聚酯纖維及織物的電子束輻照改性.pdf

1、聚酯（PET）纖維大分子呈直線型、排列緊密、結(jié)構(gòu)對稱，因此PET纖維具有諸多優(yōu)良性能，如較高的斷裂強度和彈性模量、適中的回彈性、優(yōu)異的耐熱性、良好的耐水洗性、較好的耐腐蝕性、以及較好的對弱酸和弱堿的穩(wěn)定性。采用熔體紡絲獲得的PET纖維的結(jié)晶度和取向度較高，玻璃化溫度在78℃左右。作為目前使用量最大的合成纖維，PET纖維目前存在兩個主要問題：一是大分子缺少極性親水基團，標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的回潮率只有0.4％，導(dǎo)致普通聚酯纖維不僅吸水性和染色性

2、差，且容易產(chǎn)生靜電、親膚性能不好，在一定程度上限制了它的應(yīng)用；二是由于同質(zhì)化競爭，導(dǎo)致PET纖維產(chǎn)能過剩，行業(yè)效益下滑，需要尋找新的市場突破點。因此，對PET纖維進行親水、功能化改性，改善其吸濕性能并豐富纖維的品種，提高其附加值，具有重要的理論意義和實用價值。
　　理想的聚酯纖維表面改性，應(yīng)在不損害聚酯纖維原有的優(yōu)良性能的基礎(chǔ)上，同時兼具耐久性和良好的經(jīng)濟效益，且環(huán)境友好。作為常用的一種電離輻射，電子束（EB）輻照加工被廣泛應(yīng)用于

3、高分子材料的改性，具有環(huán)境友好、可連續(xù)化操作、批量處理、成本低、對基材損害小等優(yōu)點。因此，本文以EB輻照為手段，對PET纖維進行改性研究，研究了經(jīng)過EB輻照后的PET纖維及織物的結(jié)構(gòu)和性能，并對其進行抗菌接枝改性、親水改性以及保濕親膚改性研究，制備具有不同功能的PET纖維。具體的研究工作如下：
　?。?）EB直接輻照的PET纖維及織物的結(jié)構(gòu)和性能變化研究。采用電子順磁共振譜儀（ESR）、X射線衍射儀（XRD）、傅里葉紅外光譜儀（F

4、T-IR/ATR）、強伸度儀、掃描電鏡（SEM）、差示掃描量熱儀（DSC）和熱失重分析儀（TG）等手段，對EB輻照后的PET纖維及織物的結(jié)構(gòu)和性能進行了表征，考察了輻照劑量、輻照氣氛等因素的影響。研究結(jié)果表明：①經(jīng)過EB輻照后，認(rèn)為在PET大分子上產(chǎn)生的自由基為-CH2-?H-，這是后續(xù)接枝和功能化改性的必要前提條件。②在空氣氣氛中，PET大分子受輻照后發(fā)生了降解，隨著EB輻照劑量的增加，PET纖維的粘均分子量降低；當(dāng)輻照劑量為300k

5、Gy時，PET纖維的分子量在不同輻照氣氛中的順序為Mη氧氣>Mη空氣>Mη氮氣；③EB輻照后，PET纖維的結(jié)晶結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化，只是結(jié)晶度有所增加；④DSC分析顯示，EB輻照后PET纖維的熔點升高，但隨輻照劑量的增加而降低，當(dāng)輻照劑量增加到500kGy時，DSC曲線上的熔融峰變寬并呈現(xiàn)雙峰現(xiàn)象；TG分析顯示，相比于未輻照PET纖維的分解溫度437.9℃，輻照后纖維的分解溫度增加，且隨著輻照劑量的增加而增加，當(dāng)輻照劑量為400kGy時分解

6、溫度提高到441.2℃，而輻照劑量為500kGy時分解溫度稍有下降到439.1℃。⑤隨著輻照劑量的增加，PET纖維表面的粗糙程度增加。當(dāng)輻照劑量為400kGy時，纖維表面出現(xiàn)大量的“島狀”凸起，而輻照劑量為500kGy時，纖維表面的刻蝕更加嚴(yán)重，“島狀”凸起呈現(xiàn)大量的溝壑和裂縫；⑥經(jīng)EB輻照后，一方面，PET纖維的斷裂強力下降，輻照劑量為50kGy時纖維的斷裂強力下降3.8%，之后隨著輻照劑量增加斷裂強力增加，當(dāng)輻照劑量增加到200kG

7、y時纖維斷裂強力增加到未輻照時的水平，超過這個輻照劑量后纖維的斷裂強力又開始下降；另一方面，經(jīng)EB輻照后，PET纖維的斷裂伸長率降低，輻照劑量低于175kGy時纖維的斷裂伸長率低于未輻照的PET纖維，當(dāng)輻照劑量大于175kGy時，纖維的斷裂伸長率隨著輻照劑量的增加而增加，且高于未輻照的PET纖維；⑦當(dāng)輻照劑量低于350kGy時，EB輻照的PET織物的滴水?dāng)U散時間低于未輻照織物，說明輻照后PET織物的親水性能有所提高。高于350kGy時，

8、其滴水?dāng)U散時間反而增加，織物的親水性能下降。與等離子體改性高分子親水性能一樣, EB輻照PET織物同樣存在“即時效應(yīng)”，隨著放置時間的延長，織物的親水性能下降。
　?。?）PET纖維EB輻照抗菌接枝改性研究。通過EB輻照，在PET纖維表面接枝丙烯酸二甲氨基乙酯（DMAEA），并進行季胺化處理，制備具有抗菌性能的改性PET纖維。研究了輻照劑量、單體濃度、浴比和溶劑等因素對接枝率的影響，并對EB輻照接枝共聚的機理和動力學(xué)進行了探討。①

9、以甲苯為溶劑，采用共輻照接枝共聚方式，將DMAEA成功接枝到PET纖維表面。隨EB輻照劑量和單體濃度的增加，接枝率增加；隨著浴比的增大，接枝率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。本實驗中最佳的共輻照反應(yīng)條件為：輻照劑量100kGy、單體濃度50%、浴比1:20。②通過碘甲烷對PET表面接枝的PDMAEA進行季胺化處理的效果比氯化芐好，季胺化處理可以構(gòu)建基于聚陽離子改性的PET抗菌表面。抗菌性能測試表明，接觸60min后，經(jīng)碘甲烷季胺化處理的接枝樣品

10、的抑菌率為75%，而經(jīng)氯化芐季胺化處理的接枝樣品的抑菌率為60%；且隨著改性纖維與細(xì)菌接觸時間的延長，抗菌性能明顯增強。
　?。?）PET纖維EB輻照親水接枝改性研究。以2-丙烯酰胺基-甲基丙磺酸（AMPS）和丙烯酸（AA）作為共聚單體，采用EB輻照，在PET纖維表面接枝共聚，以提高PET纖維的親水性能。研究雙組份接枝單體在PET上的接枝情況，考察了輻照劑量、雙組份單體濃度、浴比、阻聚劑用量和AA/AMPS摩爾比對接枝率的影響。結(jié)

11、果發(fā)現(xiàn)：①隨著輻照劑量和單體濃度的增加，AA/AMPS在PET纖維上的接枝率增加，超過30kGy后接枝率增長趨緩；浴比和阻聚劑用量對接枝率有一個最大值；隨著AA/AMPS比例的降低，接枝率先升高后降低，也存在一個最佳值。本實驗最優(yōu)化的反應(yīng)條件為：輻照劑量30kGy、單體濃度50%、浴比1:35、FeSO4·7H2O用量為1.75×10-2mol/L和AA/AMPS的摩爾比為9:1。②在PET纖維上單獨接枝AMPS非常困難，接枝率非常低，

12、而共聚接枝AA/AMPS的接枝率高于分別單獨接枝AA和AMPS的接枝率，可見AA和AMPS在接枝共聚時具有協(xié)同作用。③AA/AMPS被成功接枝到PET纖維表面，接枝后纖維的晶體構(gòu)型沒有變化，但是結(jié)晶度都有不同程度的提高；接枝后 PET纖維的熔點稍微提高，但是TG表明，失重5%、10%、45%及最大失重率峰值的溫度都降低，并且接枝率越高、相同失重率時的溫度越低。④隨著 AA/AMPS接枝率的增加，PET纖維的回潮率增加，接枝率20%時回潮

13、率達到2.63%；接枝率12.4%時，芯吸高度由未接枝的4.6cm升高到11.2cm，且水洗后芯吸高度基本沒有變化。
　?。?）PET纖維EB輻照保濕、親膚功能改性研究。采用先在PET纖維表面輻照接枝醋酸乙烯酯（VAc）和丙烯酸縮水甘油酯（GMA），然后通過化學(xué)反應(yīng)在其表面通過共價鍵分別固著膠原蛋白和玻尿酸的技術(shù)途徑，制備了具有保濕、親膚性能的PET纖維，提供了一種新的方法。1）研究了輻照劑量、單體濃度、浴比和阻聚劑對VAc接枝率

14、的影響，考察了HCl濃度、處理時間對聚醋酸乙烯酯水解程度，以及不同膠原蛋白濃度對纖維表面固著的影響。結(jié)果表明：①隨輻照劑量的增加，VAc接枝率增加，且單體濃度、浴比和CuSO4用量都有一個最佳值。本實驗中，最優(yōu)化的反應(yīng)條件為：輻照劑量100kGy、單體濃度60%、浴比1:30和CuSO4用量為0.5%（w/w）。②隨著HCl濃度和處理時間的增加，表面接枝聚醋酸乙烯酯樣品的水解程度增加，樣品的芯吸高度由純PET織物的4.63cm增加到8.

15、6cm。③通過戊二醛作為橋接將膠原蛋白固著到纖維表面，改性 PET織物的親水性能進一步提高，芯吸高度升高到13.2cm，且水洗5次后樣品的吸濕性能仍然很好，其芯吸高度為11.8cm。④FT-IR/ATR、SEM和XPS等手段分析顯示，膠原蛋白通過共價鍵的形式固著到PET纖維的表面。⑤表面固著膠原蛋白的PET織物與皮膚貼合三天后，皮膚摸起來比較濕潤、潤滑，效果要比純 PET織物的好，皮膚沒有過敏或刺癢的感覺。2）研究了輻照劑量、單體濃度和

16、浴比對GMA接枝率的影響，并通過開環(huán)反應(yīng)以共價鍵連接玻尿酸，考察了不同濃度和處理時間對表面固著玻尿酸的影響。結(jié)果表明：①隨著輻照劑量和單體濃度的增加，GMA接枝率增加，浴比為1:25時接枝率出現(xiàn)最大值，與接枝醋酸乙烯酯的規(guī)律一致。②在玻尿酸濃度為0.3g/100ml時，改性 PET織物的吸水率和芯吸高度分別為124.3%和14cm，并且隨著處理時間的增加，樣品表面固著的玻尿酸含量和吸水率增加。經(jīng)過5次水洗后, PET織物表面固著玻尿酸的

17、密度從0.94g/m2降到0.62g/m2，PET織物的芯吸高度從14cm下降到10.1cm，表明其仍然具有較好的吸濕性能。③表面固著玻尿酸的PET織物與皮膚貼合時間越長，皮膚表面越濕滑、滋潤，但是要比表面固著膠原蛋白的PET織物貼合效果整體感覺差一點。
　　本文通過對EB輻照后的PET纖維及織物的結(jié)構(gòu)和性能的研究，指出了輻照后自由基的產(chǎn)生是 PET纖維表面改性和功能化的基礎(chǔ)。并采用EB輻照手段，分別制備了具有抗菌、親水、保濕親膚