涤纶纤维磷酸化改性

许黛芳，银磊鑫

（嘉兴学院设计学院，浙江嘉兴 341001）

聚酯纤维又称聚对苯二甲酸乙二酯，俗称涤纶，是由对苯二甲酸和乙二醇通过缩聚反应以及酯交换反应制得的成纤高聚物。涤纶有着合成纤维所有的众多优点，例如弹性好、强度大等，但是也有缺陷。涤纶分子有着较高的排列紧密结晶度，大分子上又缺少亲水基团，导致涤纶纤维的亲水性以及导电性差，容易产生静电［1］。为了提高涤纶与基体间的相互作用，需要改善涤纶亲水性以及导电性差的缺陷，对其表面进行改性处理可以解决问题。

目前涤纶表面改性方法主要有碱处理法［2-3］、多巴胺改性法［4］、硅烷偶联剂处理法和等离子处理法［5］、辐照接枝改性法［6］、生物酶改性法［7］、微波改性法［8］、磷酸和硫酸改性法［9］等。这些方法各有优点，也存在不足。碱处理方法较为常用，但是处理后的聚酯纤维力学性能损失较大，而且残留的废液难以处理，会对环境造成破坏；
酶处理法相对碱处理法而言较为温和，不容易污染环境，但是作用时间较长，效果也达不到预期；
使用接枝法令纤维表面接枝亲水单体是提高聚酯纤维亲水性较持久且有效的方法，织物的亲水性能会变好，但是透气性和手感变差，力学性能也会下降；
通过涂覆亲水整理剂来改善涤纶纤维的亲水性能，成本低且工艺成熟，但是存在不耐水洗的缺点，而且织物表面容易发硬、粗糙，导致手感变差。本实验通过研究涤纶纤维在浸渍稀磷酸溶液后，在高温下使粘附于涤纶纤维表面的稀磷酸溶液逐渐浓缩并对涤纶纤维进行磷酸化改性，以求得到工艺流程短、效率高、成本低、环境友好且能大规模处理的涤纶改性技术。

1.1 材料与仪器

材料：DTY 涤纶长丝（拉伸变形丝，即涤纶低弹丝，较卷曲，线密度为56 dtex/144 f），FDY 涤纶长丝（全拉伸丝，较硬直，线密度为83 dtex/24 f），磷酸（质量分数为85%），去离子水。仪器：Nicolet is10 傅里叶变换红外光谱仪［美国赛默飞世尔科技（中国）有限公司］，SU1510 型扫描电子显微镜（日本日立公司），D8 型X 射线衍射仪（德国布鲁克AXS 有限公司），Q500 型热重分析仪（TA 仪器公司），YG061F0 型电子单纱强力仪（绍兴市元茂机电设备有限公司）。

1.2 改性涤纶的制备

将涤纶长丝放入磷酸溶液中浸渍10 min，再放入130 ℃烘箱中焙烘5 min，取出后用离子水反复清洗至中性，最后放入60 ℃烘箱中烘干后保存。

1.3 测试

1.3.1 红外光谱

采用傅里叶变换红外光谱仪进行测试，测试参数为：分辨率2 cm-1，扫描范围4 000～500 cm-1。

1.3.2 扫描电镜

采用扫描电子显微镜进行观察。

1.3.3 X 射线衍射

采用X 射线衍射仪进行测试，Cu Kα 辐射，管电压为40 kV，管电流为100 mA，扫描速率为1°/min，扫描范围为3°～60°。

1.3.4 热稳定性

采用热重分析仪对改性前后的涤纶纤维进行热失重分析，氮气气氛，温度范围为30～800 ℃，升温速率为10 ℃/min。

1.3.5 力学性能

参考GB/T 3916—2013《纺织品 卷装纱 单根纱线断裂强力和断裂伸长率的测定》，采用电子单纱强力仪进行测试，拉伸速度为250 mm/min，夹持距离为250 mm，预加张力为0.5 cN/tex，每种纱线测试20 次，取平均值。

2.1 表征

2.1.1 红外光谱

由图1a 可知，在2 926 cm-1处有C—H 的伸缩振动峰，在1 716 cm-1处有酯基中的伸缩振动峰，在1 089 cm-1处的吸收峰由酯基中C—O—C 的伸缩振动引起，都是涤纶纤维所特有的特征峰。改性后的DTY 与FDY 纤维，在1 089 cm-1处的特征峰强度下降，说明经过磷酸处理后的涤纶纤维C—O—C 发生断裂，引入新的基团［9］。由图1b、1c 可知，DTY 与FDY纤维改性后均在1 040 cm-1处出现新的特征峰，说明磷酸与聚酯大分子发生酯交换反应，引入了P—OH基团，反应式如下：

图1 涤纶改性前后的红外光谱图

2.1.2 扫描电镜

由图2 可知，改性前涤纶纤维表面较为光滑，经过磷酸改性处理的涤纶纤维表面变得粗糙，形成了微小沟槽，这是纤维强力削减的表现。这些微小的沟槽增大了涤纶纤维的表面积，使涤纶纤维和其他基体之间的摩擦力增大，有利于改善涤纶纤维的浸润性和与其他物质的粘附牢度［10］。

图2 涤纶纤维改性前后的扫描电镜图

2.1.3 X 射线衍射

涤纶改性前后的X 射线衍射图谱见图3。

图3 涤纶改性前后的X 射线衍射图谱

由图3 可以看出，DTY 和FDY 在改性前后的图谱比较相似。在DTY 中，改性前有4个衍射峰，分别位于17.43°、23.34°、25.78°和44.18°处；
改性后4 个衍射峰位于17.03°、22.69°、25.41°和43.92°处。在FDY 中，改性前有4 个衍射峰，分别位于17.67°、22.69°、25.01°和44.17°处；
改性后也有4 个衍射峰，分别位于17.55°、23.47°、25.91°和43.91°处。说明磷酸改性前后涤纶纤维的衍射峰位置及衍射峰宽度基本没有变化，也没有出现新的衍射峰。磷酸改性没有对纤维原有的结晶结构造成影响，也没有生成新的结晶结构。结果表明磷酸改性的条件较为温和，只发生于纤维的表面，对纤维的主要结构不会造成影响。

2.1.4 热稳定性

由图4 和表1 可以看出，磷酸改性后的DTY 热分解开始温度相对于DTY 提前28 ℃，磷酸改性后的FDY 热分解开始温度相对于FDY 提前169 ℃，说明磷酸改性加速了DTY 与FDY 涤纶纤维的分解。磷酸改性后的FDY最大热失重速率与FDY相比，从19.9%/min减小到7.5%/min。磷酸改性后的FDY 在800 ℃时的残炭量与FDY 相比，从1.8%增加到18.3%，说明磷酸热解出酸源聚磷酸，形成热稳定性更好的炭层，提高了FDY 的热稳定性。

表1 涤纶改性前后在氮气气氛下的TGA 和DTG 数据

图4 涤纶改性前后的热重分析

2.2 力学性能

由表2 可知，经磷酸溶液改性后的DTY 涤纶纤维断裂强力减少约64 cN，断裂伸长率降低约2%。经磷酸溶液改性后的FDY 涤纶纤维断裂强力减少约60 cN，断裂伸长率有所增加，原因可能是FDY 涤纶纤维有较强的韧性，在拉伸实验中出现变形但是未断裂，或者部分断裂部分未断裂。经磷酸改性后的DTY 和FDY 涤纶纤维断裂强力都降低，原因是磷酸溶液对纤维表面有刻蚀作用，纤维表面产生的微小沟槽令涤纶纤维的断裂强力减小。

表2 涤纶改性前后的力学性能

（1）红外光谱分析表明，经磷酸改性处理后的涤纶纤维在1 040 cm-1处增加了P—OH 基团。

（2）经磷酸改性处理后的涤纶纤维表面较为粗糙，局部区域形成微小沟槽和脱落层，增大了纤维的表面积以及表面摩擦力。

（3）涤纶纤维经磷酸改性后没有生成新的结晶结构，说明磷酸改性只发生于纤维表面，对纤维的主要结构不会造成影响。

（4）磷酸改性后的FDY 涤纶纤维在800 ℃时的残炭量与FDY 涤纶纤维相比增加了9倍，说明磷酸改性提高了FDY 涤纶纤维的热稳定性。

（5）经磷酸改性后的涤纶纤维断裂强力降低，可能与磷酸对纤维表面的刻蚀作用与改性后纤维表面产生的微小沟槽有关。