碱减量率对涤纶工业丝表面及拉伸性能的影响

普丹丹 叶云芳

摘要： 文章采用4种碱处理方案制得4种不同碱减量率的涤纶工业丝，探讨了碱减量率对涤纶工业丝表面形貌、水润湿性能及机械性能的影响。结果表明，未经碱处理的涤纶工业丝表面光滑，经过碱处理的涤纶工业丝表面形态粗糙。5种试样中，碱减量率为22.60%的涤纶工业丝的浸润性能最好，碱减量率为23.95%与13.82%的涤纶工业丝的浸润性能次之，未经碱处理的涤纶工业丝浸润性能最差。碱减量率为13.82%时，涤纶工业丝的拉伸性能受到的损伤可忽略，随着碱减量率的增加，其拉伸性能的损伤越大;碱减量率为33.77%時，其拉伸断裂强度和伸长率相较于碱处理前分别降低了21.13%和19.17%。

关键词： 涤纶工业丝;碱减量;表面性能;润湿性能;拉伸性能

中图分类号： TS102.522

文献标志码： A

文章编号： 1001-7003（2020）11-0008-05

引用页码： 111102

Abstract： Four polyester industrial filaments with different alkali deweighting rates were prepared by four alkali treatment schemes. The effects of alkali deweighting rates on the surface morphology， water wettability and mechanical properties of polyester industrial filaments were discussed. The results showed that the surface morphology of polyester industrial filaments without alkali treatment was smooth， while the surface morphology of polyester industrial filaments after alkali treatment was rough. The polyester industrial filaments with alkali deweighting rate of 22.60% had the best wetting performance among the five samples， followed by the polyester industrial filaments with the alkali deweighting rates of 23.95% and 13.82% respectively， and the polyester industrial filaments without alkali treatment had the worst wetting performance. When the rate of alkali deweighting was 13.82%， the damage to tensile properties of polyester industrial filaments could be ignored. With the increase of alkali deweighting rate， the damage of their tensile properties was greater. When the rate of alkali deweighting was 33.77%， the tensile breaking strength and elongation were 21.13% and 19.17% lower than those before alkali treatment.

Key words： polyester industrial filaments; alkali deweighting; surface properties; wettability; tensile properties

涤纶工业丝不仅具有普通涤纶良好的化学稳定性，还具有高强度、高模量、低延伸、耐冲击、耐疲劳等优良的物理机械性能[1]。近30年来，涤纶工业长丝以其优良的物理机械性能已被广泛应用于汽车工业、建筑工程、包装材料、休闲运动、防护设施等领域[2-3]。但是由于涤纶工业丝结晶度高，分子间作用力大，表面形态光滑致密，缺少极性基团[4]，故呈现很强的化学惰性，限制了其复合材料产品的应用。故对涤纶工业丝进行适当的表面改性，改变表面形态，提高表面能，是改善涤纶工业丝复合材料产品性能的技术关键。

为此，众多科研工作者采用对涤纶进行表面改性处理来改善其表面性能的不足。为了改变涤纶表面的形态及性质，研究人员探索的方法主要有：碱处理[5-6]、等离子体处理[7-9]、生物酶处理[10-11]、接枝改性处理[12]等。然而，大多数方法在实际应用中都有一定的局限性。比如碱处理在处理工艺不合理的情况下，就会在一定程度上损伤涤纶的本体性能。本文在前人研究的基础上，优化碱处理工艺，通过分析碱减量率对涤纶工业丝表面及拉伸性能的影响，寻求在尽量不损伤涤纶本体性能的基础上，改善涤纶表面形态的碱处理工艺，以期为实际应用提供参考。

1 实 验

1.1 材 料

涤纶工业丝（浙江古纤道新材料有限公司）规格为55.6 tex/96f（500 D/96f），氢氧化钠（分析纯，杭州高晶精细化工有限公司），阳离子型抗静电剂SN（工业级，江苏省安海石油化工厂）主要成分为十八烷基二甲基羟乙基季铵硝酸盐，表面活性剂1227（工业级，杭州科峰化工有限公司）主要成分为十二烷基二甲基苄基氯化铵。

1.2 仪 器

AL204分析天平（梅特勒托利多仪器（上海）有限公司），DHG-9146A鼓风干燥箱（上海精宏实验设备有限公司），CH1015超级恒温槽（上海衡平仪器仪表厂），ALTRA55场发射扫描电子显微镜（德国Carl Zeiss公司），DCAT11接触角分析仪（德国Dataphysics公司），KES-G1多功能拉伸仪（日本Kato-Tech公司）。

1.3 方 法

1.3.1 碱处理工艺

首先，将涤纶工业丝进行预处理，绕成“8”字型，置于NaOH質量浓度3 g/L、抗静电剂SN质量浓度2 g/L的混合溶液中，浴比1︰100，在50 ℃条件下超声清洗30 min，然后用去离子水多次冲洗，干燥后命名为PF-0。

然后，将PF-0进行碱减量处理，处理方案如表1所示。处理工艺为：温度90 ℃，浴比1︰100，时间50 min，经过热水、冷水反复洗涤，直至pH值小于8。最后，将工业丝取出放入烘箱65 ℃下干燥3 h。

涤纶工业丝的分子结构是聚对苯二甲酸乙二醇酯，其在碱性条件的作用下容易发生水解，使得其表面产生刻蚀。本文考察了加工液中碱剂及乳化剂质量浓度对涤纶工业丝刻蚀程度的影响，并以碱减量率定量评价，碱减量率由下式计算得到。

式中：P为碱减量率，%;m0为涤纶工业丝碱处理前在标准状态下平衡6 h后的质量，g;m1为涤纶工业丝碱处理后，经烘干后在标准状态下平衡6 h后的质量，g。

1.3.2 表征方法

1） 表面形貌。采用德国FE-SEM观察不同减减量率的涤纶工业丝的表面形貌，加速电压3 kV。测试前，取少量涤纶工业丝剪成5 mm长的小段儿，用导电胶固定于铝台上，对样品进行镀金，镀金工艺参数为10 mA、50 s。

2） 动态接触角的测试。根据Wilhelmy天平法，采用DCAT11接触角分析仪对涤纶工业丝的动态接触角进行测试。Wilhelmy天平法对试样的要求较高，制样之前将待测的涤纶工业丝试样置于60 ℃的烘燥箱中2 h，以除去表面的水分，从而减小实验误差，然后按照动态接触角测试的制样示意图制备试样（图1）。测试时，工业丝插入液体中的速率设定为0008 mm/s，工业丝插入液体的深度设定为5 mm，每秒测量5个数据点。每组样品至少测试5次，取平均值。

3） 单丝拉伸性能测试。参照ISO 11566—1996《纤维单丝拉伸强度测试标准》，利用KES-G1多功能拉伸仪对涤纶工业丝单丝的拉伸性能进行测试，每组样品的有效样本容量为30个。试样在进行测试之前，需要在温度22 ℃、相对湿度65%的环境下平衡4 h以上。测试在相同的环境下于等速拉伸模式下进行，设定拉伸速率为2 mm/min。为了验证两组试样的测试结果是否具有显著性差异，在α=0.05水平下对实验数据进行T检验。

2 结果与分析

2.1 碱减量率

经4种不同碱处理方案处理后，涤纶工业丝的碱减量率如表2所示。

从表2数据可以看出，4种不同碱处理工艺处理的涤纶工业丝，其碱减量率有明显的变化。当氢氧化钠的质量浓度为10 g/L时，表面活性剂1227的质量浓度由1 g/L增大至2 g/L，碱减量率由13.82%增加至22.60%;当表面活性剂1227的质量浓度为1 g/L时，氢氧化钠的质量浓度由10 g/L增大至15 g/L时，碱减量率由13.82%增加至23.95%;当氢氧化钠的质量浓度为15 g/L，表面活性剂1227的质量浓度为2 g/L时，碱减量率高达33.77%。

2.2 碱减量率对涤纶工业丝表面形貌的影响

以FE-SEM考察了碱减量率分别为0、13.82%、22.60%、23.95%和33.77%5种涤纶工业丝试样的表面形貌，结果如图2所示。

仅经去油处理的工业丝碱减量率为0，其SEM照如图2（a）所示，工业丝表面平整光滑，呈圆柱状。当碱减量率为13.82%时，工业丝的表面形貌如图2（b）所示，受到碱处理对涤纶刻蚀作用，工业丝表面变得粗糙，密布着点式凹坑和小沟痕。图2（c）（d）分别为22.60%和23.95%碱减量率的工业丝SEM照，虽然两者的碱减量率接近，但是通过对比高倍率下SEM照，不难发现碱减量率为22.60%的涤纶工业丝表面凹坑较深，碱减量率为23.95%的涤纶工业丝表面凹坑较大，表明这两种条件下碱处理对涤纶工业丝损伤较大。产生这种现象的主要原因与这两种情况下碱处理的工艺条件有关。碱减量率为22.60%的涤纶工业丝表面凹坑较深，说明该碱处理工艺中表面活性剂的浓度偏高，表面活性剂的渗透作用使得涤纶工业丝的水解向涤纶工业丝的内部进行。碱减量率为23.95%的涤纶工业丝表面凹坑面积较大，说明该碱处理工艺中氢氧化钠的浓度偏高，造成水解速率过快，产生了较大面积的凹坑。碱减量率为33.77%的涤纶工业丝的SEM照如图2（e）所示，可以明显看出涤纶工业丝表面有清晰的片状，表明涤纶丝在碱处理的过程中出现了“剥皮现象”。这主要是由于随着碱处理过程中氢氧化钠与表面活性剂浓度的进一步增大，使得涤纶工业丝的水解作用进一步加剧，从而产生大面积的脱落。

2.3 碱减量率对涤纶工业丝浸润性能的影响

动态接触角是表征固体浸润性能的指标[13]，动态接触角越小，表明固体与液体之间的浸润性能越好。碱减量率对涤纶工业丝与水的动态接触角的影响如图3所示。

由图3可以看出，5种涤纶工业丝试样中，碱减量率为22.60%的涤纶工业丝与水的动态接触角最小，为47.68°，表明碱减量率为22.60%的涤纶工业丝与水的浸润性能最好;碱减量率为23.95%与13.82%的涤纶工业丝与水的动态接触角略有增大，分别为55.43°和59.29°;碱减量率为33.77%的涤纶工业丝与水的动态接触角进一步增大，为72.38°;碱减量率为0（未经碱处理）的涤纶工业丝与水的动态接触角最大，为78.89°，表明未经碱处理的涤纶工业丝与水的浸润性能最差。这主要是由于涤纶除大分子两端各有一个羟基外，分子中不含其他亲水性基团，而且结晶度高，分子排列紧密[14]。经过碱处理，涤纶分子发生水解，产生的羧基和羟基等亲水性基团增多，使得涤纶工业丝与水的浸润性能变好。但分析实验结果发现，涤纶工业丝与水的浸润性能并不随碱减量率的增大而变好，这主要是由于涤纶工业丝与水的浸润性还与涤纶工业丝表面的形态有关。涤纶工业丝表面粗糙度越大，点式凹坑越深，其比表面积越大，为吸附水分子创造更有利条件，就越有利于其与水浸润。因此，碱减量率为22.60%的涤纶工业丝与水的浸润性能最好。这一结果与上文涤纶工业丝表面形貌分析的结果非常吻合。

2.4 碱减量率对涤纶工业丝拉伸性能的影响

图4对比了不同碱减量率对涤纶工业丝的拉伸断裂强度与断裂伸长率的影响。

未经过碱处理（碱减量率为0）的涤纶工业丝的拉伸断裂强度为0.852 GPa，拉伸断裂伸长率为12.57%。随着碱减量率的增加，工业丝的断裂强力和伸长率均呈降低的趋势。碱减量率为13.82%的涤纶工业丝，其拉伸断裂强度和拉伸断裂伸长率分别为0.837 GPa和12.26%。在α=0.05水平下，分别对未经过碱处理的涤纶工业丝与碱减量率为13.82%的涤纶工业丝的拉伸断裂强度和伸长率进行T检验，发现两种试样的拉伸断裂强度与伸长率均没有显著性差异，说明13.82%碱减量率的工业丝在表面发生水解作用，工业丝的本体性能几乎没有损伤。随着碱处理强度的增大，碱溶液对涤纶工业丝的水解作用也进一步强烈，对涤纶的损伤也逐渐向涤纶工业丝内部渗透。碱减量率为33.77%的涤纶工业丝，其拉伸断裂强度和拉伸断裂伸长率分别为0.672 GPa和10.16%，相较于未经过碱减量的涤纶工业丝，拉伸断裂强度和拉伸断裂伸长率分别降低了21.13%和19.17%，由此表明工业丝的拉伸性能受到明显损伤。

3 结 论

通过改变碱处理工艺，得到了4种不同碱减量率的涤纶工业丝，考察了碱减量率对涤纶工业丝表面及拉伸性能的影响，研究表明：

1） 未经碱处理的涤纶工业丝表面光滑，碱减量率为1382%的工业丝表面密布着点式凹坑和小沟痕，碱减量率为22.60%的工业丝表面凹坑变深，碱减量率为23.95%的涤纶丝表面凹坑面积变大，碱减量率为33.77%的丝表面出现了“剥皮”现象。

2） 5种试样中，碱减量率为22.60%的涤纶工业丝的浸润性能最好，碱减量率为23.95%与13.82%的涤纶工业丝的浸润性能次之，未经碱处理的涤纶工业丝浸润性能最差。

3） 碱减量率为13.82%的涤纶工业丝的拉伸性能受到的损伤可忽略。随着碱减量率的增大，涤纶工业丝的拉伸性能受到的损伤越大，碱减量率为33.77%时，其拉伸断裂强度和伸长率相较于碱处理前分别降低了21.13%和19.17%。

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