PET异形纤维非织造布吸排水性能研究

    摘要：本文主要研究了不同碱减量率的PET异形纤维非织造布的吸排水性能，以及碱减量率和温度等因素对非织造布吸排水速率的影响。研究表明PET异形纤维非织造布随着碱减量率的增大吸排水性能提高；随着温度的升高，排水速率增大。

    关键词：PET；异形纤维；非织造布；碱减量；吸排水速率

    近年来，产业用PET纤维发展迅速，但关于在海水淡化吸液材料方面的应用尚未见报道。本研究主要是探索异型涤纶非织造布在海水淡化吸液材料方面的应用。作为海水淡化所需的吸液材料，一方面要求具有较快的吸水速率和较高的海水提升高度，另一方面还要求具有与吸水速率相匹配的排水速率，以提高海水淡化的效率，使海水淡化能持续进行。因此研究PET纤维非织造布吸排水性能及其影响因素具有理论及实际意义。

    1实验部分

    1.1样品制备

    本研究所用的样品是以PET/EHDPET[1]（水溶性聚酯）=80/20（质量比）共混纺制所得的异形（纤维截面是Y型）纤维非织造布，经碱处理[2]后得到碱减量率分别为0、3.58%、7.91%、16.07%，孔隙率分别为92.4%、92.9%、93.1%、93.3%的四种非织造布样品。

    1.2实验方法

    1.2.1非织造布中纤维纵表面形态结构的观察

    将四种非织造布在SBS－1表面处理机上镀金,然后在分辨率为6nm的KYKYAMRAY一l000B型扫描电镜上观察非织造布中纤维的形态结构。

    1.2.2非织造布平衡回潮率实验

    将样品烘干至恒重后称重，再置于20℃，65％的环境中达到平衡后称重并计算回潮率。

    1.2.3非织造布吸水性实验

    样品尺寸：25cm×2.5cm；样品水下浸入深度：1cm；

    在室内空气静止条件下，按照ZBWO4019-90的纺织品毛细效应实验方法，记录毛细管上升高度和吸水量随时间的变化，实验时间为30min。

    1.2.4织造布排水性实验

    样品尺寸：5cm×5cm；

    将样品浸泡吸水至饱和状态，取出称重得其饱和吸水量；再分别在21℃、40℃、60℃、80℃、100℃环境中排水，测量其排水量并计算排水率，实验时间为30min。

    2结果及讨论

    2.1不同碱减量率PET非织造布纤维表面形态结构

    图1是碱减量率分别为0、3.58%、7.91%、16.07%的PET异形纤维纵表面SEM图。

    相应样品号为0＃，1＃，2＃，3＃。

图1 不同碱减量率纤维纵表面SEM图

    由图1可以看出，0#样品中纤维的纵表面上没有裂痕，经碱减量处理后，1#样品表面出现较少的纤细裂隙，2#样品表面出现了稍微粗长的沟槽并伴随有小的裂隙生成，3#样品表面出现了许多纤细的裂隙。故随着碱减量率增大，纤维表面先出现纤细的纵向裂隙，但裂隙形状和数目并没有规律性的变化。

    2.2不同碱碱量率PET非织造布的回潮率

    0＃、1＃、2＃和3＃样品的回潮率分别为0.652%，0.420%，0.466%及0.476%，回潮率是随着碱减量率的增大先减小而后略有增大。不同材料的回潮率主要由化学结构决定，但也与物理结构相关，即当纤维样品表面所含的亲水基团越多或比表面积越大，其吸水性越好，回潮率也越大。对于本研究所用共混纤维的回潮率取决于化学结构与物理结构的综合影响。0#样品未经过碱减量处理，共混纤维中含有较多具有亲水性的磺酸基团，回潮率最高；1＃、2＃和3＃样品随着碱减量率的增大，其亲水基团逐渐被水解而减少，理应回潮率逐渐下降，但反而逐渐升高，这是由于水解后纤维比表面积增大的作用大于磺酸基团减少的影响。

    2.3不同碱减量率PET非织造布的吸水性

    各样品的芯吸高度和吸水量随时间的变化见图2和图3。

图2和图3

    由图2可见，四种样品在初始阶段芯吸高度均迅速上升，0＃上升最慢，后三者相近且3＃略快，曲线大约在5～8min时出现拐点，后逐渐趋于平衡；芯吸平衡高度0＃最小，后三者相差不大。

    根据芯吸理论，芯吸动力^[3]

    ΔP=P₁-P₂=（2α•cos^θ）/r－ρhg（1）

    式中，P₁：毛细管的附加压力/N•cm-2；P₂：毛细管中水的静压/N•cm-2；α：液气界面张力/N•cm-1；θ：固液接触角；r：毛细管当量半径/cm；ρ：液体密度/g•cm-3；g：重力加速度；h：毛细管中水的高度/cm。

    由（1）式可以得到液体上升达到平衡时的芯吸平衡高度h_eq：

    h_eq=（2α•cos^θ）/(r•ρ•g)（2）

    在初始阶段，四种样品中均存在较多的孔隙，液态水在由孔隙所形成的毛细管中开始上升时P₂＝０，芯吸动力最大，因此上升速度最快。由于0＃未经过碱减量处理，纤维表面比较光滑，接触角较大^[4]，且毛细管半径较大；按公式（1）、（2）可知，其芯吸动力较小，故芯吸速度较慢，所达芯吸平衡高度也较小；经碱减量率处理后的1＃、2＃、3＃样品，纤维表面和内部形成了毛细管半径更小的沟槽或裂隙，且随着碱减量率的不同，所形成的沟槽或裂隙数量及孔径也不同，所以芯吸动力增大，芯吸速率提高，并以碱减量率最大的3＃样品芯吸速率最大，且1＃、2＃、3＃样品达到的平衡芯吸高度大于0＃样品。由此可见对于此四种样品，物理结构比化学结构对其吸水性能的影响更大。

    由图3可以看出，样品的吸水量随时间的变化规律与芯吸高度随时间的变化规律一致，其原因也相同。平衡时的吸水量0＃样品最小，1＃和2＃样品相差不大，3＃样品最大。其原因则源于非织造布被碱减量后溶除了部分易水解聚酯，以及纤维表面及内部沟槽与裂隙的出现导致孔隙率的增加。

    2.4不同碱减量率PET非织造布排水性能的比较

图4、图5

    上述四种样品的在不同温度下排水量和排水率随时间的变化关系见图4、图5。

    图4不同温度下排水量随时间的变化图5不同温度下排水率随时间的变化

    样品的排水速率除与温度、湿度、风速等环境因素有关外，主要取决于本身的化学结构及物理结构等内因。由图4可见，样品的排水量随时间延长呈线性增加，即在同一温度下样品的排水速率为一恒定值。在温度较低（≤40℃）时，不同碱减量率的排水速率均较慢且十分接近，随着温度的升高，各样品的排水速率均增大，且3＃样品增幅最大。

    这是由于随着碱减量率的增大，样品的比表面积增大，纤维集合体内孔隙率加大，且亲水基团数目减少，故排水速率增大。然而在温度较低时，由于水分子的扩散及蒸发速率均较小，所以碱减量率的影响并不明显，随着温度的升高，液态水从样品的内部迁移至表面的扩散速率及从表面蒸发到空气中的蒸发速率均提高，此时碱减量率的影响比较明显，故碱减量率最大的3＃样品排水速率最大，而0＃的排水速率最小。

    由图5可见，在同一温度下四种样品相对于各自的饱和吸水量时的排水率，随时间延长线性上升；随着温度的升高，其排水率均增大，且0＃最小，1＃，3＃较大。这一结论与上述讨论绝对排水量随时间的变化规律并不完全一致，这是由于排水率的大小还与各样品的饱和吸水量有关。四种样品因碱减量率不同，所含的亲水基团数目不同，且它们的孔隙率也存在差异，导致各自饱和吸水量的不同，以3＃样品最大，1＃最小。根据材料应用的要求，作为太阳能海水淡化的吸液材料要求有较大的排水量，才能提高海水淡化效率，同时也要使样品的吸、排水速率相匹配，才能使得海水淡化持续进行。

    3结论

    1.非织造布经碱减量处理后，纤维表面形成了沟槽与裂痕，增大了单根纤维的比表面积和纤维集合体的孔隙率；

    2.经碱减量处理后，纤维集合体的芯吸速率、芯吸平衡高度和平衡吸水量以及排水量和排水率等吸、排水性能均提高，主要是物理结构的贡献；

    3.纤维集合体的排水速率随环境温度的升高而提高。

    参考文献：

    [l]王锐，张大省。PET／EHDPET共混纤维的碱水解行为，合成纤维，2002，32（2）：5-7。

    [2]徐维敬，谭丛德。涤纶异收缩丝针织物碱减量工艺探讨，针织工业，1996，4：4-6。

    [3]姚穆，施楣梧，织物湿传导理论与实际的研究，第二报；织物湿传导理论方程的研究.西北纺织工学院学报，2001，15(2)：9-14。

    [4]狄剑锋。表面处理对涤纶的润湿性和可染性的影响，纺织学报，2005，26（4）：49-51。