劉術(shù)佳，郭楠，王依民，吳學(xué)丙

(1.東華大學(xué)材料科學(xué)與工程博士后流動(dòng)站，上海 201620; 2.東華大學(xué)產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心，上海 2016202; 3.河南瑞貝卡發(fā)制品股份有限公司博士后工作站，河南 461000）

應(yīng)用技術(shù)

功能性發(fā)制品用PVC纖維紡絲工藝探討

劉術(shù)佳1，3，郭楠3，王依民1，2，吳學(xué)丙3

(1.東華大學(xué)材料科學(xué)與工程博士后流動(dòng)站，上海 201620; 2.東華大學(xué)產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心，上海 2016202; 3.河南瑞貝卡發(fā)制品股份有限公司博士后工作站，河南 461000）

將Zn-Ni復(fù)合抗紫外材料及含磷抗菌劑應(yīng)用于假發(fā)用PVC纖維中，通過(guò)熔融紡絲方法得到功能性PVC發(fā)用纖維，使其具有抗菌、抗紫外的功能性。研究了紡絲工藝參數(shù)對(duì)成品絲性能的影響，通過(guò)調(diào)整紡絲工藝得到適合發(fā)用PVC纖維的合適工藝。成品絲經(jīng)抗菌測(cè)試，其抗菌率在95%以上，UPF值為500，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)值，且UVA及UVB均小于5%，滿(mǎn)足防紫外線(xiàn)產(chǎn)品的要求。

功能性抗菌抗紫外發(fā)用纖維PVC

世界經(jīng)濟(jì)水平的不斷發(fā)展，人民生活水平逐步提高，使人們?cè)絹?lái)越重視自身形象的美化，時(shí)尚消費(fèi)已逐漸成為新的熱點(diǎn)。隨著發(fā)制品需求量的增大和國(guó)內(nèi)發(fā)制品企業(yè)迅速增加，天然人發(fā)資源日益緊缺、價(jià)格不斷上漲、供需矛盾日益突出，特種化學(xué)纖維作為人發(fā)替代品的作用日益凸顯。但化纖假發(fā)產(chǎn)品存在著功能單一的問(wèn)題，產(chǎn)品功能急需升級(jí)，即從一般意義上的美妝或遮瑕功能升級(jí)到保健、美容養(yǎng)顏功能。而假發(fā)制品的升級(jí)主要取決于原材料化學(xué)纖維的升級(jí)。目前市場(chǎng)上發(fā)制品所用的主要化學(xué)纖維有聚氯乙烯(PVC）基纖維、聚酯基纖維、聚丙烯腈(PAN）基纖維及蛋白質(zhì)纖維等。從卷發(fā)或直發(fā)的形態(tài)外觀(guān)、阻燃性等方面考慮，多以改性PAN基或PVC基纖維為原料。

與此同時(shí)，人類(lèi)生存環(huán)境中存在各種各樣的細(xì)菌和霉菌，隨著生活水平的提高，人們對(duì)于生活中衣、食、住等方面的清潔性和舒適性更加重視了。具有抗菌功能的纖維制品適應(yīng)了人類(lèi)現(xiàn)代生活的需要，近年來(lái)得到了迅速發(fā)展。紫外線(xiàn)是一種電磁波射線(xiàn)，過(guò)量的紫外線(xiàn)照射會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生傷害。為減少紫外線(xiàn)對(duì)人體的損傷，需要假發(fā)制品具有良好的紫外線(xiàn)防護(hù)性能［1］，近年來(lái)，對(duì)抗紫外線(xiàn)材料及織物的研究很多［2－7］，但對(duì)于假發(fā)用抗紫外線(xiàn)纖維的研究還未見(jiàn)報(bào)道。通過(guò)涂層后整理的發(fā)制品雖然能很好地屏蔽紫外線(xiàn)，但假發(fā)熱濕舒適性較差，不適合作佩戴之用。這樣一來(lái)，就要求構(gòu)成發(fā)制品的纖維具有紫外線(xiàn)屏蔽、吸收的功能，以此來(lái)減少紫外線(xiàn)的輻射。因此，開(kāi)發(fā)適合人體佩戴服用的具有抗菌、防紫外線(xiàn)功能性的發(fā)制品用假發(fā)原材料成為企業(yè)新的研究方向。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

PVC樹(shù)脂，南通樹(shù)脂廠(chǎng)，平均聚合度為900～1 150;

抗菌劑，磷酸鋯載銀抗菌劑，廈門(mén)鑫達(dá)康無(wú)機(jī)材料有限公司，平均粒徑為2～3 μm;

Zn-Ni復(fù)合抗紫外材料，實(shí)驗(yàn)室自制;增塑劑DOP，利民化工有限責(zé)任公司;穩(wěn)定劑，有機(jī)錫熱穩(wěn)定劑T-580，上海智強(qiáng)塑料助劑有限公司;

抗氧劑1010，南京米蘭化工有限公司。

1.2 Zn-Ni復(fù)合抗紫外材料制備

針對(duì)單純使用ZnO對(duì)紫外線(xiàn)的屏蔽效果不理想這一問(wèn)題，通過(guò)摻雜和半導(dǎo)體復(fù)合的方法對(duì)氧化鋅進(jìn)行改性，以增強(qiáng)對(duì)紫外線(xiàn)的屏蔽效果，制備流程如圖1所示。具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為:

1.2.1 沉淀反應(yīng)

配置一定濃度的Zn(NO3）2、NiCl2·6H2O和十六烷基三甲基氯化銨的混合溶液80 mL，將此混合溶液轉(zhuǎn)入三口燒瓶中，在室溫和強(qiáng)烈攪拌的條件下緩慢滴加濃度為2.3 mol/L的NaOH溶液80 mL。

圖1 Zn-Ni復(fù)合抗紫外材料的制備流程

1.2.2 水熱反應(yīng)

待NaOH溶液滴加完畢，將所得的漿料采用均質(zhì)機(jī)高速分散40 min，然后轉(zhuǎn)入200 mL的水熱反應(yīng)釜中，并開(kāi)始加熱。當(dāng)水熱反應(yīng)釜的溫度達(dá)到所需溫度時(shí)，反應(yīng)釜進(jìn)入保溫階段，水熱分解反應(yīng)開(kāi)始。

1.3 抗菌性PVC纖維的制備

筆者采用熱粘包覆法分時(shí)分步初步混合抗菌劑、抗紫外劑、PVC顆粒及其他助劑，以保證熔融擠出時(shí)各種助劑都能與聚氯乙烯混合均勻，從而保證紡絲的順利進(jìn)行。隨后在雙螺擠出機(jī)中造粒，再進(jìn)行熔融紡絲，對(duì)纖維的上油、后處理包括預(yù)熱、延伸、回縮及冷卻等。

2 結(jié)果與討論

2.2 紡絲工藝的影響

2.2.1 紡絲溫度

紡絲溫度一般是指熔體溫度，即熔體出噴絲孔時(shí)的實(shí)際溫度，熔體溫度隨紡絲原料的熔點(diǎn)、特性粘數(shù)變化而變化。熔體溫度控制適當(dāng)，不僅可紡性好，而且得到的成品絲物理機(jī)械性能優(yōu)異。另一方面，由于聚氯乙烯的加工溫度窗口很小，約10℃左右，溫度太高很容易分解，不僅使產(chǎn)品質(zhì)量下降，還會(huì)造成環(huán)境污染;溫度太低，流動(dòng)性能原來(lái)就不好的PVC更加難以紡絲成形。故聚氯乙烯熔紡溫度須嚴(yán)格控制在160～170℃間，如表1所示。

表1 PVC熔體溫度對(duì)可紡性及卷繞絲性能的影響

2.2.2 螺桿擠出壓力

螺桿擠出機(jī)出口的熔體壓力稱(chēng)為螺桿擠出壓力，由壓力傳感器測(cè)量顯示和控制。螺桿擠出壓力用于克服熔體在管道和混合器等設(shè)備內(nèi)的阻力，保證熔體有一定的熔體壓力。表2所示為螺桿擠出壓力對(duì)卷繞絲性能的影響。

表2 螺桿擠出壓力對(duì)卷繞絲性能的影響

試驗(yàn)證明，壓力達(dá)到一定值時(shí)才能精確地輸出，否則會(huì)產(chǎn)生供量不足或者波動(dòng)，使紡出的絲變細(xì)或條干不勻。對(duì)流動(dòng)性較差的樹(shù)脂原料如PVC等，機(jī)頭壓力一般要求較高，但壓力不宜太高，因壓力愈高，要求螺桿轉(zhuǎn)速愈快，擠出機(jī)內(nèi)熔體的逆流量增大，電能消耗增加，若超過(guò)設(shè)備的耐壓范圍，還會(huì)出現(xiàn)事故。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，聚氯乙烯的熔紡螺桿擠出壓力范圍為50～200 kg/cm2，考慮到加工條件、環(huán)境等，紡絲壓力設(shè)定在125 kg/cm2。

2.2.3 紡絲組件

紡絲前須用過(guò)濾材料對(duì)熔體進(jìn)行過(guò)濾，以除去雜質(zhì)。筆者在聚氯乙烯高壓紡絲中使用多層濾網(wǎng)過(guò)濾雜質(zhì)。另外，過(guò)濾層還能產(chǎn)生較高的阻力，使熔體摩擦生熱，溫度升高，改善熔體的流變性能

因功能性母粒帶入的雜質(zhì)使組件升壓速率加快，使用周期也將縮短，且隨紡絲組件使用時(shí)間的增長(zhǎng)，過(guò)濾網(wǎng)內(nèi)的雜質(zhì)增多，組件壓力就會(huì)逐步升高。過(guò)濾網(wǎng)組合不同、噴絲板孔面積的大小均會(huì)影響組件的壓力。因此當(dāng)紡絲工藝條件變更時(shí)，須及時(shí)更換組件過(guò)濾網(wǎng)的組合，才能達(dá)到較為理想的組件初始過(guò)濾壓力。圖2為過(guò)濾網(wǎng)第3層目數(shù)對(duì)機(jī)頭壓力的影響。從圖2中可以看出，隨過(guò)濾網(wǎng)目數(shù)的增加，紡絲機(jī)頭壓力呈上升趨勢(shì)，考慮到生產(chǎn)穩(wěn)定性和纖維性能，筆者選擇過(guò)濾網(wǎng)目數(shù)為80/250/320組合。

圖2 過(guò)濾網(wǎng)目數(shù)(第3層）對(duì)機(jī)頭壓力(15 h后）的影響

2.2.4 緩冷加熱筒溫度

聚氯乙烯熔體因粘度太大，流體性能極差，從噴絲孔壓出的絲條不能馬上冷卻，必須對(duì)其加熱緩冷。加熱方式采用加熱套筒式，溫度為350～400℃，否則很容易斷裂，產(chǎn)生斷頭、毛絲。加熱筒的溫度是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，筆者研究了加熱筒溫度對(duì)卷繞絲斷裂強(qiáng)度的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 加熱筒溫度對(duì)卷繞絲斷裂強(qiáng)度的影響

從圖3可看出，隨加熱筒溫度的升高，纖維斷裂強(qiáng)度逐步升高，說(shuō)明加熱筒溫度的升高，有利于纖維力學(xué)性能、物理指標(biāo)的提高。

2.2.5 后處理工藝對(duì)發(fā)絲性能的影響

筆者探討的后處理工藝主要包括:預(yù)熱溫度、拉伸倍數(shù)、熱回縮溫度及回縮率對(duì)PVC發(fā)絲力學(xué)性能的影響。

聚氯乙烯纖維后處理中的預(yù)熱采用循環(huán)熱風(fēng)加熱，熱風(fēng)溫度控制在200～230℃。在這個(gè)范圍內(nèi)，溫度的變化對(duì)拉伸絲的強(qiáng)度無(wú)明顯的影響，但隨著溫度的提高，拉伸倍數(shù)可適當(dāng)提高，成品的沸水收縮率降低。隨著拉伸應(yīng)力的減小，毛絲、斷頭減少。風(fēng)溫對(duì)拉伸工藝及可拉伸倍數(shù)的影響，如表3所示，可見(jiàn)在較低溫度95～150℃時(shí)，毛絲斷頭現(xiàn)象較多，難以持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)，超過(guò)170℃后情況好轉(zhuǎn)。由于纖維的屈服強(qiáng)度隨拉伸溫度的提高而降低，在高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度下拉伸，拉伸應(yīng)力可以減小，有利于減少毛絲和斷頭。溫度愈高，拉伸應(yīng)力愈小。但溫度過(guò)高時(shí)，分子鏈段的活動(dòng)能力很強(qiáng)，大分子的力學(xué)性能，如取向度由于解取向反而隨溫度的升高而降低，達(dá)不到提高強(qiáng)度的目的。因此筆者根據(jù)不同纖度選擇在180～230℃之間。

表3 風(fēng)溫對(duì)拉伸工藝及可拉伸倍數(shù)的影響

拉伸倍數(shù)會(huì)直接影響成品絲的強(qiáng)度、模量、伸度和纖度等。因?yàn)殡S著拉伸進(jìn)行，大分子沿拉伸方向規(guī)則排列，并且由于應(yīng)力和取向誘導(dǎo)結(jié)晶的形成，纖維抗張強(qiáng)度、模量增加，斷裂伸長(zhǎng)減少。圖4為總拉伸倍數(shù)對(duì)纖維強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的影響。

圖4 拉伸倍數(shù)對(duì)纖維強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的影響

另外，拉伸倍數(shù)與噴絲頭拉伸倍數(shù)、原料、紡絲溫度和預(yù)取向度(雙折射）也有關(guān)系。因此，當(dāng)生產(chǎn)新品種或者調(diào)換原料時(shí)，往往需要在計(jì)算的基礎(chǔ)上，對(duì)拉伸倍數(shù)和紡絲工藝進(jìn)行若干次調(diào)整，才能使生產(chǎn)穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量合格。

熱回縮分兩道進(jìn)行，總回縮率不僅對(duì)成品絲的強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率產(chǎn)生重要影響，而且決定著成品絲的高溫收縮率。圖5為纖維總回縮率對(duì)強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率的影響關(guān)系，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨回縮率的增加，纖維的斷裂強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)，而伸長(zhǎng)率卻下降。卷繞絲經(jīng)過(guò)拉伸后，內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生很大的變化。在一定的條件下，絲條內(nèi)部存在的形變內(nèi)應(yīng)力，會(huì)使拉伸絲失去部分經(jīng)拉伸而形成的結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)熱回縮，可以消除內(nèi)應(yīng)力，使拉伸絲性能穩(wěn)定。同時(shí)還可促使絲條進(jìn)一步結(jié)晶，強(qiáng)化其物理性能。隨著熱回縮溫度的提高，拉伸絲的沸水收縮率降低。但溫度過(guò)高，會(huì)使大分子松弛，拉伸應(yīng)力下降，產(chǎn)生解取向，導(dǎo)致絲條強(qiáng)度降低，故最佳溫度應(yīng)在105～115℃之間。

圖5 總回縮率對(duì)纖維強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的影響

2.3 抗菌、抑菌性研究結(jié)論

根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20944.3-2008紡織品抗菌性能的評(píng)價(jià)，檢測(cè)抗菌PVC纖維的抗菌性能。實(shí)驗(yàn)采用振蕩法測(cè)定PVC纖維的抗菌性能。

抑菌率計(jì)算方法如下:

抑菌率=100×(C－A）/C%

其中，A=試樣培養(yǎng)后回收細(xì)菌數(shù)，C=對(duì)照樣培養(yǎng)后回收細(xì)菌數(shù)。

實(shí)驗(yàn)制備的抗菌纖維中抗菌活性組分被均勻分散在纖維的內(nèi)部，隨著纖維的磨損，表面抗菌性能減少，內(nèi)部的抗菌成分由于抗菌劑的“緩釋原理”而顯現(xiàn)，并向外擴(kuò)散，補(bǔ)充抗菌性能，如此周而復(fù)始，使之具有持久性抗菌功能。由于采用共混法，抗菌PVC纖維具備由內(nèi)到外的功能特性，纖維成品抗菌率達(dá)到91%以上，可滿(mǎn)足發(fā)用纖維的實(shí)用要求，如表4所示。

表4 抑菌率測(cè)試結(jié)果

2.4 抗紫外測(cè)試結(jié)果

根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18830-2009進(jìn)行測(cè)定，以紫外線(xiàn)防護(hù)因子(UPF）、UVA及UVB透過(guò)率綜合以表征，經(jīng)測(cè)定，結(jié)果如表5所示。

表5 聚氯乙烯纖維防紫外性能數(shù)據(jù)表

根據(jù)GB/T 18830-2009規(guī)定:當(dāng)樣品的UPF＞30，且UVA的透過(guò)率小于5%時(shí)，可稱(chēng)為“防紫外線(xiàn)產(chǎn)品”。從表5中數(shù)據(jù)可以看出，筆者研發(fā)的假發(fā)用抗紫外PVC纖維UPF值為500，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)值，且UVA及UVB均小于5%，滿(mǎn)足防紫外線(xiàn)產(chǎn)品的要求，且防紫外線(xiàn)性能優(yōu)異。

3 結(jié)論

將含磷抗菌劑與自制Zn-Ni復(fù)合抗紫外材料與聚氯乙烯共混制得功能性母粒，再通過(guò)雙螺桿紡絲得到具有抗菌、防紫外線(xiàn)功能性的發(fā)用聚氯乙烯纖維，并研究了紡絲工藝條件對(duì)成品絲性能的影響，得出以下結(jié)論:

a）對(duì)不同細(xì)菌種類(lèi)抗菌、抑菌率達(dá)到91%以上，抗紫外線(xiàn)系數(shù)UPF值為500;

b）紡絲工藝:PVC熔紡溫度一般控制在160～170℃;紡絲壓力設(shè)在135 kg/cm2;紡絲組件中過(guò)濾網(wǎng)組合為80/250/320目;噴絲后的加熱方式為加熱套筒式，溫度為350～400℃;聚氯乙烯纖維后處理中的預(yù)熱采用循環(huán)熱風(fēng)加熱，熱風(fēng)溫度控制在180～230℃;總拉伸倍數(shù)為3.2;熱回縮溫度在105～115℃。

［1］商成杰.功能紡織品［M］.北京:中國(guó)紡織出版社，2006.

［2］Ahmed M E-T，Shu Y，Tsugio S.Synthesis and silica coating of calcia-doped ceria/plate-liketitanate nanocomposite by seeded polymerization technique［J］.Materials Chemistry and Physics，2007，103:345－350.

［3］Ahmed M E-T，Shu Y，Tsugio S.Synthesis and silica coating of calcia-doped ceria/mica nanocomposite by seeded polymerization technique［J］.Applied Surface Science，2006，252:5063－5070.

［4］徐樸，葉奕梁.防紫外輻射機(jī)理及產(chǎn)品研究［J］.棉紡織技術(shù)，1999，27:389－394.

［5］Yabe S，Yamashita M，Momose S，et al.Synthesis and UV-shielding properties of metal oxide doped ceria via soft solution chemical processes［J］.International Journal of inorganic materials，2001，3:1003－1008.

［6］李哲，張萍，冉璟，等.屏蔽紫外線(xiàn)納米ZnO/TiO2復(fù)合粉體的制備與性能研究［J］.化工新型材料，2006，34(12）:41－44.

［7］Li J，F(xiàn)ang H Q，Chen X P，et al.Structural and photoluminescence of Mn-doped ZnO single-crystalline nanorods grown via solvothermal method［J］.Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects，2009，349:202－206.

Studied on spinning process of PVC fiber for functional wig

Liu Shujia1.3，Guo Nan3，Wang Yimin1，2，Wu Xuebing3

(1.Material Science and Engering Post Doctoral Stations，Donghua University，Shanghai 201620，China; 2.Engineering Research Center of Technical Textiles，Ministry of Education，Donghua University，Shanghai 201620，China; 3.HeNan Rebecca Post Doctoral Stations，HeNan 461000，China）

The functional fiber for wig possess antibiosis and uvioresistant performance could be produced by adding uvioresistant material of Zn-Ni composite and phosphorous antibacterial agent by means of melt spinning were added in PVC fiber for wig in this paper.The effect of spinning process technological Parameters were studied.Suitable spinning process for PVC fiber were determined by adjustment.The antibacterial rate of functional fiber was above 95%.The anti-ultraviolet data of UPF was 500 which was more than standard value，UVA and UVB were all less than 5%.It satisfied the requirement of uvioresistant product.

functional;antibiosis;uvioresistant;fiber for wig; PVC

TQ342.5

B

1006-334X(2012）01-0033-05

2011－12－20

劉術(shù)佳(1983－），女，山西臨汾人，博士學(xué)位，研究方向?yàn)楣δ苄园l(fā)用纖維的研發(fā)，目前從事功能性發(fā)用纖維博士后研究工作，已發(fā)表SCI檢索論文2篇，申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利4項(xiàng)。