（纺织化学与染整工程专业论文）玉石纤维及其面料的性能研究[纺织化学与染整工程专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 玉石纤维在2 0 0 6 年刚刚上市，国内外尚未见有关此纤维的任何研究报导。据生 产厂家介绍，玉石纤维是在涤纶大分子链上接枝共聚含有磺酸基团的第三单体，并 且在纺丝时混入纳米级玉石颗粒的新型改性涤纶纤维。本课题采用光学显微镜、扫 描电子显微镜以及x 射线衍射仪等分析测试手段对玉石纤维的分子结构、形态结构 以及聚集态结构进行了分析和测试。玉石纤维形态结构与涤纶相似，扫描电镜下纵 截面凹凸不平，横截面可以观察出中空微孔结构。 本课题测定了玉石纤维的一系列基本物理指标，如长细度、质量比电阻、结晶 度、摩擦系数，研究了玉石纤维的一系列基本物理性能，如拉伸性能、吸湿性，并 把结构与性能结合进行分析。得出玉石纤维结晶度较低，摩擦系数小，回潮率稍大 于涤纶纤维，质量比电阻比普通涤纶纤维小，抗静电性能优于涤纶。 本课题研究了玉石纤维的耐热性能。通过差式扫描量热法得出的d s c 曲线，发 现玉石纤维的熔点低于普通涤纶纤维，与其较低的结晶度结论相符。 研究玉石纤维的染色性能时，本课题针对玉石纤维为阳离子可染纤维的特点， 采用分散染料和阳离子染料染色，并与普通涤纶和腈纶的染色性能做出对比。得出 玉石纤维用分散染料染色和阳离子染料染色得色鲜艳，有较大的s 值，并且用两 种染料染色上染率都高于涤纶和腈纶。综合考虑分散染料采用高温高压的染色工艺， 对设备要求高，耗能大，为间歇式生产的缺点，优先选用阳离子染料染色工艺。 对玉石棉混纺织物的物理指标和染色特性进行了研究。得出玉石棉混纺面料透 湿、透气性能以及抗起毛起球性能都优于普通涤棉混纺面料。用分散加活性染料染 色体系和阳离子加活性染料染色体系均可取得较好的染色效果。 本课题可以得出玉石纤维作为一种新型的阳离子可染改性涤纶纤维，各方面性能 良好，会有很大的研究价值和广阔的市场推广前景。 关键词玉石纤维；结构；吸湿性；起毛起球性；结晶度；阳离子染料；分散染料； 上染速率 河北科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t j a d ef i b e rh a sj u s tb e e nl i s t e di n2 0 0 6a n dn o ta n yr e s e a r c hr e p o r ta b o u ti tw a ss e e na t h o m eo ra b r o a d a c c o r d i n gt ot h em a n u f a c t u r e r ，j a d ef i b e ri sn e wm o d i f i e df i b e r c o n t a i n i n gt h et h i r dm o n o m e ri np e tf i b e r - c h a i nm o l e c u l e sa n ds p i n n i n gw i t hn a n oja d e p a r t i c l e s t h es u b j e c ta n a l y z e da n dt e s t e di t sm o l e c u l a rs t r u c t u r e ，m o r p h o l o g y ，a n dt h e s t r u c t u r eo fg a t h e r e ds t a t eo fj a d ef i b e rw i t ho p t i c a lm i c r o s c o p e ，s c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p ea n dx r a yd i f f r a c t i o na n a l y s i sa n do t h e rm e a n s t h es t r u c t u r eo fj a d ef i b e ri s s i m i l a rt op e t ，b u ti th a sar u g g e dl o n g i t u d i n a ls e c t i o n ，t h ec r o s s s e c t i o no fm i c r o p o r o u s h o l l o ws t r u c t u r ec o u l db eo b s e r v e di ns c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e t h i ss u b j e c tt e s t e das e r i e so fb a s i cp h y s i c a li n d i c a t o r s ，s u c ha st h es l e n d e r n e s s ，t h e t h em a s sr e s i s t a n c e ，c r y s t a l l i n i t y ，t h ef i i c t i o nc o e f f i c i e n t ，s t u d i e das e r i e so fb a s i cp h y s i c a l p r o p e r t i e s ，s u c ha st h et e n s i l ep r o p e r t i e s ，m o i s t u r ea b s o i p t i o n ，a n da n a l y s e dc o m b i n i n g w i t ht h es t r u c t u r ea n dt h ep e r f o r m a n c e i t sc r y s t a l l i n i t yi sl o wa n ds m a l l e rf r i c t i o n c o e f f i c i e n t ，i t sm o i s t u r er e g a i ni ss l i 曲t l yl a r g e rt h a np e t ，b e c a u s eo fi t s s m a l l e rm a s s r e s i s t a n c e ，i t sa n t i s t a t i cp e r f o r m a n c ei sb e t t e rt h a np e t t h es u b j e c ts t u d i e dt h eh e a t r e s i s t a n to fj a d ef i b e r t h r o u g ht h ed s cc u r v e sc o m e f r o md i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t r y ，w ec a na n a l y s i st h a tt h em e l t i n gp o i n to fja d ef i b e r i sl o w e rt h a no r d i n a r yp o l y e s t e r ，a c c o r d i n gw i t hi t sl o w e rc r y s t a l l i n i t y i nr e s e a r c h i n gd y e i n gp r o p e r t i e so fj a d ef i b e r ，d i s p e r s ed y e sa n dc a t i o n i cd y es t a i n i n g a r eu s e db e c a u s eja d ef i b e ri sn e wt y p eo fc a t i o n i cd y e a b l ef i b e r ，a n dd y e i n gp e r f o r m a n c e c o m p a r i s o ni sm a d eb e t w e e np e ta n da c r y l i c j a d ef i b e rd y e i n gw i t hd i s p e r s ed y es t a i n c a ny i e l db r i g h tc o l o r ，l a r g ek sv a l u e ，a n dd y es t a i nu p t a k ea r ea l ll a r g e rt h a np o l y e s t e r a n da c r y l i c c o n s i d e r i n gt h eh i 曲- p r e s s u r ea n dh i g h t e m p e r a t u r ed i s p e r s ed y e i n gp r o c e s s ， t h ee q u i p m e n tr e q u i r e dh i g he n e r g y - c o n s u m i n g ，a sw e l la sb a t c hp r o d u c t i o n ，t h e r e f o r e ， c a t i o n i cd y es t a i n i n gt e c h n i q u ei sp r e f e r r e d i n d i c a t o r so fp h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ed y e i n gp e r f o r m a n c eo fj a d e 。c o t t o n b l e n d e df a b r i cw e r es t u d i e d j a d ef i b e rc a nb em o i s t u r ep e r m e a b l ef a b r i c ，i t sb r e a t h a b l e p e r f o r m a n c e ，a sw e l la sa n t i p i l l i n gp r o p e r t i e sa r eb e t t e rt h a no r d i n a r yp o l y e s t e r 。c o t t o n b l e n d e df a b r i c w i t hd i s p e r s e r e a c t i v ed y ea n dc a t i o n i c r e a c t i v ed y e ，b e t t e rr e s u l t s b o t hc a nb eg o t t ti sc a l lb ed r a w nt h a tf i b e rj a d ea san e wt y p eo fm o d i f i e dc a t i o n i cd y e a b l e a b s t r a c t p o ly e s t e rf i b e r ，w i t ha l la s p e c t so fg o o dp e r f o r m a n c e ，w i l lh a v eag r e a tr e s e a r c hv a l u ea n d ，b r o a dm a r k e tp r o s p e c t s k e yw o r d sj a d ef i b e r ；s t r u c t u r e ；m o i s t u r ea b s o r p t i o n ；a n t i - p i l l i n g ；c r y s t a l l i n i t y ；c a t i o n i c d y e ；d i s p e r s ed y e ；d y e i n gr a t e i i i 河北科技大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发 表或撰写过的作品或成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： j 影 扣合年j 2 月- 7 同 指撒塍名：老糯公 删每1 2 乒7f 河北科技大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权河北科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可阱采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 口保密，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 留不保密。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 刻影 2 。略年1 2 月7r 将挪虢彦膨瓜 删年f 夕具7r 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1玉石纤维的特点及产品开发现状 随着科学技术的高速发展和人们生活水平的不断提高，人们对纺织纤维在织物 的服用性能及织物的外观及环保等方面要求越来越高，出现了大批在悬垂性、透湿 性、舒适性等方面表现优异，有一定的保健功能，又符合“环保”要求的纤维，譬 如甲壳素纤维i 、远红外纤维【2 1 、珍珠纤维【3 1 、防紫外辐射纤维等【4 1 。涤纶( p e t ) 作为 生活中最为常用的服用纤维之一，具有断裂强度和弹性模量高，良好的热定型和洗 可穿性能等优点，但也有吸湿性差，静电现象严重，易起球等缺点。所以目前差别 化涤纶发展也很快，而玉石纤维是集各种差别化涤纶所具备的抗静电、吸湿快干、 抗菌、常压染色等特殊功能于一身的又一种新型差别化涤纶纤维，研究玉石纤维与 其他纤维纯纺或混纺面料的各项性能有着更为深远的意义。 在我国，聚酯纤维占据着化纤的绝对份额，达到7 9 i5 1 。玉石纤维是一种改性涤 纶纤维，是新型的阳离子可染聚酯纤维，聚酯纤维的发展促进了玉石纤维的生产与 上市。玉石纤维是高温阳离子染料可染聚酯( c d p ) 的一种，是在涤纶生产过程中 添加玉石纳米级颗粒纺丝而成，山东基德生态科技有限公司率先上市，但国内外未 见详细的研究开发报告，是_ 种新型差别化涤纶纤维。 1 - 1 1 世界聚酯纤维的合成与工业化生产情况 1 9 4 1 年英国j r w h e n f i e l d 和j ；。r d i k s o n 以对苯二甲酸和乙二醇为原料，首次合 成了聚对苯二甲酸乙二酯( 聚酯) ，并制成了聚酯纤维，迄今己有六十余年l6 l 。1 9 4 8 年由英国帝国化学公司成功地进行了工业实验，1 9 5 3 年由美国杜邦公司运用酯交换 法实现了工业化生产。在此基础上世界各国广泛研究开发了聚酯生产技术和产品应 用，奠定了聚酯工业发展的基础。聚酯树脂主要用于生产聚酯纤维( 涤纶) 。6 0 年代， 美国，日本，西欧，东欧，前苏联和我国相继建设了聚酯生产装置，发达国家开发 了聚对苯二甲酸( p t a ) 合成聚酯技术并实现了工业化【7 j ，这一时期，随着石油化学 工业的迅猛发展，原料资源得以补充，加上新技术的突破和新产品的开发，为聚酯 生产的大力发展创造了有利的条件。日本运用德国h e n k e l 技术，以苯酐或苯甲酸为 原料合成了精对苯二甲酸( p t a ) ，首先实现了直接化法聚酯工业化；美国阿莫科公 司也相继解决了对二甲苯氧化法的对苯二甲酸精制，完成了p t a 法聚酯生产。在此 基础上进而开发了直接酯化法连续工艺，并相继在发达国家进行了工业生产。在生 产技术领域里形成了d m t 法和p t a 法并存的竞争局面。 7 0 年代聚酯相关领域的科学和生产技术的进步促进了聚酯生产装置向大型化自 动化发展，世界聚酯产量成倍增长，在亚洲( 中国，韩国) 聚酯和聚酯纤维工业崛 河北科技大学硕士学位论文 起，而西欧聚酯纤维产量在1 9 7 5 年后即开始出现了下降趋势。 8 0 年代以后大型聚酯和聚酯纤维工艺技术己趋成熟。生产发展中心己由美国， 日本和西欧等发达国家向亚洲转移。发达国家集中力量发展聚酯创新技术和开发新 品种，生产向差别化纤维和非纤维聚酯转移，这一时期，聚酯纤维差别化率加速增 长。到8 0 年代末期，发达国家聚酯纤维差别化率己超越5 0 。2 0 世纪9 0 年代涤纶 纤维的消耗高速增长，在1 0 年内翻了一倍，终于在2 0 0 2 年取代棉，成为最重要的 纺织纤维【8 1 。 近年来改性聚酯的纤维及非纤维制品的生产及应用在国民经济的发展中己占有 愈来愈重要的地位，如下图1 - 1 所示。 1 9 4 01 9 5 01 9 6 01 9 7 01 9 8 01 9 9 02 0 0 02 0 1 02 0 2 0 图1 1 全球纺织纤维构成情况 f i g 1 - 1c o m p o s i t i o no ft h eg l o b a lt e x t i l ef i b e r 1 1 2 我国聚酯工业的发展与现状 我国聚酯工业起步于5 0 年代末期，经过6 0 年代的研究与发展，以及自行开发 工艺技术的工业化，7 0 年代的大型聚酯装置引进和建设，为我国8 0 年代后聚酯工业 的腾飞奠定了基础。在经过了起步、引进发展、发展和振兴三个阶段后，2 0 0 4 年我 国化纤年生产量已达1 4 2 5 万吨。 1 1 3 聚酯纤维的改性 1 9 5 3 年涤纶问世以来，一直领导着合成纤维的发展趋势。对涤纶来说，由于其 回潮率较低，因此穿着涤纶织物时不吸汗，有闷热感，染色性能差，因此国内许多 专业工作者对p e t 进行改性研究。从有关文献报道看，主要是通过化学改性和物理 改性的方法来改善涤纶纤维的吸湿性和染色性。化纤的差别化研究从2 0 世纪6 0 年 代开始，至今已有近4 0 年的历史。合纤的差别化发展到现在已经到了第五代一新一 代新合纤【9 1 。新一代新合纤从广义上包括各种化学纤维，但主要的还是差别化的涤纶。 1 1 3 1 差别化聚酯的方法 2 加 加 0 第1 章绪论 化学纤维的差别化，是指通过将化学纤维进行物理改性或化学改性，使纤维在 形态、结构、性能、功能、外观、手感、感性、效果等方面发生变化的方法。也就 是通过改变化纤的分子量、聚合度、取向度以及化纤的纤度、截面形状和长度，改 变纤维的物理化学性能。目前，差别化化学纤维已经脱颖而出，成为化纤的发展方 向。差别化的化学纤维作为人造的高分子聚合物，在生产过程中可以预先设计其功 能性。例如添加抗菌剂，使其具有抗菌功能；添加矿物微粉，使其具有低辐射功能 或远红外辐射功能等。 从差别化技术角度差别化涤纶主要有三大类，即化学改性纤维，共混改性和功 能性纤维，物理改性纤维。近十年来，国内外研究开发的差别化聚酯纤维种类繁多， 功能也趋于完备。 1 1 3 2 国内外改性涤纶的研究情况 目前，世界上某些国家差别化涤纶的生产和应用己超过5 0 ，开发一种差别化 涤纶，效果常常与开发一种新颖纤维一样，可以为开发大批新产品提供新的良机。 欧美、韩国、日本等国家的一些化纤企业，把开发生产各种不同性能的差别化 纤维列为工作的首位。例如美国杜邦公司现在生产的涤纶长丝，6 0 以上是以细旦、 异型截面为主的差别化纤维1 1 0 】，使生产的纤维有较高的技术含量，纤维的附加值也 比较高。日本等化纤企业近几年进一步采用了生产自发伸长性长丝及改性微细的纤 维等技术，有的企业差别化率高达9 0 左右，所开发出的高度多孔中空纤维、高收 缩纤维、抗静电、阻燃、防水吸湿、抗菌保健等差别化纤维在国际市场相当红火。 大连轻工业研究所将含有金属氧化锌和聚乙二醇的嵌段高分子抗静电剂( d c ) 与阳离子可染聚酯( c d p e t ) 共混1 1 1 】，制备出了抗静电阳离子可染涤纶。这种纤维 的抗静电性，常压可染性以及匀染性都很好。 吸湿排汗纤维被称为“可呼吸纤维 ，对于涤纶来说，水分进入纤维内部和纤维 空隙的能力低1 1 2 1 。各家公司开发差别化涤纶纤维，使其在保持自身极快的干燥速度 的同时，还被赋予吸水性，可用作吸汗快干材料。帝人公司在上世纪8 0 年代和9 0 年代开发出来的微孔涤纶长丝是采用共混纺丝后碱溶法，而日本三菱人造丝开发的 吸湿快干纤维是采用的后拉伸技术使纤维表面结构产生微孔制得的1 1 引。最典型的吸 湿排汗纤维是美国杜邦公司的c o o l m a x 纤维1 14 1 ，经3 0 m i n 除湿百分率测试，棉为5 2 ， c o o l m a x 为9 5 1 1 5 】。另外，尤尼契卡公司的h y g r a 纤维，可乐丽公司开发的s o p h i s t a 纤维，大阪工业技术研究所等单位开发的所谓“挥汗纤维”。我国台湾省中兴纺织的 c o o l p l u s 、远纺的t o p c o o l 、豪杰的t e c l m o f i n e 等吸湿排汗纤维，都已有较大的产能。 广东顺德金纺集团开发了导湿干爽型涤纶长丝c o o l n i c e ，江苏盐城化纤集团有限公 司开发出的1 6 7 d t 、3 3 4d t n y 三异型凉爽纤维系列现也已开发出系列长丝产品投放 市场f 1 6 】； 3 河北科技大学硕士学位论文 帝人公司开发的w e l l k e y 纤维是聚酯中空纤维旧，并且从纤维表面看，有许多 贯通到中空部分的细孔，液态水可以从纤维表面渗透到中空部分，这种纤维的结构以 最大的吸水速度和含水率为目标，在纺丝过程中，共混了特殊的微细孔形成齐u 后再将 它溶解，从而形成了这种纤维结构。 又如一些抗菌涤纶纤维比如抗菌中空涤纶纤维，它是仿北极熊的毛发的中空结 构而研制的一种差别化纤维【18 i ，经实验测试，这种抗菌纤维不但有很好的抗菌性， 而且蓬松性、隔热保温性及上染性都非常好。但对于大多数抗菌纤维来说，普遍存 在抗菌范围不广和耐菌性差的问题。在抗菌纤维的研制上，趋势是：抗菌范围更大、 抗菌耐久性更好，功能更齐剑”j 。 帝人公司发明了一种吸水性聚酯纤维，是一种多孔中空纤维，从中空纤维的外 侧到中空处有许多细微的小孔，在中空处装入药剂，可制成抗茵保健服装【2 0 】。 日本可乐丽公司开发的“c l a c a r b o 是一种抗静电聚酯长丝纱，有 “c l a c a r b o b l k ”、“c l a c a r b o w h t ”和“c l a c a r b o int ”三种类型【2 。后整理中使 用抗静电整理剂在纤维表面上引入一层亲水性薄膜，提高织物的吸湿性，降低摩擦 系数和表面比电阻，也可通过纤维接枝改性引入亲水性基团达到抑制静电的产生【2 2 】。 高温阳离子染料可染聚酯( c d p ) 是5 0 年代由杜邦公司发展起来的、以改进染 色性为目的的改性对苯二甲酸二甲酯1 2 3 1 。由于常规聚酯纤维结构致密；染色困难， 在常规聚酯的生产中添加第三单体间苯二甲酸乙二醇酯磺酸钠( s d e ) ，使分子链中 引入可用阳离子染料进行染色的极性基团s 0 3 n a ，是对聚酯改性最有效的方法。 阳离子染料可染聚酯( c d p ) 对改进聚酯的染色性能是很有效的，它己成为改 性聚酯的第一大品种。在化纤工业发达的国家，c d p 纤维产量己占聚酯纤维总量的 5 以上。我国有关c d p 的研究最早始于1 9 7 6 年，此后，很多单位都开展了这方面 的研究工作。 我国对c d p 的研究和生产正处于迅速发展阶段。从染色角度来看，有关聚合， 纺丝工艺以及染料、染色工艺等方面尚有许多值得进一步研究探讨的问题。 1 1 4 阳离子可染涤纶生产技术 涤纶的分子结构致密，染色困难，改善涤纶的染色性能成为改性涤纶的一个打 的分支。从改善涤纶的染色性能角度来说，目前改性涤纶主要有三种，分散染料常 压下可染的改性涤纶、阳离子染料可染的改性涤纶及酸性染料可染的改性涤纶心引。 从7 0 年代起就有人开始研究在p e t 的链段结构中引入活性基团，使这成为离子 型染料的染座以改善p e t 的染色性能。目前进入工业化生产的有c d p 和e c d p 两大 类阳离子染料可染改性涤纶：c d p 是在常规p e t 聚合中加入苯二甲酸二甲酯磺酸钠 作为第三单体( 常用的第三单体为间苯二甲酸二甲酯磺酸钠，即s i p m ) 。使所得改 4 第1 章绪论 性涤纶的链段结构中引入了可作为阳离子染料染色染座的活性磺酸基团。由于阳离 子染料色谱齐全、颜色鲜艳且价格便宜，因而阳离子可染改性涤纶呈现良好的发展 势头。目前已有通过合理调整配方和纺丝工艺以获得理想的共聚比和超分子结构， 进行常压沸染的c d p 。e c d p 是在c d p 的基础上，再加入具有柔性的第四单体，以 增加分子链的柔性。常用的第四单体是有二元脂族或芳族羧酸、二元脂族或芳族醇 和羟基酸类。目前国内所用的第四单体都为聚乙二醇( p e g ) ，分子量在6 0 0 4 0 0 0 ， 其中大部分采用分子量为1 5 0 0 的p e g 。由于e c d p 中引入了c h 2 c h 2 柔性链段，不 仅使其成为常压型的阳离子染料可染改性涤纶，而且在加工和服用性能等方面与天 然纤维很接近。但由于引入了较多的c h 2 c h 2 柔性链段结构，相当于在常规p e t 中 二甘醇含量大大增加，由于聚醚链段中醚键降解的活化能较小，故e c d p 的耐热性 较常规的p e t 和c d p 及p b t 大大下降，从而对e c d p 的应用产生很大的影响。 1 2 课题的提出、内容和意义 目前以涤纶为基础研制的新型差别化涤纶纤维种类繁多，玉石纤维就是差别化 涤纶纤维的一个新型品种。 玉石纤维是运用萃取和纳米技术，把玉石和其它矿物质材料达到亚纳米级粒径， 然后熔入涤纶纺丝熔体中，经纺丝加工制成1 2 5 j 。玉石和其它矿物质粒子的加入赋予 了玉石纤维很多独特的功能。 首先，玉石中含有丰富的对人体有益的矿物质和微量元素，长期贴附在人体的 皮肤上进行释放，能改善血液微循环，促进新陈代谢，产生凉血、降压、安神、缓 解疲劳等保健功能，对因湿热引起的皮肤病也有良好的康复作用；其次，用玉石纤 维制成的织物，人体感觉有较好的凉爽感，特别适合在炎热的夏天或运动的时候穿 着使用；玉石纤维本身还具有一定的抗菌作用；此外，玉石纤维具有抗起毛起球性， 这一点使得它与普通聚酯纤维相比具有令人瞩目的优势；更为可取的是，玉石纤维 极易染色，可在常压下完成深浓色上染i 矧，与传统聚酯纤维染色相比可大大降低能 源消耗，减少废液排放中染料的含量，有益于环境保护，因此将玉石纤维应用于纺 织印染加工还有着积极的环保和节能减排意义。 在市场上，涤纶针织物约占我国针织品总产量的6 0 以上，有巨大的消费空间， 2 0 0 3 年全国针织服装产量2 2 5 亿件，其中浙江，广东，上海，山东，江苏和福建六 省占全国针织品产量比重的8 0 6 p - 7 】。可以预测，玉石纤维针织服装的各项特殊优 异性能将在以后的市场中大放异彩，与此同时，这也会为各种新型纤维的发展提供 良好的契机。而作为发展最快的合成纤维品种，涤纶差别化纤维会更加受到人们的 重视。 山东基德生态科技有限公司根据市场需求，已经成功研发了“玉石纤维”混纺 5 河北科技大学硕士学位论文 纱。目前玉石纤维的生产已日趋成熟，但是对玉石纤维面料及其下游产品的研究开 发目前仍是个空白，尚未见有对玉石纤维性能的研究及其面料的开发应用方面的研 究报道。而玉石纤维独有的多种功能，使其将来广泛开发应用于各种纺织品成为必 然。 本课题考虑到目前对玉石纤维的认识尚处于萌芽阶段，研究玉石纤维的分子结 构、形态结构和聚集态结构，研究玉石纤维的多项性能包括凉爽降温性、抗菌保健 性、吸湿快干性、抗起毛起球性、热性能、机械性能、化学性能、纺织性能、染整 性能等就具有十分必要的意义。本课题仅从玉石纤维的结构与化学、物理、染色性 能及热性能做了一些研究，对于人们了解玉石纤维具有一定的帮助。 6 第2 章玉石纤维的结构与性能 p 弟r l - 2 章玉石纤维的结构与性l 能 2 1引言 纤维的物理、化学性能与其结构密切相关，纺织纤维的结构层次可以分为三层。 构成纺织纤维的成纤高聚物均有不同的化学结构及长链分子，有不同的空间排列位 置，通常将这称为纤维的链结构或分子结构。处于平衡态时，成纤高聚物大分子链 相互间的几何排列及结构形态称为纤维的聚集态结构；尺度更大的结构层次还有外 观与表面形态、孔隙、裂纹、断面结构等，这属于形态结构的层次。 纤维的链结构是决定纤维各种理化性能最主要、最基本的因素，它不仅直接决 定纤维的某些性能，还强烈地影响着纤维的聚集态结构。纤维的聚集态结构主要研 究和分析各种纤维长链分子的对齐方式，如有无结晶、如何形成结晶形态等。纤维 的形态结构通常是指在光学显微镜或电子纤维晶下能直接观察到的结构。形态结构 对纱线及织物的风格、功能及加工方法等均有重要影响。 通过以上了解到，玉石纤维的化学组成及结构对分析玉石纤维的物理化学性能、 染色性能有十分重要的意义。 显微镜观察法是根据纺织纤维的纵向和横截面形态特征来鉴别纤维的种类，是 纤维鉴别中经常采用的方法。 利用显微镜观察纤维的纵向和截面形态特征来鉴别各种纤维，是广泛采用的方 法。既能鉴别单一成分的纤维，也可用于多种成分混合而成的混纺产品的鉴别。不 同种类的纤维，在纵向形态、横截面形态、表面形态方面都存在一定差异，通过显 微放大观察，就可获得不同微细结构的信息。 当今，随着电子源、扫描以及图像采集和处理系统等的发展，扫描电子显微镜 ( s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ，简写为s e m ) 已成为纺织、生物学、医学、冶金、 机械加工、材料、半导体制造、微电路检查，甚至月球岩石样品分析等领域的主要 研究手段。当前产业用纺织品已广泛应用于工业、农业、环境保护、生物工程、化 学化工、医疗卫生以及汽车等领域，其应用范围不断扩大，大大拓展了新的应用领 域，开拓出新的市场和高新技术的特殊产品，如电子纺织材料、智能纺织材料、细 胞组织支架材料和纤维织物柔性显示器等。因此，利用先进的扫描电镜等工具研究 纺织产品极其材料的化学与机械物理性能创造产业用纺织品材料就显得至关重要。 纤维材料的表面物理形态和化学结构是决定材料性能的基本因素，也是影响纤 维材料的表面的摩擦性能、光学性能、吸水性和生物相容性等性能的主要因素。用 扫描电镜观察、分析纤维表面形貌特征，扫描电镜可以在比微米尺寸更小的范围内 获得高倍率、立体感强、直观的二次电子图像。纳米材料又称为超微颗粒材料，由 7 河北科技大学硕士学位论文 纳米粒子组成，一般是指尺寸在l - l o o n m 间的粒子。应用在纺织品上具有拒水、拒 油、防静电、防污、抗菌、柔软等功能。通过扫描电镜，可以较直观地观察到超微 纳米材料的表面形貌，而研发功能性纺织材料是未来发展的趋势，所以扫描电镜的 作用在这个领域会越来越突显出来。在扫描电镜的高倍观察条件下，材料的显微组 织十分清晰。可用来观察纤维的孔洞结构，分析不同的孔洞结构与纤维性能之间的 关系。或在多相结构材料中，特别是在某些共晶材料和复合材料的显微组织和分析 方面，由于可以借助于扫描电镜景深大的特点。 玉石纤维作为一种新型的纺织原料，新型的合成纤维，它的基本性能涉及到它 的可纺性，染色性、以及面料的开发等，所以，必须对玉石纤维的基本性能加以研 究，才能制定正确地纺纱工艺、选择合适染料和确定最佳染整工艺及设计开发适合 我们所需要的产品。其中包括纤维的吸湿性能、摩擦性能、导电性能等等。玉石纤 维的基本性能测试方法与其它化学纤维测试方法基本相同。 本章将对玉石纤维的组成与结构以及玉石纤维的基本物理性能进行研究。 2 2 理论部分 2 2 1 涤纶的化学组成与分子结构 涤纶的基本组成物质是聚对苯二甲酸乙二酯，也称聚酯纤维( p o l y e s t e r ，简写为 p e t ) ，其长链分子结构如下： 吒。一c h 广c h 2 一。一早 0 与5 - o c h 2 一c h 2 一o h ln 0 聚酯高分子两端的烃基，通称为端烃基：1 1 为聚合度，其数值决定于链节的数量。 聚酯链节的长度，以x 射线衍射法测定为1 0 7 5 n m ，按结构计算为1 0 9 n m ，两 者极为接近【2 8 1 。分析涤纶的分子结构式可以得出，涤纶的分子结构具有以下特点： 1 ) 涤纶是具有对称性苯环结构的线型大分子，没有大的支链，因此分子线型好， 易于沿着纤维拉伸方向取向而平行排列。涤纶分子结构中不含亲水性基团，只具有 极性很小的酯基一c o o 一，属疏水性纤维。 2 ) 酯基的存在使分子具有一定的化学反应能力，但由于苯基和亚甲基的稳定性 较好，所以涤纶的化学稳定性也较好。涤纶大分子中含有刚性基团一o c 一心一c o 一( a r 代表苯环) ，它只能作为一个整体振动，使分子具有一定刚性。涤纶分子中尚 存在一定的柔性链- - o c h 2 c h 2 0 一，其内旋转能力较强，故与纤维素分子相比，涤 纶分子的柔性要大，所以它的分子链不像纤维素分子链那样挺直。 3 ) 涤纶大分子为线型分子链，分子上没有大的侧基和支链，分子间容易紧密堆 8 第2 章玉石纤维的结构与性能 砌在一起形成结晶，使纤维具有较高的机械强度和形状稳定性。 4 ) 大分子中苯环与羰基几乎在一个平面上，具有较高的几何规整性，因而分子 间易借范德华力紧密敛集，具有良好的结晶倾向。涤纶熔体喷丝成形后的初生纤维 是完全无定形的，没有实用价值，只有经过拉伸和热处理，才出现结晶结构。成品 涤纶属于半结晶高聚物，结晶度在4 0 6 0 左右，并且有很高的取向性1 2 9 1 。涤纶 的超分子结构可用棉纤维超分子结构的缨状原纤理论来说明。原纤是涤纶的基本组 成单位，原纤之间有较大的微隙，由一些t 4 1 1 y u 不规整的分子联系着。原纤又是由侧 序度高的分子所组成的微原纤堆砌而成，微原纤间可能存在着较小的微隙，并被一 些t - - i i - 歹o 较不规整的分子联系起来，涤纶纤维是伸直链和折叠链晶体共存的体系【3 0 1 。 从涤纶分子组成来看，它是由短脂肪烃链、酯基、苯环、端醇羟基所构成。涤 纶分子中除存在两个端醇羟基外，并无其他极性集团，因而涤纶纤维亲水性极差。 涤纶分子中约含4 6 酯基，酯基在高温时能发生水解、热裂解，遇碱则皂解，使聚 合度降低；涤纶分子中还含有脂肪族烃链，它能使涤纶分子具有一定柔曲性，但由 于涤纶分子中还有不能内旋转的苯环，故涤纶大分子基本为刚性分子，分子链易于 保持线性。因此，涤纶大分子在一定条件下很容易形成结晶，故涤纶的结晶度和取 向度较高。 2 2 2 玉石纤维的结构与生产反应原理 玉石纤维是涤纶改性的纤维，在分子中加入了含有磺酸基等阳离子可染基团的 第三单体，另外将玉石颗粒制成纳米级颗粒混入其中。其本体是涤纶。 阳离子可染聚酯c d p 纤维是在聚酯的合成当中引进第三单体间苯二甲酸乙二醇 酯磺酸钠盐进行共聚而成的改性聚酯。 玉石纤维是c d p 纤维中的一种，它的第三单体通常为磺酸钠间苯二甲酸，包括 2 磺酸基1 ，3 苯二甲酸( 简称邻位第三单体) ，4 磺酸基1 ，3 苯二甲酸( 简称对位 第三单体) 和5 磺酸基1 ，3 苯二甲酸( 简称间位第三单体) 。目前国内外使用较多 的是间位第三单体。含有间位第三单体的c d p 纤维的分子结构为： 气0 c h 2 c i i 、 c d p 纤维的生产反应原理： ( 1 )酯化反应 9 曰eoci-12ci120崎c眵n c - 涤纶纤维。对于涤纶纤维，阳离子染料 基本上不能上染。对比之下，玉石纤维尽管其主体也是聚酯材料，但其对阳离子染 料的上染百分率远远高出涤纶纤维，这主要是因为玉石纤维在生产过程中引入了第 三单体磺酸基h s 0 3 。这样，在阳离子染色过程中，玉石纤维在染液中磺酸基发生电 离生成磺酸基负离子，为阳离子染料染色提供染座。玉石纤维上的磺酸基负离子可 以与阳离子染料在库仑力的作用下结合，从而使阳离子染料上染玉石纤维。 以上结果不但反应出玉石纤维的阳离子可染性，并且与腈纶纤维相比，玉石纤 维的初染率高、上染速率快、上染百分率高。这可能与玉石纤维特殊的蜂窝状结构 有关系，玉石纤维结构疏松，有利于染料分子向纤维内部扩散，当纤维与阳离子染 料靠近时，库伦力就会发挥主要作用，从而使阳离子染料在玉石纤维上有较高的上 染速率和上染百分率。 另外，玉石纤维的玻璃化温度可能也是一个重要的因素，与涤纶相比，玉石纤 维的熔点要低，可初步推测，玉石纤维的玻璃化温度也较低。较低的玻璃化温度使 纤维对温度更加敏感【4 弭! ；。可以使染料在较低的温度下即开始上染纤维，因此，在 玉石纤维的染色过程中，要严格控制温度，特别是在到达玻璃化温度时，升温速率 要缓慢。否则很容易造成染花现象。 4 4 2 2 玉石纤维与腈纶、涤纶阳离子染色色深曲线分析 由图4 1 2 看出相同条件下，玉石纤维阳离子染料染色的刚s 值大于腈纶，涤纶 基本不上色，s 值几乎等于0 ，进一步证明玉石纤维的阳离子可染特性。玉石纤维 阳离子染色得色鲜艳，结合前面的上染速率曲线分析，阳离子染料是一种适合上染 4 3 加 加0 河北科技大学硕士学位论文 玉石纤维的染料。 o1 02 03 04 05 06 07 0 t r a i n 图4 - 1 2 阳离子黄x 8 g l 染料对玉石纤维、腈纶纤维、涤纶纤维染色色深曲线 f i g 4 1 2 t h ec 1 1 r v c $ o fk so fc a t i o n i cd y e 4 4 2 - 3玉石纤维阳离子染料染色吸附等温线分析 阳离子染料染玉石纤维的吸附等温线类型与朗格缪尔型正好相符，这说明玉石 纤维在生产过程中引入了第三单体，为阳离子染料染玉石纤维提供了染座，从而实 现了玉石纤维的阳离子可染性。 吸附等温线还可以在一定程度上反应出染料上染纤维的提升性能，对于阳离子 染玉石纤维，当浓度达到4 5 以后，上染百分率基本上不再变化。因此，对于 阳离子染玉石纤维，染液浓度不宜过高，否则，会降低染料利用率。分散染玉石纤 维可以通过提高染液浓度达到提高上染百分率的目的。 毋 蜊 蛏 荽 器 一 媒 安 00 5 1 1 5 22 5 3 3 5 残液中染料浓度 巨至匿亟匦 图4 1 3阳离子黄x 8 g l 染玉石纤维吸附等温线 f i g 4 - 1 3a d s o r p t i o ni s o t h e r mo fc a t i o n i cy e l l o wx 8 g l 4 4 5 4 5 3 5 2 5 1 5 o 4 3 2 1 o 第4 章玉石纤维的染色性能研究 4 5 本章小结 1 )在分散染料染色试验中，利用分光光度计测定得到分散染料黄s e 2 g f l 的 最大吸收波长为4 4 0 n m ，配置不同浓度的染料溶液，做出标准工作曲线，用残液法 测定分散黄s e 2 g f l 上染两种纤维的上染百分率，做出s e 2 g f l 分散黄上染玉石纤 维和涤纶的上染速率曲线，分析玉石纤维和涤纶的上染速率曲线发现，分散染料黄 s e 2 g f l 对玉石纤维上染百分率高。用测色配色仪测定了染色后纤维的科s 值，与 染色涤纶对比，在相同染色条件下，玉石纤维得色较涤纶深。做出吸附等温线后， 验证了分散染料染玉石纤维符合能斯特吸附，与分散染料染涤纶机理相同。 2 ) 在阳离子染料染色试验中，利用分光光度计测定阳离子黄x 8 g l 的最大吸 收波长为4 0 8 r i m ，配置不同浓度的染料溶液，做出阳离子黄x 8 g l 的标准工作曲线， 用残液法测定不同时间染料上染玉石纤维和涤纶的上染百分率，通过分析两种纤维 的上染速率曲线发现玉石纤维用阳离子染色上染速率快，初染率高，染后纤维的l ( s 值大，得色深，吸附等温线符合朗格缪尔型，与阳离子染料染腈纶的机理相符。 4 5 河北科技大学硕士学位论文 第5 章玉石纤维混纺面料的性能研究 5 1引言 通过前面的实验证明，玉石纤维具有优良的物理化学性能和染色性能，为充分 验证玉石混纺面料的性能，包括物理性能及染色性能等，对玉石混纺织物又进行了 一系列物理性能指标的测试，包括织物顶破强力，耐磨性等织物耐久性的测试，还 有织物的透气性，保温率等指标。 本章针对玉石棉混纺针织面料进行织物的物理性能测试和染色性能测试。 5 2理论部分 5 2 1 织物分散染料染色 分散染料染色时，染料的水溶性小，通过溶解成分子分散状态上染到纤维上。 影响分散染料染色的因素主要有以下几点。 ( 1 )电解质用量对分散染料染色的影响研究分散染料在水中微弱的溶解度对 研究分散染料的上染性能非常重要。因为分散染料在水中对涤纶纤维的染色，主要 是靠这些微量溶解的颗粒进行的。而电解质的用量是影响溶解的重要因素。电解质 增加，溶解度下降，导致上染率的降低。 ( 2 ) p h 值染料分子中如果含有羟基，在碱性条件下，羟基能发生离子化，使 染料的水溶性增加，上染率降低。所以分散染料染色时，不要在碱性条件下进行， 控制在酸性条件下合适的p h 值较为适宜。色光较鲜艳，上染百分率较高。 ( 3 ) 浴比浴比越小，染料的利用率越高，浴比越大，染料的利用率越低。本 实验确定浴比为1 ：5 0 。 ( 4 ) 其他因素染料的内部因素也是影响上染性能的重要因素，本实验不加以 讨论。 5 2 2 织物阳离子染料染色 聚丙烯腈纤维织物，一般多用浸染的方法进行染色。一般阳离子染料在聚丙烯 腈上的移染性能很差，所以在浸染过程中控制染浴的温度、维持染液均匀循环，使 织物各部位的纤维基本上在相同的温度和浓度下均匀上染是十分重要的。超过纤维 玻璃化温度以后，聚丙烯腈的上染速率随温度的上升而急剧增高，对温度的差异很 敏感，很容易