保暖强化功能聚丙烯纤维（蒙泰丝®）的研发及应用

郭清海，潘 丹，陈 龙

（1. 广东蒙泰高新纤维股份有限公司，广东揭阳 522000；2. 东华大学材料科学与工程学院，上海 201620）

1954年，意大利科学家Natta首次以丙烯为单体通过配位聚合成功合成了聚丙烯，并在1957年由意大利蒙特卡蒂尼公司首次实现工业化。2016年，全球聚丙烯产能约为7 680万吨，需求约为6 719万吨。2016年，我国的聚丙烯产量约为1 769万吨，同比增长约4%，预计到2020年，我国聚丙烯产能将达到3 100万吨，需求约为2 580万吨。从全球聚丙烯纤维产能分布发现，西欧和北美聚丙烯纤维产能占据了全球产能的一半。2015年，我国的聚丙烯纤维产量为25.94万吨，同比下降2.1%，而2016年，全国聚丙烯纤维产量为24.64万吨（1～11月），同比增加9.3%。2012年，我国聚丙烯纤维的服用、家用、产业用的比例分别为5%、34%、61%；到2014年，服用、家用、产业用的比例分别为12%、39%、49%。可以发现，服用聚丙烯纤维有较快增长，同时，产业用聚丙烯纤维占据主导地位[1]。

聚丙烯纤维在五大合成纤维中具有三种特殊性能：（1）最轻质，密度仅为0.91 g/cm3，在五大纶中最小，比涤纶轻约34%；（2）最保暖，保温率为36.49%，在五大纶中最高，是涤纶的1.7倍；（3）最疏水，聚丙烯纤维回潮率几乎为零，疏水导湿性能最好[2]。聚丙烯纤维还具有较好的耐酸碱性能，耐热老化性能，经适当改性处理，可以制得性能优异的耐候、耐热、耐酸碱聚丙烯纤维[3]，适合应用于工程领域。中空纤维对热传导具阻隔作用，制成的织物具有保暖性能。在纤维中加入具有发射远红外线功能的远红外辐射材料而赋予纤维远红外线辐射功能是制备保暖纤维的另一有效手段[4]。保暖服装的发展趋势是既轻又暖，中空远红外聚丙烯纤维加工过程简单，成本低廉，应用广泛，制成中空纤维后不但成本降低，且能为织物带来更为轻质弹性、良好透湿性以及舒适的保暖和保健效果[5]。在不破坏聚丙烯纤维其他优良特性的基础上，开发中空远红外聚丙烯纤维“蒙泰丝”，能在一定程度上满足人们对于高档服装面料、装饰面料的要求，有利于提高企业核心竞争力。

广东蒙泰高新纤维股份有限公司在新型功能性聚丙烯长丝方面取得了大量创新性成果。近三年，已实施科技成果转化项目21项，拥有高强度低收缩聚丙烯长丝、超细旦聚丙烯长丝等生产核心技术，并获得发明专利5项，授权软件著作权1项。本实验旨在提升远红外发射功能粉体在聚丙烯纤维中的分散性，提高聚丙烯中空纤维的中空度及稳定性，开发中空远红外聚丙烯长丝的生产技术，并实现在保暖面料方面的应用。

1 实验

1.1 原料与试剂

聚丙烯切片，MI=35g/min的纤维级树脂，自制。远红外发射粉体，平均粒径0.3µm，上海康必达科技实业有限公司。无水乙醇，上海振兴化工一厂提供，分析纯（AR）。环己烷，上海化工厂提供，分析纯（AR）。偶联剂信息如表1所示。

表1 偶联剂编号及基本特性

1.2 样品制备

1.2.1 超细远红外粉末表面处理

分别将含量为0%、3%、5%、8%、10%的偶联剂(1#～4#)及乙醇溶液与远红外粉体共混，振荡5min使之充分润湿。在强力搅拌器搅拌下，水浴加热，逐渐升温到80℃，恒温回流60min。将处理好的样品放在鼓风干燥箱中烘干，干燥箱温度为67℃，烘干后研磨分级。

1.2.2 超细远红外聚丙烯切片的制备

采用上海化工机械四厂SQ-2型塑料造粒机，切断速率为400r/min。其造粒工艺参数如表2所示。

表2 造粒工艺参数

1.2.3 远红外聚丙烯POY纤维的制备

超细远红外聚丙烯切片在真空烘箱中75℃烘干，保证含水率低于0.005%，避免产生气泡造成断丝。螺杆各区温度：一区（220～250）℃，二区（230～260）℃，三区（250～280）℃，四区（240～270）℃，五区（230～260）℃。过滤器温度（230～260）℃，纺丝箱温度（240～270）℃。螺杆挤出机出口压力≥7MPa，减去熔体管道压力损失保证计量泵前压力≥3MPa。采用中空喷丝板（2C形式）纺制中空纤维，按照不同规格调整海砂层目数，以达到合适的组件压力，一般控制在（5～10）MPa。冷却吹风风速为（0.3～0.7）m/s，风温为（24±1）℃，相应温度为65%。上油在侧吹风视窗下油嘴单面上油，距喷丝板（150～170）cm，上油率（0.3～0.7）%。导丝盘速率为（2 500～3 000)m/min，卷绕头速度比导盘快（50～100）m/min，卷绕角（7～8）度。

1.2.4 远红外聚丙烯DTY纤维的制备

DTY加工工艺参数为：第一热箱温度为（150～170）℃，根据纱的D数和F数而定，D数少温度稍低；第二热箱温度为（100～120）℃。拉伸速度（200～300）m/min，拉伸倍数1.8～2.5倍，D/Y值1.1～1.5。第二罗拉到第三罗拉一般采用超喂5%～8%，控制网络的紧密，第三罗拉到卷绕一般采用超喂（8～15）%，决定成形的好坏。油轮转速（0.5～2）r/min，含油（0.5～2.5）%。

1.3 测试

1.3.1 沉降速率

环己烷为无色透明液体，密度为 0.799g/cm3（20℃），折光率为1.426 4（25℃）。环己烷为典型的非极性有机溶剂，极性与聚丙烯相近，可以用环己烷作为分散介质来模拟远红外粉末在PP中的分散及其之间的相互作用。通过测定不同时间点(t)超细远红外粉末/分散介质体系的吸光度(LAR)，做出LAR－t曲线，相对比较不同表面处理方法所得产物在分散介质（乙二醇）中的分散性能。

1.3.2 等温结晶

将样品放置在两片盖玻片之间，在250℃熔融5min，以破坏样品的热历史，并压制成厚度为100μm的薄片，然后将熔融的样品迅速转移至热台上，在设定的结晶温度（110℃）下进行等温结晶，用偏光显微镜观察其结晶形态并拍摄结晶照片。

1.3.3 流动性能

采用Rosand RH-7型流变仪，在（230～260）℃下测定聚丙烯/超细远红外粉末共混物及纯PP熔体的切应力σw和切变速率γw，通过仪器自动进行切变速率校正（γw）校，计算表观黏度ηa。

1.3.4 分散性及中空形貌

将纤维用哈氏切片器切片后抽真空喷金，用JSM-5600LV型数字化扫描电镜（SEM）观察试样横截面的形貌并摄影。

1.3.5 强伸度

先设定XL-1型纤纱强伸度仪的拉伸速度、纤度、夹距，分别夹持初生纤维和牵伸丝试样进行测试。

1.3.6 远红外发射性能测试

采用IRE-1型红外辐射测定仪；以黑体作为参比，在50℃下测试试样在不同波长的法向比发射率，并在不同波长范围内作积分得到积分发射率。

2 结果与讨论

2.1 超细远红外粉体的分散性能

2.1.1 超细远红外粉体在环己烷中的分散性能

环己烷为典型的有机溶剂，性能稳定，不会与偶联剂之间产生化学反应，为此可以用环己烷作为分散介质来模拟粉体在纤维中的分散及其之间的相互作用，采用此种方法具有较强的可操作性且灵活机动，随时可根据结果调整研究方案。并通过此法预先得知哪种偶联剂会改善粉体在纤维中的分散性能，采用逐步择优的研究方法，为下一步选择最佳偶联剂添加量打下基础。

分别采用1#～4#偶联剂(处理量：3%)处理粉体，分别取样并通过光学显微镜观察配好的粉体－环己烷溶胶，放大倍数为40×10×3。处理后效果见图1。未经处理的和经过1#、4#偶联剂处理的粉体无法稳定的分散在环己烷中，形成絮状沉淀，且与环己烷呈明显的界面不浸润状态；2#、3#偶联剂处理后的粉体可以稳定地分散在环己烷中。

水源地2011～2016年年平均值（全评价）水质依次为劣V类、劣V类、Ⅳ类、Ⅳ类、V类、Ⅳ类。可以看出，水源地氨氮，总磷等有逐年好转的趋势，但是COD存在一定的水质恶化风险。

图1 粉体/环己烷溶胶中粉体的分散情况

由图1（a）、图1（b）可以看出，经2#、3#偶联剂处理后，粉体表面性能发生改变，可以比较均匀地分散在环己烷中，由未经处理的粉体及用1#、4#偶联剂处理的粉体不能均匀的分散在环己烷中，且易形成较大的凝聚颗粒。因此，我们排除掉1#、4#偶联剂，选择2#、3#偶联剂进一步研究其添加量的变化对粉体在分散介质中分散性的影响。

2.1.2 超细负氧远红外粉体在分散介质中的分散性

通过测定经一定时间在不同离心速率条件下(r/min)超细远红外粉体/分散介质悬浮体系的吸光度(LAR)，做出离心速率－吸光度曲线，如图2所示，用以相对比较不同表面处理所得产物在分散介质中的分散性能。如表面处理效果良好，则粉体中将有大部分的粒子的表面能态被降低，表面电荷被消除，表面极性被减弱，与高聚物的亲和力将增强，其在高聚物及相应密度的溶剂中的分散性能将得到提高。这样表面处理效果良好的粉体粒子将在溶剂中得到较好的分散，有大部分粒径超细级的粒子不会团聚，将悬浮在溶剂的上层，经同样时间的高速离心沉降之后，仍悬浮在上层清液，所测得的吸光度将大于表面处理效果不佳的相应粉体。

根据表3中的数据，分别以离心速率为横坐标、吸光度为纵坐标作图，图2即为环己烷溶胶在不同离心速率下，经离心后上层清液对可见光的吸光性能。

表3 吸光度实验数据

图2 离心速率－吸光度变化曲线图

图2表明，在离心力的作用下，粉体逐渐沉降到底部，上层粒子减少。且当2#、3#偶联剂的用量均为8%时，样品的吸光度随离心速率上升而下降的趋势最为平缓，在环己烷中的稳定性明显增强。继续比较2#、3#的处理效果，发现3#偶联剂用量为8%时，粉体的沉降性能最好，其表面处理效果最好。最终偶联剂用量大于常规粉体处理量1%，这主要是因为如前所说粉体的粒径较细，造成了偶联剂用量较大，也可能是部分偶联剂在粉体表面不仅仅形成了单分子层覆盖。

2.1.3 远红外超细粉体在聚丙烯中的分散性

最有效而直接的检验粉体在PP基体中的分散性是将粉体与聚丙烯进行共混纺丝，分别截取不同添加量的共混聚丙烯纤维，经过扫描电镜观测纤维表面的状况，观察粉体分散性，有无团聚现象的产生，见图1。

图3 不同添加量的远红外粉体/ PP共混纤维表面SEM照片

从图3中我们可以看出，粉体/PP共混纤维表面存在着大量细小的白色颗粒，使得共混纤维表面很不光滑，且随着添加量的增加而不断增多，这些白色颗粒为粉体。大部分粉体在纤维表面均匀分布，且粒径在300nm左右，这说明粉体可以很好地分散在聚丙烯基体中。另外，当粉体添加量大于1.5%时，团聚现象就比较明显。说明粉体的添加量应该控制在1.5%以内，以防止粉体的团聚现象影响其纺丝性能以及纤维机械性能及其他性能。

2.2 远红外超细粉体对聚丙烯结晶性能的影响

图4 远红外粉体/PP共混体系结晶形态偏光显微镜照片

由图4可得，粉体的加入使得单位面积内晶核的数量增加。通过比较纯PP和共混PP的结晶图片可以发现，粉体的加入可以提高PP的结晶温度，究其原因是负氧离子粉体在聚丙烯结晶的过程中部分作为“成核剂”，起“异相成核”的作用。随着负氧离子粉体含量的增加，PP晶核数量变化很小，这说明少量的粉体便能起到很好的成核作用。

用偏光显微镜观察纯PP和共混PP结晶完全后的结晶形态，如图5所示。

图5 远红外粉体/PP共混体系结晶形态偏光显微镜照片

由图5可以发现，粉体改性后的PP在偏光显微镜下能观察到明显的马尔他十字消光现象，说明均形成了明显的球晶。随着负氧离子粉体的增加，其马尔他十字消光现象越来越模糊，这主要是因为粉体本身作为细小的晶体存在着光的散射、折射等作用，从而影响了球晶的马尔他十字消光现象。

此外，从图5 (a)是纯PP的POM照片可以发现，PP的球晶尺寸大约在150μm，当共混粉体后，球晶尺寸下降到大约50μm 。说明粉体的加入对PP球晶尺寸有较大的影响，这是因为粉体在聚丙烯结晶的过程中部分作为“成核剂”，起“异相成核”的作用，使大量的晶核在有限的空间里生长，造成球晶的挤压与碰撞，使球晶尺寸减少，甚至使有些难以形成。由此可以推测，负氧离子粉体的加入可以增加PP的韧性。由图5可以发现，随着粉体含量的增加，PP球晶尺寸变化很小，这说明少量的粉体便能起到很好的成核作用。

2.3 远红外超细粉体/聚丙烯复合体系流动性能

2.3.1 剪切速率对复合体系流动性能的影响

剪切速率对复合体系流动性能的影响见图6。

图6 远红外粉体/PP共混体系的流变曲线

随着剪切速率的增大，粉体/PP共混体系表观黏度下降。在低温下，剪切黏度随剪切速率的增加而大幅度下降，为典型的切力变稀流体。随着温度的升高，剪切黏度随剪切速率的增加而下降的幅度放慢。随着温度的上升，流动曲线逐渐平缓，即表现在黏度下降幅度随温度的上升而减小。

2.3.2 温度对复合体系流动性能的影响

图7 远红外添加量为1.0%的PP共混体系的流变曲线

随着剪切速率的增大，粉体/PP共混表观黏度下降。在低温下，剪切黏度随剪切速率的增加而大幅度下降，为典型的切力变稀流体。随着温度的升高，剪切黏度随剪切速率的增加而下降的幅度放慢。随着温度的上升，流动曲线逐渐平缓，即表现在黏度下降幅度随温度的上升而减小。此外，表观黏度随着温度的升高而逐渐降低。

2.3.3 粉体含量对复合体系流动性能的影响

由图8可以观察到，在同一温度、同一剪切速率下，随着粉体含量的增加其表观黏度略有上升，但幅度不大，这说明在纺丝过程中随着粉体含量的增加应适当提高纺丝温度。

图8 远红外添加量为1.5%的PP共混体系的流变曲线

2.4 远红外超细粉体/聚丙烯中空纤维性能

2.4.1 物理机械性能

作为材料使用时，总是要求高聚物具有必要的力学性能的。可以说，对于大部分应用而言，力学性能比高聚物的其它物理性能显得更为重要。纤维的力学性能指标主要包括断裂强度、断裂伸长等。纤维的拉伸—形变曲线反映了纤维在受到逐渐增加的轴向作用力而产生延伸直至最终断裂的全过程中，张力（负荷）与伸长的依赖关系。在纱线强伸度仪上测定其力学性能，表4为共混纤维的几项基本性能对比[5-6]。

表4 远红外粉体/PP共混牵伸纤维基本性能

从表4中可以得到，ANIPP1至ANIPP5样品的断裂强度基本与纯PP纤维（ANIPP0）保持相同水平，这表明粉体的加入对PP的机械性能未有影响。ANIPP1至ANIPP5样品的断裂生长率比纯PP纤维（ANIPP0）要大，这表明粉体加入到聚丙烯基体中能起增韧的作用。总之，远红外中空PP纤维具有良好的力学性能，可以较好地满足服用或制作其它纺织品的要求。

2.4.2 中空度

利用纤维截面的扫面电镜照面来计算中空纤维的中空度是比较精确有效的方法，在实验的过程中用哈氏切片机制样的过程非常关键，不能对纤维进行挤压而造成中空形态的变化。

图9 不同添加量的远红外粉体/ PP共混纤维表面SEM照片

POY纤维中空度为25.6%，DTY加工后的纤维中空度为10.5%，这表明纤维有良好的中空稳定性和中空度，满足预期要求。

2.4.3 远红外辐射性能

我们选择ANIPP2样品进行远红外测试，共混纤维的远红外辐射性能见表5，在各个波段均具有较高的远红外辐射性能，预计结合中空的形态，织物会有很好的保暖效果。

表5 远红外中空PP纤维的远红外辐射性能

表中F1—全波长积分发射率；F2—（8～25）μm积分发射率；F3、F4、F5、F6、F7分别为中心波长（8.45、9.50、10.60、12.00、13.50）μm的发射率，带宽为1μm；F8—（14～25）μm积分发射率。

2.5 远红外中空PP纤维的应用

以上技术研制的远红外中空细旦聚丙烯长丝成功地在广东蒙泰高新纤维股份有限公司实施了产业化，并在佐丹奴内衣上应用。经第三方检测，纤维远红外发射率达到了88%，20min后的温升值较对比样提高了25℃。以45%的棉，47%的蒙泰丝，8%的弹力丝制成的保暖内衣售价高达150元，2016年实现销量60万件，2017年实现销量65万件，取得了很好的经济效益。

3 结论

探明了远红外纳米粉体聚丙烯共混体系的分散性、结晶性和流动性，解决了粉体在纤维中的分散性，提高了中空度及其稳定性，成功研发了中空度达10%，远红外发射率达远红外发射率达88%，20min温差达25℃的细旦聚丙烯长丝，并实现了其在内衣上的商品化。

[1]中国化学纤维工业协会.2016年全国化纤行业基本情况统计（1-11月)，http://www.ccfa.com.cn/html/tjsj/5947.html#

[2]蔡再生. 纤维化学与物理[M]. 中国纺织出版社,2009.

[3]储才元, 姜星明. 产业用纤维材料的耐候性和耐热性研究[J]. 东华大学学报(自然科学版),1992(3):46-55.

[4]张兴祥. 远红外纤维和织物及其研究与发展[J].纺织学报, 1994, 15(11):42-45.

[5]李 剑. 关于我国发展环保型再生纤维探究[J].纺织报告, 2017(9):68-69.

[6]张 鑫. 新型中空纤维保温吸湿排汗面料的开发[J]. 印染 , 2016(17):29-30.