纺 织品热湿舒适性方面的要求得到满足，突出表现在人体在特殊环境或活动中如大 量活动后会出现汗流浃背的情况时，该种织物能够迅速将汗液导出而不会粘贴在 肌肤上使人体产生湿冷等不舒适感。 目前，吸湿快干织物的获得主要通过三种渠道获得，一种是通过采用吸湿快 干纤维直接织造。吸湿快干纤维| 1 4 j l l 5 j 是对化学纤维进行物理或化学改性如原料 共混、双组分复合、改变喷丝孔形状进行纺丝，从而使其具有吸湿快干性能。如： 日本东丽公司采用共聚的方法制备p e t 和p a 6 的嵌段共聚物，再与p e t 共混纺 丝，制成共混纤维；f 1 本可乐丽公司采用双组分复合共纺，将e v o h ( z _ , 烯一乙烯 醇共聚物) 和聚酯制成双组分皮芯型的复合纤维s o p h i s t a 纤维，纤维的表层为 具有亲水性基团( o h ) 的e v o h ，芯层为聚酯纤维，分别起亲水吸湿和导湿的作 用；美国杜邦公司通过改变喷丝孔形状而制得c o o l m a x 纤维，纤维的界面呈“十一 第一章概述 字形，其纵向产生了许多沟槽，纤维通过这些沟槽的芯吸效应使纤维的导湿性能 得到提高，并使纤维之间产生较大的空隙，织成的织物具有良好的毛细效应，加 快水分的扩散，润湿蒸发面积增大，水分的扩散和干燥速度提高，而具有良好的 吸湿和导湿性能。日本东洋纺采用聚合方法利用化学链接的方式，将具有亲水基 团的聚丙酸酯粉末连接到聚酯纤维上，从了开发出了e k s l i v e 纤维，由于亲水基 团，所以增加纤维对水分子的亲和性，从而增强吸湿快干性。第二种是通过复合 的纱线结构获得吸湿快干性能，常见的是将纤维素纤维与聚酯纤维的特性相互结 合制成复合纱线织造成面料( 如：日本东洋纺公司开发的多层结构纱线，这种多 层结构纱线的最内层是疏水性长丝，中间层是亲水性短纤维，最外层为疏水性复 丝，可以控制由于大量出汗引起的粘黏感和湿冷感) ；第三种是通过特殊的组织 结构使织物面料具有吸湿快干性能。如：使织物内层( 靠近肌肤一侧) 用较粗纤 维形成粗网眼，织物外层( 织物外侧) 则配置较细的纤维形成细网眼，通过这种 织物结构使汗水可以迅速向外部释放。这种织物组织设计思路来源于模拟杉树 ( 高达2 0 米) 能从根部吸收水分到树梢的毛细管现象。目前日本东丽公司、帝 人公司已经在设计开发该类织物面料。 1 3 课题研究的内容和意义 1 3 1 课题研究的意义 目前，随着人们生活水平的不断提高，人们户外休闲活动和健身运动更加普 遍，从而对服装舒适性的要求越来越高，尤其是对那些具有良好湿传递性能的服 装面料需求不断增加。市场上的吸湿快干织物产品的原料大多使用聚酯纤维，普 通的聚酯纤维的回潮率低，不具备吸湿快干功能，一般需要经过化学或物理改性 等方法使其拥有该性能。但是在石油资源紧张的今天，聚酯纤维的过度使用势必 导致石油f 1 益匮乏，随之而来的是聚酯纤维成本升高；与之相比，聚乳酸纤维则 具有以下四方面的优点：a 环保方面：聚乳酸纤维原料以可再生植物为原料，是 一种绿色的、可再生环保型、资源型纤维，具有较高的经济价值，符合当今社会 发展的要求：b 舒适方面：纤维呈弱酸性属亲肤材料且弹性好，织物穿着舒适； c 经济方面：聚乳酸纤维目前造价较高，但据业内专家预测，该纤维在形成规模 化生产后，价格与聚酯纤维类似；纤维的初始模量低，织成相同大小面料的用量 比聚酯纤维的重量少，故面料成本还可以更低；d 聚乳酸纤维本身具有的抗紫外 线、抗菌性等性能，会给产品带来附加价值，不用进行相关的后整理，可以降低 成本和减少环境污染。因此，研究聚乳酸纤维的湿传递性能，从而利用聚乳酸纤 维代替聚酯纤维设计开发吸湿快干织物面料，具有广阔的利用前景。 第一章概述 尽管聚乳酸纤维具有良好的芯吸性能，但由于其吸湿性能较差，单纯使用聚 乳酸纤维制织的织物吸湿性能较差。为了解决这一问题，本课题在深入探讨聚乳 酸纤维湿传递性能的基础上，通过研究织物结构因素对聚乳酸纤维织物湿传递的 影响，确定出最优的织物组织结构，开发出具有吸湿快干性能机织面料，以填补 国内市场空白。 1 3 2 课题研究的内容 本课题拟通过对聚乳酸纤维的结构及性能进行研究，了解该纤维的湿传递机 理以及综合性能；并通过研究聚乳酸纤维织物的各结构参数与其湿传递性能的关 系，了解织物结构参数对聚乳酸纤维织物吸湿快干性能的影响，掌握聚乳酸纤维 织物的湿传递的综合性能，进而找到最合适的织物结构参数，从而丌发具有良好 吸湿快干性能的机织物。 主要内容包括： 1 对聚乳酸纤维结构及性能进行测试分析。 2 对聚乳酸纤维的吸湿、放湿、吸湿膨胀等性能进行测试分析，从而对聚乳 酸纤维湿传递机理进行研究。 3 进行聚乳酸相关织物的织造，并研究织物各结构参数与聚乳酸纤维织物吸 湿性能、润湿性能、导湿性能、散湿性能以及透气性能的关系。 4 通过织物结构与织物吸湿快干性能的关系，采用灰色关联分析确定影响聚 乳酸纤维织物吸湿快干性能的最主要因素。 5 卡艮据测试分析结果，确定用聚乳酸纤维进行吸湿快干织物织造的最佳结构 参数。 第二章聚乳酸纤维结构与于牛能研究 第二章聚乳酸纤维结构与性能研究 21 聚乳酸纤维结构 211 聚乳酸纤维的超分子结构 聚乳酸纤维存在三种晶型、b 、y ，其形成主要依赖热处理或加t 上艺， 在外场作用下可以相互转变。通常情i 兕下，a 品可以从熔体、溶液中或在低的拉 伸温度和拉仲速率下进f j 溶液纷丝行到7 i ，f l 品为准正交品系，其品胞参数为 a = l 10 7 n m , b = 06 4 5 n mc = 27 8 n m i ”】。b 品的产生土要是通过。经机械拉伸得到 1 1 9 1 1 驯，或在高温或高拉伸速率下得到l “i ，b 晶为三方晶系，其晶胞参数为 a = b = 10 5 2 n m ，c = o 8 8 n m 。而v 晶是儿l a ( 左旋聚乳酸) 在六甲基苯上外延生 长得到的，y 品分子模型与月晶类似，晶胞参数为a = o 9 9 5 栅，b = o6 2 5 n m ， 08 8 n m i 。i 。 辩试套藏：城 曼 0 品y 品 崮2 - 1a 品、b 品、y 晶结构示意1 生i 212 聚乳酸纤维的形态结构 利用切片器制做纤维横截面切片标样每片厚度为2 0um 同时制做纵向标 样用j s m - 5 6 1 0 1 型扫描电予显微镜观察其形貌特征。得到聚乳酸纤维的横截面 及纵向形态的显儆镜照h 如图2 2 。e l l m , d n ，聚乳酸纤维的横械而呈尉形，纵 f | 表面光册，一：* 有卷曲。 第二章聚乳酸纤维结构与性能研究 横截面形态缴向形态 阿2 - 2 聚乳酸纤维横截而及纵向形态酗 22 聚乳酸纤维的性能 221 聚乳酸纤维长细度 按照标准g b t1 4 3 3 6 1 9 9 3 台成短纤维长度试验方法测试聚乳酸纤维长 度、细度。使用仪器为j n - b 型扭力天甲及投影仪，在温度为2 0 _ + 2 c ，帽刘温度 6 5 1 3 的条件下进行测试。采用中段切断称重法测量长度和细度，超长、倍长及 疵点的测试则是粟用手扯试样5 遍后用j n b 型扭力天平分别称取所t j j 断的辑音f ： 分纤维的重量。测试结果见表2 - i ： 袁2 - 】聚乳酸纤维的基本状况 洲试鲑k 应细度细度不匀倍k 纤维 超k 纤维 ( m m )( d t e x ) 率( )( )( ) ( m 1 0 0 9 ) 测试结m1 5 “0 0 02 4 0 2 22 聚乳酸纤维力学性能 按照标准g b t1 4 3 3 7 - 1 9 9 3 合成短纤维断裂强力及断裂伸长试骑方法采 用y g 0 0 1 型电子式单纤维强力仪，在环境温度2 4 。c ，相对湿度5 8 的条件下进 行女0 试。电子纤维强力仪的参数为：预加张力01 0 n r e x ，央持陡度2 0 r a m ，拉伸 速度9 r a m r a i n 。测试结果见表2 - 2 ： 山f 聚乳酸纤维的杨氏模量比较小，敛纤维柔性较好：强度略低f 涤纶和锦 纶纤维，但断裂仲k 率较大：_ i r j 二细度不匀率较大，从而导致其断裂强力币匀率 和断裂仲k 不匀率也较大。 第二章聚乳酸纤维结构与性能研究 表2 2 聚乳酸纤维的力学性能 纤维类型 p l ap e tp a 纤维规格1 5 4 d t e x x 3 7 8 4 m m1 6 7 d t e x x 3 8 3 2 m m1 6 7 d t e x x 3 8 9 6 m m 比重( g c m 3 ) 1 2 71 3 8 1 1 4 断裂强力( c n )5 0 47 9 67 5 5 断裂强力不匀率( ) 1 4 0 44 j 06 3 0 断裂强度( c n t e x ) 3 2 75 2 44 8 7 断裂强度不匀率( )1 4 1 5 5 3 07 6 0 断裂伸长率( )5 2 23 2 24 7 8 断裂伸长率不匀率( ) 2 0 0 58 9 61 2 3 2 杨氏模量( k g m m 2 ) 4 0 0 6 0 01 2 0 03 0 0 2 2 3 聚乳酸纤维的卷曲性 纤维卷曲是纺织纤维不可缺少的性质之一，它对化学纤维的可纺性及织物成 品有明显的影响。纤维的卷曲可以在短纤维纺纱时增加纤维之间的摩擦力和抱合 力，还可改善纤维弹性和纤维集合体的蓬松性，使织物柔软丰满，具有良好的抗 皱性与保暖性和织物光泽。 按照国家标准g b t1 4 3 3 8 1 9 9 3 合成短纤维卷曲性试验方法，使用 y g 3 6 2 a 型卷曲弹性仪在温度2 0 2 ，相对湿度6 5 3 的条件下进行测试，仪 器参数为：轻负荷0 2 8 m g ，重负荷1 1 6 m g 。测试5 次的平均值为：卷曲数为1 2 3 个2 5 r a m ，卷曲度为9 1 ，卷曲回复为7 9 ，卷曲弹性率为8 7 5 6 。 2 2 4 聚乳酸纤维的弹性回复性 使用y g 0 0 1 a 单纤维电子强力仪，在温度2 0 2 。c ，相对湿度6 5 3 的条件 下进行测试，测试结果见表2 3 ： 表2 - 3 常见纤维弹性同复性比较 施加一定外力后的同复性 纤维种类 施加外力产生施加外力产生施加外力产生 2 变形5 变形1 0 变形 聚乳酸纤维 9 99 26 3 棉纤维 7 55 22 3 涤纶纤维 8 86 55 1 粘胶纤维 8 23 22 3 羊毛纤维9 96 95 1 锦纶纤维 1 0 08 95 0 腈纶纤维 1 0 08 94 3 第二章聚乳酸纤维结构与性能研究 从测试结果可知，聚乳酸纤维具有优良的弹性，尤其是当施加外力较大条件 下，当施加外力产生1 0 变形时，聚乳酸纤维的弹性回复率是棉纤维的3 倍，也 明显高于其他种类纤维。 2 2 5 聚乳酸纤维导电性能 按照标准g b t1 4 3 4 2 1 9 9 3 合成短纤维比电阻试验方法使用y g 3 2 1 型纤 维比电阻实验仪在温度2 0 2 ，相对湿度6 5 3 的大气条件下进行纤维导电性 能测试。测得的纤维平均电阻r = i 8 2 x 1 0 8 0 ，根据公式p 。，rx m 1 2 1 2 4 】求得的 质量比电阻为6 8 3 x 1 0 8 0 。从结果可以看出：虽然聚乳酸纤维的回潮率低，吸湿 性较差，但是聚乳酸纤维质量比电阻较大多数合成纤维要小，因此在纺纱中不易 产生静电，具有较好的可纺性。 2 2 6 聚乳酸纤维的热学性能 按照f z 御1 0 5 7 2 1 9 9 9 纺织纤维鉴别试验方法燃烧试验方法进行测试， 聚乳酸纤维在燃烧过程中，具有如下现象： 靠近火焰时有熔缩现象； 在火焰中熔缩燃烧，火焰以红色为主，边缘呈蓝色，燃烧平稳，火焰无 跳动，无黑烟； 燃烧时有淡淡的香甜味； 离开火焰，继续燃烧，有黑色珠状物滴下； 残留物呈黑色块状，很脆，用手很容易碾碎为粉术状。 常见的三种常见纤维热学性能的比较见表2 4 ： 表2 4 二种常川纤维热学性能对比 纤维类刑 p l 气p e t棉 熔点( ) 1 7 5 2 5 0 玻璃化温度( ) 5 7 8 0 极限氧指数( ) 2 4 2 62 0 2 21 6 1 7 烟气产生( m 3 k g ) 5 33 7 96 2 燃烧生热( m j k g ) 1 92 31 7 白熄时间( r a i n ) 2 2 86 2 04 5 0 可知，聚乳酸纤维的玻璃化温度和熔点较低，明显低于普通涤纶。其熔点随 聚乳酸纤维中d 型异构体的含量而变化，纤维的结晶度越低，其熔融温度也越 低。改变两种异构体在聚乳酸纤维中含量的比例，可以使纤维的熔融温度在 第二章聚乳酸纤维结构与性能研究 1 3 0 1 7 56 c 之间变化嘲。聚乳酸纤维的极限氧指数最接近2 7 ，其在燃烧过程中， 聚乳酸纤维的烟气排放量仅是聚酯纤维的1 7 ，且燃烧热值低，与涤纶和棉纤维 相比，聚乳酸纤维难燃，且易自熄，火灾危险性小。 2 2 7 聚乳酸纤维的耐紫外性能 紫外线u v 是太阳辐射波的组成部分，是电磁波谱中波长为0 0 1 0 4 0 u r n 的 辐射总称，根据辐射对生物的作用不同，分为a 、b 、c 三个波段。其中0 3 2 0 4 0 u m 的辐射称作u v a , 这部分波长的紫外辐射对人体有杀伤作用，可以晒黑皮肤、 出现皱纹、加速皮肤老化；o 2 8 0 3 2 u m 的辐射称作u v b ，这部分紫外辐射更能使 皮肤灼伤、变红、出现水泡；o 0 1 0 2 8 u m 的辐射作称u v c ，这部分辐射最严重， 可导致皮肤癌。但是u v c 基本上被大气上层的臭氧层所吸收，对人类产生影响 的主要是u v a 和u v b 的综合作用。而当紫外线照射到服装上时，织物会吸收、 反射部分紫外线，还有一部分会透过织物照射到人体，会对人体皮肤造成伤害。 评价防紫外线性能的指标主要有两个1 2 6 j ：防晒因子( s p f ) 和紫外防护因子( u p f ) 。 其中s p f 主要用于化妆品的防晒力一面，评价纺织品的防晒效果时开始亦采用 s p f ，之后找出了更专业化的防晒指数u p f 进行评价，现己在业界得到广泛的认 可。 根据标准a a t c c l 8 3 1 9 9 8 方法计算紫外线遮挡系数u p f 值，u p f 值，紫 外线透过率t u v a 、t u v b 的值： 4 0 一o h m ：( bx s 。a ) 研下；杂篮l 一 ( 2 1 ) ：( s 。l a x ) ，基( b a ) 7 如= 业而一 y a 3 熊 。掣 2 觎 x a ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) 织物抗紫外线测试：按照标准a a t c c1 8 3 1 9 9 8 1 矧，使用英国s d l 的m 3 5 0 紫外分光光度计( m 3 5 0u v v i s i b l es p e c t r o p h o t o m e t e r ) 上进行测试。试样裁取 5 c m 5 c m 样品各3 块，试样应保持干燥平整。测试得到纯聚乳酸纤维织物的 t u v a = 8 3 9 、t o v a = 9 4 2 ，u p f = 1 3 可见，聚乳酸纤维具有良好的抗紫外线性能。 第二章聚乳酸纤维结构与性能研究 2 2 8 聚乳酸纤维的服用安全性能 对纺织品p h 值的测试是国家强制性标准g b1 8 4 0 1 2 0 0 3 国家纺织产品基 本安全技术规范中的一个重要生态考核指标，越来越受到国内外消费者的重视。 由于人体皮肤带有一层能够防止疾病入侵的弱酸性物质，因此当纺织品的p h 值 在4 - 7 ( 中性至弱酸性) 时对皮肤最为有益。该标准对各类纺织品的p h 值限定 为：a 类婴幼儿用品4 0 7 5 ；b 类直接接触皮肤的产品4 o 7 5 ；c 类非直接接触 皮肤的产品40 - 9 0 。 测试原理：水溶液的p h 值是以水溶液中氢离子活度的负对数值来表示酸度 的方式，即：p h = 一l g a 。由于溶液中氢离子活度的数值很小，所以用p h 值来 表征溶液的酸碱度，氢离子活度的负对数值能够表示出酸、碱性的变化幅度数量 级的大小。 参照标准g b t7 5 7 3 2 0 0 2 纺织品水卒取液p h 值的测定，使用p h 3 3 b 高精度p h 计对聚乳酸纤维进行测试。使用p h 计测定溶液的p h 值主要根据电 位测定法进行测试。经过试验所得的聚乳酸纤维p h = 6 0 ，可以知道，聚乳酸纤 维自身满足标准所规定的作为贴身服用织物的条件，具有亲肤、安全性能。 第三章聚乳酸纤维的湿传递性能研究 第三章聚乳酸纤维的湿传递性能研究 纺织材料的吸放湿性作为一项重要的性能，影响到纺织生产、后整理加工过 程及以后的穿着舒适性等方面。纤维的含湿量随所处的大气条件的变化而变化。 将纺织材料置于给定的大气条件下，它会以一定的速率逐渐吸收或失去水分，直 到获得新的平衡。这是一种相对的动态平衡，即单位时间内纤维内部向大气蒸发 的水分子数量同大气中水分子凝聚到纤维中的数量相等。本章通过对聚乳酸纤维 的吸放湿性能、润湿性能等进行了测试分析，从而研究和了解聚乳酸纤维的湿传 递性能。 3 1 聚乳酸纤维的吸湿性能 3 1 1 测试条件与方法 一、测试条件 试验标准：参照标准g b 厂r1 4 3 4 1 1 9 9 3 合成短纤维回潮率试验方法 试验仪器：y 8 0 2 恒温烘箱、y g 7 5 1 恒温恒湿箱、万分之一电子天平。 试验条件：温度为2 0 2 ，相对湿度为6 5 3 。 二、测试方法 1 吸湿实验： 将试样在4 0 5 0 低温烘箱内预烘0 5 1 小时，使纤维的回潮率大大低于其 标准回潮率。在恒温恒湿室内，称取试样的初始重量，尽量使试样保持蓬松状态， 每隔五分钟记录一次纤维重量，直至纤维达到吸湿平衡。将试样烘干，称取干重， 计算回潮率。 2 放湿实验： 将试样放入底部盛有水的器皿内，密封放置在环境温度为3 0 。c 的环境下，( 使 试样处于相对湿度为l o o 雕j 环境中) ，放置平衡2 4 小时，使试样达到吸湿平衡。 在恒温恒湿室内，称取试样的初始重量，尽量使试样保持蓬松状态，每隔5 分钟 记录一次纤维重量，直至纤维达到放湿平衡。将试样烘干，称取干重，计算回潮 率。 第三章聚乳酸纤维的湿传递性能研究 3 1 2 测试结果及分析 一、聚乳酸纤维的回潮率 表3 - 1 是相同实验条件下，测得的聚乳酸纤维、涤纶( p e t ) 纤维、锦纶( p a ) 纤维的回潮率。 表3 - 1 纤维回潮率对比 l纤维类型 p l ap e t p a 回潮率( ) 0 5 20 3 13 1 7 由表中数据对比可知，聚乳酸纤维的回潮率和涤纶纤维接近，都比较低。这 是因为其纤维大分子链没有亲水基团，同时，纤维截面呈圆形，纵向光滑、结构 致密，没有微孔和缝隙，因而吸湿率较低。但是由于聚乳酸大分子上的极性氧基 团易与水分子结合，所以聚乳酸比大多数热塑性聚合物( 如涤纶、锦纶) 的亲水 性更好一些。 二、聚乳酸纤维吸放湿测试结果及曲线图 p l a 纤维吸湿量和放湿量随时间变化情况见图2 3 、2 4 ( 相关的测试数据见 附录) 。图中以聚乳酸纤维的吸、放湿量作为因变量y ，以时问作为自变量x ， 得到相关关系曲线图： 吸湿量 图2 3 吸放湿时间与吸湿量的关系曲线 吸湿时间( s ) 第三章聚乳酸纤维的湿传递性能研究 放湿量( g ) 图2 4 放湿时间与放湿量的关系曲线 放湿时间( s ) 可以看出，纤维在整个吸( 放) 湿过程中的吸( 放) 湿速率不断变化：在刚开始吸 ( 放) 湿时，纤维吸( 放) 湿速率最大，随着时间的延长，纤维含湿量得不断增加 ( 减小) ，纤维吸( 放) 湿速率呈指数形式衰减，当纤维达到吸( 放) 湿平衡时，其吸( 放) 湿速率降至最小，趋近于零。这是由于，纤维中的水分子的传递作用受到吸湿放 热的影响。在丌始阶段，大气中的水汽压力使水分子进入纤维，纤维的回潮率变 大，与之同时，纤维吸湿放热，温度升高，纤维中水汽压力增大，导致进入纤维 的水汽分压梯度减小，水分子进入纤维的速度减小，吸湿变慢1 2 9 1 。在水气压力 与吸湿放热的共同作用下，纤维总体的回潮率呈平稳上升趋势。 ( 3 ) 聚乳酸纤维吸放湿速度回归方程的建立 根据纤维吸湿平衡原理，可以将纤维吸湿现象作简易假设，即假设水分子通 过空气扩散逐渐到达纤维之间及纤维内部而吸湿。如果在给定介质中水分子浓度 各处是变化着的，则水分子将从高浓度区向低浓度区扩散或渗透，直到水分子浓 度分布均匀为止。由费客方型3 0 1 的扩散物质通过面积为a 的垂直于浓度梯度竺 的质量转移速率监，如下 d ， 生。一d a 丝( 3 1 ) d 缸 其中： 第三章聚乳酸纤维的湿传递性能研究 珍扩散系数 对于本章实验，水分子向纤维扩散的情况可简单地用下列模型表示( 如图2 - 5 所示) 。即其效应相当于水分从浓度c o ( 恒温恒湿箱) 向在时刻t 时平均浓度为c 的接受体( 纤维) 扩散的情形【3 1 1 。在这种情况下存在下面的关系式： 鲁i d m 卟塞) 卟( c _ c 0 ) 】 ( 3 - 2 ) 或： l。一dt(3-3) _ _ 。一j 。一 c c n f 其中：了为常数。 假定初始条件t = 0 时，c = o 。对上式进行积分，得到： 一i n ( c c o ) ：三一l n c o ( 3 4 ) f 推出： c = , c o o e 。厅) ( 3 5 ) 图2 5 水分子扩散模型 至此我们可以得出，在上述假定的条件下纤维吸湿( 或放湿) 的理论曲线( 在平 衡过程中回潮率和时间的关系曲线) 应该是指数曲线。因此，我们将回潮率对时 间的回归方程的通式确定为： w = a e d ( 3 6 ) 式中：w 一回潮率 t 时间 通过s p s s 软件，对试验结果进行指数曲线拟合，以时间作为自变量x ，聚 乳酸纤维的放湿量作为因变量y ，分析纤维回潮率与时间之间的关系。得到纤维 放湿量与时间的相关曲线方程为： 帚。1 6 5 4 8 1 e 2 血1 0 。7 ( 3 7 ) 第三章聚乳酸纤维的湿传递性能研究 判定系数尺2t0 9 4 8 ，认为纤维的放湿量与时间相关，在给定显著水平 口= 0 0 1 下，只n 厅一2 ) = f o 0 1 0 9 8 ) ，而计算所得，= 1 8 0 2 9 9 7 f o o 。0 ，9 8 ) ，即认 为方程的线性回归显著。 3 2 聚乳酸纤维的润湿性能 3 2 1 纤维润湿机理 润湿是指固体表面上的气体被液体取代的过程，其润湿的情况可以用润湿角 ( 接触角) 来表示。纤维的润湿是指纤维与液体发生接触时的相互作用过程。一 般纤维的润湿性能好，则其导湿性也好，因此，通常用纤维的润湿性能来反映其 导湿性能。 纤维的润湿分为静态润湿和动态润湿。静态润湿即是当液体与纤维表面接触 后，其状态基本上不发生变化而保持稳态的浸润；动态润湿是指液体与纤维接触 后，整个润湿过程中的液固界面在不断地扩展，固液气交汇点在不断地移动。单 根纤维的润湿遵循固体表面的润湿原理1 3 2 。 一、表面张力 表面张力1 3 3 1 是指在与液体表面相切的方向上，垂