錢 娟，張佩華，郭 寧，李治江，謝 婷

(1.東華大學(xué) 紡織學(xué)院, 上海 201620;2.新疆大學(xué) 紡織與服裝學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830046)

高導(dǎo)熱纖維因具有較高的熱導(dǎo)率,能夠使人體皮膚熱量快速擴(kuò)散,給人以冰涼舒適的觸感,被廣泛應(yīng)用于夏季著裝、運(yùn)動(dòng)服裝及室內(nèi)紡織品[1]。纖維根據(jù)導(dǎo)熱性能不同分為熱絕緣纖維、改性導(dǎo)熱纖維和本征導(dǎo)熱纖維[2]。目前導(dǎo)熱纖維以改性導(dǎo)熱纖維為主,通過在紡絲過程中添加高熱導(dǎo)率的物質(zhì)如金屬粒子、礦物質(zhì)等,比如添加玉石粉體得到的涼感錦綸長(zhǎng)絲[3]、涼感滌綸長(zhǎng)絲[4]等。但添加金屬粒子存在帶電的安全隱患,且纖維熱導(dǎo)率提高有限。

聚乙烯長(zhǎng)絲是由聚烯烴經(jīng)熔融紡絲制得的纖維材料,具有重復(fù)的線性分子結(jié)構(gòu),屬于典型的本征導(dǎo)熱纖維,可通過在纖維成型加工過程中改變大分子聚集態(tài)結(jié)構(gòu)獲得特殊的分子鏈構(gòu)型來提高其熱導(dǎo)率[5]。比如,相比普通聚乙烯長(zhǎng)絲,經(jīng)高度拉伸取向得到的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的熱導(dǎo)率可提高幾百倍,其優(yōu)越的導(dǎo)熱性能是改性導(dǎo)熱高分子所不及的[6-7]。包玉秀等[8]研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)UHMWPE織物導(dǎo)熱性能的影響,結(jié)果表明,含UHMWPE長(zhǎng)絲的織物導(dǎo)熱性能明顯優(yōu)于滌綸和錦綸織物,且UHMWPE質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高,織物導(dǎo)熱性能越好。但高結(jié)晶度、高取向度的微細(xì)結(jié)構(gòu)必然會(huì)增加聚乙烯長(zhǎng)絲的強(qiáng)力和模量,織物手感偏硬,且生產(chǎn)工藝難度較大,這導(dǎo)致聚乙烯長(zhǎng)絲在民用領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制。而高密度聚乙烯(HDPE)具有與UHMWPE相同的線性結(jié)構(gòu),以HDPE為原料制備的纖維手感柔軟、彈性好、涼感性能優(yōu)異,適用于涼爽型針織服用產(chǎn)品[9]。謝婷等[10-11]綜述了涼感聚乙烯的導(dǎo)熱性能機(jī)制及其在涼感功能紡織品中的應(yīng)用現(xiàn)狀,對(duì)比研究了涼感聚乙烯長(zhǎng)絲、普通聚酯長(zhǎng)絲、涼感聚酯長(zhǎng)絲的表觀形貌、力學(xué)性能及吸濕性能,結(jié)果顯示,涼感聚乙烯長(zhǎng)絲摩擦因數(shù)小、斷裂伸長(zhǎng)率大,其回潮率大于聚酯長(zhǎng)絲。鑒于由不同生產(chǎn)工藝制得的聚乙烯長(zhǎng)絲的結(jié)構(gòu)及性能存在一定差異,選取5種工藝生產(chǎn)的聚乙烯長(zhǎng)絲作為研究對(duì)象,并選取導(dǎo)熱纖維長(zhǎng)絲(涼感錦綸、涼感滌綸)和普通滌綸長(zhǎng)絲作為參照樣,對(duì)這幾種長(zhǎng)絲的微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、熱學(xué)性能、表面性能以及導(dǎo)濕性能進(jìn)行對(duì)比研究,從而為聚乙烯型涼爽功能織物的加工和應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐,同時(shí)為夏季涼爽功能織物的原料選擇提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選取3個(gè)廠家生產(chǎn)的5種聚乙烯長(zhǎng)絲進(jìn)行研究,其規(guī)格及名稱見表1。其中:UHMWPE的相對(duì)分子質(zhì)量約為500萬,采用凍膠紡絲工藝生產(chǎn);涼感聚乙烯(CPE)的相對(duì)分子質(zhì)量約為20萬,在紡絲熔體中加入涼感母粒并采用熔融增塑紡絲工藝生產(chǎn);普通聚乙烯(PE)采用HDPE經(jīng)熔融紡絲工藝生產(chǎn)。由于聚乙烯分子中不含極性基團(tuán),為改善其著色性和導(dǎo)濕性,在聚乙烯熔體中分別加入聚丙烯和聚酰胺制備聚乙烯/聚丙烯(PE(PP))和聚乙烯/聚酰胺(PE(PA))復(fù)合長(zhǎng)絲。參照樣為涼感錦綸(CPA)長(zhǎng)絲、涼感滌綸(CPET)長(zhǎng)絲以及普通滌綸(PET)長(zhǎng)絲。其中,CPA長(zhǎng)絲為十字截面結(jié)構(gòu),CPET長(zhǎng)絲為圓形截面結(jié)構(gòu),均在紡絲溶液中添加了涼感玉石母粒。

表1 試驗(yàn)材料規(guī)格Table 1 Specifications of the samples

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 微觀結(jié)構(gòu)

采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SU8010型,日本日立)觀察試樣表面和截面的形貌特征,纖維截面通過哈氏切片器制備。采用X射線衍射儀(D/max-2550 PC X型,日本理學(xué))測(cè)試樣品的結(jié)晶度,用哈氏切片器制備粉末樣品,測(cè)試條件:Cu靶(40 kV,150 mA),衍射角為5°～60°。將長(zhǎng)絲試樣梳理成束,采用點(diǎn)光源法測(cè)試聚合物中微晶的取向,測(cè)試條件:Cu靶(40 kV,150 mA),衍射角為5°～60°。

1.2.2 力學(xué)性能

采用并捻聯(lián)合機(jī)對(duì)長(zhǎng)絲試樣進(jìn)行加捻,捻度為100捻/m,參照GB/T 19975—2005《高強(qiáng)化纖長(zhǎng)絲拉伸性能試驗(yàn)方法》及GB/T 14344—2008《化學(xué)纖維長(zhǎng)絲拉伸性能試驗(yàn)方法》,采用紗線強(qiáng)伸度儀(XL-1A型,中國(guó)上海新纖儀器)測(cè)試試樣加捻后的拉伸性能,每個(gè)樣品測(cè)試15次取平均值。

1.2.3 熱學(xué)性能

采用熱重分析儀(TGA 8000型,美國(guó)PerkinElmer)測(cè)試長(zhǎng)絲試樣的熱穩(wěn)定性,測(cè)試條件:50～600 ℃,升溫速率為10 ℃/min,N2氣氛。利用差示掃描量熱儀(DSC 8500型,美國(guó)PerkinElmer)測(cè)試長(zhǎng)絲試樣的熔融溫度及熔融焓,測(cè)試條件:50～300 ℃,升溫速率為10 ℃/min,N2氣氛。采用差示掃描量熱儀(DSC 8500型,美國(guó)PerkinElmer)測(cè)試常溫下長(zhǎng)絲試樣的比熱容,測(cè)試條件:0～40 ℃,升溫速率為5 ℃/min,N2氣氛,比熱容參比試樣為藍(lán)寶石。

1.2.4 表面性能

采用摩擦因數(shù)和接觸角表征長(zhǎng)絲的表面性能。采用纖維摩擦因數(shù)測(cè)量?jī)x(XCF-1A型,中國(guó)上海新纖儀器),利用摩擦輥法測(cè)量長(zhǎng)絲的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)摩擦因數(shù)。摩擦輥材料為金屬,轉(zhuǎn)速為30 r/min,預(yù)加張力為0.1 cN,每種樣品測(cè)試20次取平均值。采用接觸角測(cè)試儀(OCCA15EC型,德國(guó)DataPhysics),利用懸泡法測(cè)試長(zhǎng)絲的接觸角。摩擦因數(shù)越小,接觸角越大,長(zhǎng)絲表面越光滑,越不易被浸潤(rùn)。

1.2.5 導(dǎo)濕性能

利用芯吸效應(yīng)對(duì)長(zhǎng)絲的導(dǎo)濕性能進(jìn)行測(cè)試和表征。采用并捻聯(lián)合機(jī)對(duì)長(zhǎng)絲試樣進(jìn)行加捻,捻度為100捻/m。參照FZ/T 01071—2008《紡織品 毛細(xì)效應(yīng)試驗(yàn)方法》,將長(zhǎng)絲試樣一端固定、一端懸掛一定質(zhì)量的張力夾,浸沒在亞甲基藍(lán)溶液中(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%),采用毛細(xì)管效應(yīng)測(cè)定儀(YG(B)871型,中國(guó)寧波紡織儀器廠)在30 min內(nèi)測(cè)試加捻長(zhǎng)絲的芯吸高度。每個(gè)試樣測(cè)試3次取平均值。

1.2.6 導(dǎo)熱性能

采用并捻聯(lián)合機(jī)對(duì)長(zhǎng)絲進(jìn)行加捻(100捻/m),并采用BCM/60RG型多功能雙面針織圓機(jī)制備雙羅紋織物小樣。參照GB/T 35263—2019《紡織品 接觸瞬間涼感性能的檢測(cè)和評(píng)價(jià)》,采用KES-F7型接觸冷暖感測(cè)試儀(THERMO LABO IIB,日本KES加多技術(shù)有限公司)測(cè)試織物與檢測(cè)板接觸過程中的最大熱流密度qmax(J/(cm2·s)),qmax越大,織物的接觸瞬間涼感性能越好。參照GB/T 11048—2018《紡織品 生理舒適性 穩(wěn)態(tài)條件下熱阻濕阻的測(cè)定》,采用熱阻濕阻測(cè)試儀(中國(guó)寧波紡織儀器廠)測(cè)試織物的熱阻R(m2·K/W),根據(jù)式(1)計(jì)算織物的熱導(dǎo)率k(W/(m·K))。

k=d/R

(1)

式中:d為織物的厚度,m。熱導(dǎo)率越大,織物在穩(wěn)態(tài)條件下的導(dǎo)熱性能越好。

1.2.7 數(shù)據(jù)處理與分析

采用IBMSPSSStatistics23.0進(jìn)行單因素方差分析及事后檢驗(yàn),選擇S-N-K法進(jìn)行多重比較分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 微觀結(jié)構(gòu)

5種聚乙烯長(zhǎng)絲的表面及截面SEM圖見圖1。由圖1(a)可知,UHMWPE長(zhǎng)絲相對(duì)光滑,但由于強(qiáng)力及模量非常高,切片法很難獲取截面,因此無截面圖。CPE長(zhǎng)絲表面分布有低聚物顆粒(見圖1(b)),從截面圖中可以看到均勻分布的涼感母粒(見圖1(f))。普通PE長(zhǎng)絲表面相對(duì)粗糙,有細(xì)小溝壑(見圖1(c)),由于紡絲拉伸時(shí)內(nèi)外層冷卻速率不同,導(dǎo)致PE長(zhǎng)絲截面呈明顯的皮芯結(jié)構(gòu),且皮層與芯層有少量裂痕(見圖1(g))。PE(PP)復(fù)合長(zhǎng)絲表面粗糙,均勻分布有未完全熔融的高聚物小顆粒(見圖1(d)),但截面圖中未觀察到(見圖1(h))。PE(PA)復(fù)合長(zhǎng)絲以聚酰胺6為芯、高密度聚乙烯為皮,采用皮芯復(fù)合紡絲法制備而成。圖1(e)和(i)顯示,PE(PA)長(zhǎng)絲具有明顯的皮芯結(jié)構(gòu),其中PE與PA切片的質(zhì)量比為40∶60[9]。參照樣涼感錦綸、涼感滌綸和滌綸的表面及截面結(jié)構(gòu)分別在文獻(xiàn)[3-4]中有報(bào)道。

試樣的結(jié)晶度和取向度見表2。由表2可知,UHMWPE的結(jié)晶度及取向度最高,這是由原材料的相對(duì)分子質(zhì)量及生產(chǎn)工藝決定的。在凍膠紡絲生產(chǎn)過程中,大量的溶劑解除了大分子之間的相互纏結(jié),有利于在超倍拉伸中形成伸直鏈串晶結(jié)構(gòu),因而UHMWPE具有較高的結(jié)晶度和取向度。CPE采用熔融增塑紡絲工藝生產(chǎn),雖然其相對(duì)分子質(zhì)量不及UHMWPE長(zhǎng)絲,但其結(jié)晶度與取向度也較高,說明在涼感聚乙烯長(zhǎng)絲中也具有相對(duì)較直的分子鏈結(jié)構(gòu)。普通PE長(zhǎng)絲及PE復(fù)合長(zhǎng)絲的結(jié)晶度和取向度均低于UHMWPE和CPE,但結(jié)晶度高于CPA、CPET和PET長(zhǎng)絲試樣。PE與PA的復(fù)合長(zhǎng)絲的取向度略低,這可能與紡絲工藝及原材料有關(guān),也可能是因?yàn)榫埘０贩肿觾?nèi)的酰胺基團(tuán)破壞了整個(gè)結(jié)構(gòu)的規(guī)整性。

圖1 5種PE長(zhǎng)絲的表面及橫截面SEM圖Fig.1 Surface and cross-sectional SEM images of five kinds of polyethylene filaments

表2 試樣的結(jié)晶度和取向度Table 2 Crystallinity and orientation of samples

5種PE長(zhǎng)絲與對(duì)比長(zhǎng)絲試樣的X射線衍射圖見圖2。從圖2(a)可以觀察到:3組試樣的XRD圖在21.3°、23.9°附近出現(xiàn)衍射峰,分別對(duì)應(yīng)(110)、(200)晶面,表明主要存在正交晶相[12];UHMWPE在19.4°處出現(xiàn)(020)晶面的衍射峰[12-13],而CPE、PE在此位置未觀察到衍射峰。PE(PP)與PE具有相同的晶型結(jié)構(gòu)及結(jié)晶度,PE(PA)與CPE具有相同的晶型結(jié)構(gòu),但PE(PA)結(jié)晶度較低。圖2(b)表明參照樣CPA、CPET及PET與上述PE試樣具有完全不同的晶型結(jié)構(gòu)。

圖2 長(zhǎng)絲試樣的XRD圖譜Fig.2 X-ray diffraction of the filament samples

2.2 力學(xué)性能

長(zhǎng)絲試樣的拉伸性能測(cè)試結(jié)果見表3。單因素方差檢驗(yàn)結(jié)果表明,不同長(zhǎng)絲試樣的斷裂強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和初始模量均存在顯著性差異(p<0.01)。S-N-K檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn),UHMWPE長(zhǎng)絲的力學(xué)性能與其他長(zhǎng)絲存在顯著性差異。UHMWPE的斷裂強(qiáng)力是相同細(xì)度CPE的10.2倍、普通PE的9.6倍,斷裂強(qiáng)度是PE(PA)復(fù)合長(zhǎng)絲的6.5倍,初始模量最高,斷裂伸長(zhǎng)率最小。這是因?yàn)閁HMWPE長(zhǎng)絲結(jié)晶度高,分子鏈長(zhǎng)度大,內(nèi)部分子間排列緊密,晶體沿軸向高度取向,因而長(zhǎng)絲具有高強(qiáng)、高模的特性。CPA、CPET、PE(PA)、PET長(zhǎng)絲試樣的斷裂強(qiáng)度和初始模量無顯著性差異,斷裂強(qiáng)度為3.3～3.7 cN/dtex,遠(yuǎn)低于UHMWPE,但高于CPE、PE(PP)和PE長(zhǎng)絲(2.3～2.4 cN/dtex)。PE(PA)由于在紡絲溶液中加入了聚酰胺切片原料,使得復(fù)合纖維分子鏈的剛性和韌性增加,延展性變差,因此,PE(PA)的斷裂強(qiáng)力和初始模量比其他3種聚乙烯長(zhǎng)絲高約1.5倍,斷裂伸長(zhǎng)率比CPE長(zhǎng)絲和PE(PP)復(fù)合長(zhǎng)絲、PE長(zhǎng)絲分別低25.8%、63.6%和66.8%。CPET和PET長(zhǎng)絲的斷裂伸長(zhǎng)率無顯著差異,說明加入的涼感物質(zhì)對(duì)滌綸長(zhǎng)絲的力學(xué)性能沒有顯著影響,這也可能與長(zhǎng)絲試樣的規(guī)格有關(guān)。PE長(zhǎng)絲由于在紡絲過程中未加入其他物質(zhì),分子鏈的柔性和延伸性保持得很好,因而斷裂伸長(zhǎng)率最大。

表3 長(zhǎng)絲試樣的拉伸性能Table 3 Tensile properties of the filament samples

2.3 熱學(xué)性能

2.3.1 熱穩(wěn)定性

不同長(zhǎng)絲試樣的TGA分解曲線及分解溫度見圖3。圖3(a)顯示,UHMWPE的起始分解溫度最高,480 ℃左右質(zhì)量開始下降,550 ℃左右質(zhì)量不再下降,560 ℃后剩余質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0,表示完全分解。PE的起始分解溫度最低,約在309 ℃開始分解,550 ℃后質(zhì)量保持穩(wěn)定。CPE在352 ℃左右質(zhì)量迅速下降,550 ℃后質(zhì)量保持穩(wěn)定。CPET在600 ℃時(shí)剩余質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16.6%,說明還未完全分解,這與加入的涼感玉石粉體密切相關(guān)。其他長(zhǎng)絲試樣在600 ℃時(shí)剩余質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于5%。文獻(xiàn)[14]已證明PET與CPET具有相似的熱穩(wěn)定性,因而圖3中無PET的熱分解曲線。

圖3 長(zhǎng)絲試樣的熱穩(wěn)定性能Fig.3 Thermal stability of the filament samples

選取熱TGA分解曲線上分解速率最大點(diǎn)作為試樣的分解溫度進(jìn)行對(duì)比研究,如圖3(b)所示。由圖3(b)可知,UHMWPE的分解溫度最高,熱穩(wěn)定最好。這是因?yàn)橄啾绕渌麕追N聚乙烯長(zhǎng)絲,UHMWPE的相對(duì)分子質(zhì)量高,結(jié)晶度較高,晶體熔融需要更多的熱量,因而分解溫度較高,熱穩(wěn)定性最好;CPA與CPET的分解溫度其次,這與涼感滌綸和涼感錦綸的分子結(jié)構(gòu)、分子排列以及交聯(lián)點(diǎn)密切相關(guān);PE與CPE的相對(duì)分子質(zhì)量較低,分解溫度最低,熱穩(wěn)定性最差。兩種PE復(fù)合纖維長(zhǎng)絲由于在紡絲過程中分別添加了聚丙烯和聚酰胺,使得聚乙烯的分子間排列發(fā)生了變化,其熱穩(wěn)性能稍好于PE和CPE長(zhǎng)絲。

2.3.2 熔融溫度

進(jìn)一步分析不同種類的PE長(zhǎng)絲及參照樣的熱穩(wěn)定性,以確定其加工溫度。試樣的初始熔融溫度、熔融峰值溫度分別列于表4。由表4可知,CPE的初始熔融溫度最低,在溫度約達(dá)108.74 ℃時(shí)開始熔融。CPE共含兩個(gè)熔融峰:第一個(gè)峰值溫度約為111.84 ℃,但其熔融焓值比第二個(gè)熔融峰的焓值小,這是由添加的涼感物質(zhì)引起的;第二個(gè)峰值溫度約為129.63 ℃,是典型的聚乙烯晶體的熔融峰。聚乙烯復(fù)合長(zhǎng)絲約在110.78 ℃開始熔融,兩種復(fù)合型聚乙烯的最大吸熱峰均約為131 ℃。PE(PP)復(fù)合纖維的第二個(gè)吸熱峰在164.24 ℃處,為典型的聚丙烯材料的吸熱峰值,而PE(PA)復(fù)合纖維的第二個(gè)吸熱峰與CPA、PA相近[15]。

PE和CPA的初始熔融溫度較為接近,但CPA具有兩個(gè)熔融峰。從熔融焓來看,CPA第一個(gè)熔融峰面積較小,此處CPA晶體部分熔融,小部分晶體的晶型發(fā)生改變;CPA的第二個(gè)峰值溫度約為220.17 ℃,此時(shí)吸熱量達(dá)到最大,為CPA的熔融溫度。PE僅有1個(gè)熔融峰,約在132.37 ℃吸熱量達(dá)到最大值。因此,較CPA而言,PE晶體的熱穩(wěn)定性更差。CPET的初始熔融溫度最高,熱穩(wěn)定性最好,其峰值溫度約為251.54 ℃,是典型的滌綸熔融溫度。

表4 長(zhǎng)絲試樣的DSC測(cè)試結(jié)果Table 4 DSC test results of the filament samples

2.3.3 比熱容

比熱容反映纖維材料釋放、儲(chǔ)存熱量的能力或溫度升降的緩沖能力。隨著比熱容增大,纖維材料升高1 ℃需要吸收的熱量隨之增加。在吸熱(放熱)速率相同的條件下,比熱容較大的纖維材料升溫(降溫)速率較慢(需要較長(zhǎng)的時(shí)間),因此,其在溫度快速波動(dòng)的場(chǎng)合保持溫度平穩(wěn)變化的能力較好。20 ℃時(shí)聚乙烯長(zhǎng)絲及參照樣的比熱容見圖4。由圖4可知,普通PE的比熱容最大,PE(PA)復(fù)合長(zhǎng)絲最小。說明普通PE長(zhǎng)絲織物升溫速率較慢,在溫度快速波動(dòng)的場(chǎng)合更有利于保持溫度平穩(wěn)變化。在聚乙烯的紡絲溶液中加入涼感物質(zhì)或其他材料均會(huì)使聚乙烯的比熱容下降。CPA、CPET、PET的比熱容均高于PE(PA)復(fù)合長(zhǎng)絲,低于其他PE長(zhǎng)絲。

圖4 在20 ℃時(shí)聚乙烯長(zhǎng)絲及其對(duì)比試樣的比熱容Fig.4 Specific heat capacity of polyethylene filaments and its control samples at 20 ℃

2.4 表面性能

單絲摩擦因數(shù)越大,表面越粗糙,比表面積越大,因而潤(rùn)濕性能越好。測(cè)試單絲的靜、動(dòng)摩擦因數(shù)及接觸角并進(jìn)行單因素方差分析。結(jié)果顯示,不同長(zhǎng)絲試樣的摩擦因數(shù)存在顯著性差異(顯著性水平p<0.01),但不同長(zhǎng)絲試樣的接觸角無顯著性差異(p>0.01),分布在48°～60°。這可能是因?yàn)榻佑|角的測(cè)試方法本身存在一定缺陷,使得測(cè)得的接觸角更多的是反映平行排列絲束的表面而非纖維表面。摩擦因數(shù)測(cè)試結(jié)果見圖5。圖5顯示,UHMWPE的摩擦因數(shù)最小,說明其表面光滑,不易浸潤(rùn),這與表面形貌觀察結(jié)果一致。UHMWPW長(zhǎng)絲表面的接觸角約為60°,稍大于其他PE長(zhǎng)絲,進(jìn)一步證明其潤(rùn)濕性及絲束之間的抱和性能最差。S-N-K事后檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn),CPET與PE具有相似的摩擦性能,且兩者的接觸角相近,表明PE長(zhǎng)絲的可紡性較好。PE(PP)與CPE具有相似的摩擦性能,且相對(duì)高于PE的摩擦因數(shù)。這是因?yàn)閮烧弑砻婢植加形⑿☆w粒,比表面積相對(duì)較大。PE(PA)與PET具有相似的摩擦性能。由于PET為拉伸變形絲,CPA為十字形截面,因而CPA及PET的摩擦因數(shù)均較大。

圖5 長(zhǎng)絲試樣的摩擦因數(shù)Fig.5 Friction coefficient of the filament samples

2.5 導(dǎo)濕性能

長(zhǎng)絲試樣的芯吸-時(shí)間曲線見圖6。

圖6 長(zhǎng)絲試樣的芯吸-時(shí)間曲線Fig.6 Wicking-time curves of the filament samples

由圖6可知,測(cè)試時(shí)UHMWPE長(zhǎng)絲的液面始終保持不變,因此不具有導(dǎo)濕性。這可能與UHMWPE的摩擦因數(shù)較小有關(guān),UHMWPE表面光滑,復(fù)絲加捻之后抱合力小,單絲之間不能形成交互作用,毛細(xì)管壓力不足,因而加捻長(zhǎng)絲束的芯吸高度為0 mm。不同類型的PE長(zhǎng)絲中,CPE的導(dǎo)濕性能最好,30 min內(nèi)芯吸高度達(dá)125 mm,高于普通PE長(zhǎng)絲,說明涼感母粒的添加有助于提高聚乙烯的導(dǎo)濕性。與相同單纖維線密度的普通PE長(zhǎng)絲相比,PE(PP)長(zhǎng)絲的導(dǎo)濕性較差,說明添加PP可以降低PE的導(dǎo)濕性。PE(PA)皮芯結(jié)構(gòu)復(fù)合長(zhǎng)絲的單絲線密度低于PE長(zhǎng)絲,對(duì)比發(fā)現(xiàn)其芯吸速率略高于普通PE長(zhǎng)絲,但兩者的導(dǎo)濕性能相似。由此說明,PE與PA共混紡絲不能改善PE長(zhǎng)絲的導(dǎo)濕性。

將PE長(zhǎng)絲與其他涼感長(zhǎng)絲進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn),CPA、CPET及PET長(zhǎng)絲的芯吸高度均低于普通PE長(zhǎng)絲。這是因?yàn)槠胀ㄩL(zhǎng)絲表面的溝壑和皮芯結(jié)構(gòu)的分層均可為水分子提供毛細(xì)通道,有利于導(dǎo)濕。與CPA長(zhǎng)絲相比,PE(PA)的芯吸速率先慢后快,1～10 min內(nèi)芯吸速率最大,而CPA長(zhǎng)絲在0～1 min內(nèi)芯吸速率達(dá)到最大,之后慢慢減小。這是因?yàn)樾疚?yīng)形成的初期主要以長(zhǎng)絲表面的毛細(xì)通道為主;PE(PA)復(fù)合長(zhǎng)絲的皮層為無極性基團(tuán)的聚乙烯,截面為圓形,其比表面積小于異截面的CPA長(zhǎng)絲,因而開始時(shí)CPA的芯吸速率較大;隨著時(shí)間的延長(zhǎng),PE(PA)內(nèi)部的酰胺基與毛細(xì)通道共同作用,使得PE(PA)的芯吸速率開始變大。此外,單纖維的線密度也是影響毛細(xì)通道的重要因素,CPET的單纖維線密度較小,因而其導(dǎo)濕性能與CPA接近,同時(shí),由于在紡絲液中添加涼感母粒,CPET的導(dǎo)濕性優(yōu)于PET長(zhǎng)絲。

2.6 導(dǎo)熱性能

織物的導(dǎo)熱性能體現(xiàn)在瞬態(tài)平面方向散熱和穩(wěn)態(tài)垂直方向散熱?？椢锏膓max體現(xiàn)為瞬態(tài)平面方向的導(dǎo)熱性能,而織物的熱導(dǎo)率則體現(xiàn)織物在穩(wěn)態(tài)垂直方向的導(dǎo)熱性能。不同工藝生產(chǎn)的PE長(zhǎng)絲及其對(duì)比試樣制成織物后,其qmax值及熱導(dǎo)率見表5。根據(jù)GB/T 35263—2019《紡織品 接觸瞬間涼感性能的檢測(cè)與評(píng)價(jià)》,當(dāng)qmax≥0.15 J/(cm2·s)時(shí),說明織物具有接觸瞬間涼感性能。從表5可以看出,除PET、CPET織物外,不同工藝生產(chǎn)的PE制備的織物及涼感錦綸織物均具有較好的接觸瞬間涼感。所有PE織物中,UHMWPE織物的qmax值最大,接觸涼感性能最好,但低于參照樣CPA織物;PE織物的qmax值最小,接觸涼感性能最差。

單因素方差檢驗(yàn)結(jié)果表明,不同PE長(zhǎng)絲制備的織物接觸瞬間涼感及熱導(dǎo)率存在顯著性差異(p<0.01)。S-N-K事后檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn),UHMWPE、PE(PA)、CPE具有相似的接觸瞬間涼感性能,PE與PE(PP)具有相似的接觸涼感性能。研究表明,聚合物的熱量主要是沿著共價(jià)鍵構(gòu)成的分子鏈軸向傳遞,因而其在纖維方向的熱導(dǎo)率依賴于結(jié)晶度、取向度、分子鏈長(zhǎng)度等因素[16]。由于UHMWPE長(zhǎng)絲具有較高的結(jié)晶度和取向度,分子鏈段長(zhǎng)度較其他PE長(zhǎng)絲高,因而其織物在平面方向(瞬態(tài))和垂直方向(穩(wěn)態(tài))均具有良好的導(dǎo)熱性能。同時(shí),由表5還可以看出,在PE熔體中加入涼感物質(zhì)或PE與PA和PP等物質(zhì)共混紡絲均可有效提高織物的熱導(dǎo)率和瞬間接觸涼感值。

表5 聚乙烯及其對(duì)比試樣織物的qmax值及熱導(dǎo)率

3 結(jié) 論

測(cè)試5種不同種類聚乙烯長(zhǎng)絲的微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、熱學(xué)性能、表面性能、導(dǎo)濕性能和導(dǎo)熱性能,并與涼感滌綸、涼感錦綸、普通滌綸長(zhǎng)絲進(jìn)行對(duì)比分析,得出以下結(jié)論:

(1)UHMWPE、涼感聚乙烯、普通聚乙烯、復(fù)合聚乙烯(聚丙烯)的結(jié)晶度及取向度均高于涼感錦綸、涼感滌綸。但聚乙烯長(zhǎng)絲熱穩(wěn)定性較差,除UHMWPE長(zhǎng)絲外,普通聚乙烯在309.00 ℃開始分解,涼感聚乙烯在108.74 ℃開始熔融,熱穩(wěn)定性能均比改性導(dǎo)熱纖維差。

(2)不同工藝生產(chǎn)的聚乙烯材料的比熱容具有較大差異,在紡絲溶液中加入涼感材料或采用皮芯復(fù)合工藝生產(chǎn)聚乙烯會(huì)使材料的比熱容下降。普通聚乙烯長(zhǎng)絲的比熱容最大,具有較好的儲(chǔ)存熱量的能力,在溫度波動(dòng)大的場(chǎng)合保持溫度平穩(wěn)變化的能力較好,且其摩擦因數(shù)介于UHMWPE和涼感滌綸長(zhǎng)絲之間,具有較好的可紡性,且潤(rùn)濕及導(dǎo)濕性能優(yōu)異,適用于制備兼具涼感功能及舒適性的紡織品。

(3)UHMWPE由于結(jié)晶度及取向度較高,斷裂強(qiáng)度是普通聚乙烯的9.6倍,初始模量最大而斷裂伸長(zhǎng)率較小,因而織物手感偏硬,不適宜針織服用紡織品的加工。普通純聚乙烯長(zhǎng)絲的強(qiáng)力雖較小,但斷裂伸長(zhǎng)率大于其他涼感功能長(zhǎng)絲,具有較好的彈性和延伸性,適用于涼感功能針織產(chǎn)品的加工。

(4)5種聚乙烯纖維均具有較好的接觸涼感及導(dǎo)熱性能。其中,UHMWPE的接觸瞬間涼感性能最好,而PE最差。PE中加入涼感物質(zhì)或其與PP、PA共混紡絲,均能有效提高織物的瞬間接觸涼感和熱導(dǎo)率。