一种疏水聚酯纤维及其制备方法

技术领域

本发明属于纤维技术领域，涉及一种疏水聚酯纤维及其制备方法。

背景技术

疏水表面具有自清洁、抗腐蚀、防污等特性，在油水分离、高压输电线防水等领域具有较大的应用前景。微纳米多级粗糙结构和低表面能物质是构筑超疏水表面的两个关键因素。

现有制备超疏水表面的方法有溶胶凝胶法、模板法、刻蚀法、沉积法、相分离法、等离子体、后整理技术。但这些制备方法大多工艺复杂或需要昂贵的加工设备，限制了其在现实生产中的应用。传统制备超疏水织物的方法，往往需要添加纳米粒子来构建粗糙表面结构，然而，纳米粒子与基材表面的结合牢度不是很强，需要加入相应的树脂或黏合剂，增加制备成本。现在较多使用的涂层法也存在易脱落、成本高等问题。此外，在机械摩擦的作用下，纳米粒子和涂层会逐渐脱落，使得表面原有的粗糙结构或涂层被破坏，最终失去超疏水特性。有研究者利用疏水聚偏氟乙烯等作为添加剂与聚酯进行熔融共混纺丝，提高聚酯纤维的疏水性能，但其与水的接触角仍小于90°。本发明基于模型分析，通过原料筛选、纺丝工艺参数控制，调控纤维表面微纳结构，提高纤维疏水性能。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术存在的问题，提供一种疏水聚酯纤维及其制备方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种疏水聚酯纤维的制备方法，将聚酯和与聚酯不相容的第二聚合物混合得到混合物后进行熔融共混纺丝，通过控制第二聚合物和聚酯之间的界面张力不低于0.5×10

共混体系的界面张力通过实验方法测得，界面张力的测量方法结合嵌入纤维回缩法和形变液滴回缩法，通过观测嵌入纤维形状的回缩过程，利用小形变模型拟合，获得界面张力的数值，并通过测量不同分子量及分布和不同温度的界面张力，建立界面张力与温度、分子量及其分布的数据模型，用以研究更广泛温度和分子量及其分布范围内的界面张力；

疏水聚酯纤维由纤维本体以及分布在纤维本体表面的凹槽构成，凹槽为相对于纤维本体表面凹陷的部分。

荷叶、蝴蝶表面的纳米结构赋予了荷叶和蝴蝶身体表面良好的疏水性，使水滴极易从其表面上滑落，研究表明，超疏水微结构的临界值在100nm左右。液滴在粗糙固体表面上的接触视为复合接触形式。由于粗糙表面的微纳沟槽尺寸小于液滴的等效直径(含有3μL水的球形液滴)，液滴不能完全填满沟槽，液滴与固体表面之间会有一部分空气，两相间的固液界面实际上是由固液界面和气液界面组成，液滴难以润湿纤维表面，从而使表面形成疏水特性。

作为优选得技术方案：

如上所述的一种疏水聚酯纤维的制备方法，凹槽在纤维横向上的长度的值是通过控制常数a>4并控制常数C的取值范围为1～5控制的，常数C的取值范围为1～5可保证聚酯和第二聚合物之间发生微小的界面分离；常数a>4时，分散相会发生大形变，在拉伸条件下可形变成长微纤；C在1以上时，分散相所受拉伸应力相比界面结合力占主导，界面会发生分离，C的取值在1～5范围内时，分散相与基体间仅发生有限的相分离，从而形成较小的凹槽结构；

常数a的计算公式如下：

式中，η

常数C的计算公式如下：

W

式中，F为熔融共混纺丝时纤维所受的拉伸应力，单位为N，F由在线张力仪测得；D为分散相的直径，单位为m；A为疏水聚酯纤维的横截面积，单位为m

如上所述的一种疏水聚酯纤维的制备方法，常数a的取值是通过调节聚酯的粘度和分子量及其分布、第二聚合物的种类和分子量及其分布、熔体挤出的速度、纺丝温度、拉伸温度和纺丝速度来实现控制的。

如上所述的一种疏水聚酯纤维的制备方法，常数C的取值是通过调节拉伸比、拉伸温度、纺丝速度、聚酯的粘度、第二聚合物的种类、纺丝温度和喷丝孔孔径来实现控制的。

如上所述的一种疏水聚酯纤维的制备方法，混合物中第二聚合物的含量的取值范围为10～20wt％；

聚酯在所述纺丝温度下的零切粘度的取值范围为50～1000Pa·s；

聚酯的数均分子量的取值范围为20000～30000，分子量分布指数的取值范围为2～5；

第二聚合物为聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺，在所述纺丝温度下的零切粘度的取值范围为60～4000Pa·s；零切粘度通过旋转流变仪测得的流变曲线，结合三参数Bird-Carreau-Yasuda模型回归测得；

第二聚合物的数均分子量的取值范围为1000～300000，分子量分布指数的取值范围为1～5；

第二聚合物的粘度和聚酯的粘度的比值的取值范围为0.01～20；

熔体挤出的速度的取值范围为2.5×10

纺丝温度的取值范围为275～290℃；

拉伸温度的取值范围为60～160℃；

纺丝速度的取值范围为800m/min以上；

拉伸比的取值范围为2～5；

喷丝孔孔径的取值范围为0.2×10

本发明还提供一种疏水聚酯纤维，采用如上任一项所述的制备方法制得；疏水聚酯纤维由纤维本体以及分布在纤维本体表面的凹槽构成，凹槽为相对于纤维本体表面凹陷的部分。

作为优选的技术方案：

如上所述的一种疏水聚酯纤维，在温度为25℃且相对湿度为65％的条件下，由疏水聚酯纤维制得的经纬密为33×22根/cm的织物的表面水接触角为95～140°。

本发明的原理如下：

本发明利用熔融共混纺丝的方法，在基体相聚合物(即聚酯)中引入不相容的分散相聚合物(与聚酯不相容的第二聚合物)，利用相分离和界面分离导致的形貌涨落，制备具有表面凹槽结构的聚合物纤维，基于对聚合物种类、纺丝速度、纺丝温度等原料和加工参数的调节，实现对分散相所受粘性力、界面张力、拉伸应力和界面结合力的控制，最终实现对表面凹槽结构的调控。

其中，纤维表面凹槽结构的产生，需要在满足界面张力在0.5×10

本发明在不需要任何后处理的情况下，在熔融纺丝过程中，通过调节共混相间的界面张力、常数a以及常数C，在聚合物纤维表面构建凹槽结构，并对凹槽结构进行尺寸调控，一步直接制备疏水聚酯纤维。

有益效果：

(1)本发明提供了一种制备疏水聚酯纤维的制备和调控方法，利用熔融共混纺丝，在高速纺丝下，一步制备具有疏水表面结构的聚酯纤维，不需要利用后整理、涂层等后处理方法，就可以直接获得疏水性能。

(2)本发明的疏水聚酯纤维，具有较好的疏水性能，在快洗、快干服装材料领域具有较好的应用。

附图说明

图1为实施例1制得的疏水聚酯纤维的表面形貌图；

图2为实施例2制得的疏水聚酯纤维的表面形貌图；

图3为实施例3制得的疏水聚酯纤维的表面形貌图；

图4为实施例4制得的疏水聚酯纤维的表面形貌图；

图5为实施例5制得的疏水聚酯纤维的表面形貌图；

图6为实施例6制得的疏水聚酯纤维的表面形貌图；

图7为实施例7制得的疏水聚酯纤维的表面形貌图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

以下各实施例中：

常数a的计算公式如下：

式中，η

常数a的取值是通过调节聚酯的粘度和分子量及其分布、第二聚合物的种类和分子量及其分布、熔体挤出的速度、纺丝温度、拉伸温度和纺丝速度来实现控制的。

常数C的计算公式如下：

W

式中，F为熔融共混纺丝时纤维所受的拉伸应力，单位为N；D为分散相的直径，单位为m；A为疏水聚酯纤维的横截面积，单位为m

常数C的取值是通过调节拉伸比、拉伸温度、纺丝速度、聚酯的粘度、第二聚合物的种类、纺丝温度和喷丝孔孔径来实现控制的。

凹槽为相对于纤维本体表面凹陷的部分，凹槽在纤维横向上的长度是通过控制常数a>4并控制常数C的取值范围为1～5控制的。

实施例中，表面水接触角的测试方法，具体步骤如下：

(1)将吸湿排汗聚酯纤维制得的经密为33根/cm、纬密为22根/cm的织物上的油剂及杂质，通过乙醇去除，并在60℃鼓风烘箱中干燥6h；

(2)在步骤(1)烘干的织物的不同位置选择了长宽均为3cm的3块矩形样品，所选的样品位置距面料边缘5cm以上，无任何瑕疵；

(3)将选取的织物样品平铺在样品台上，将体积为3μl的去离子滴缓缓滴在样品表面。一旦水滴接触到织物，摄像机就会记录下水滴的运动。水接触角的平均值至少是从三次不同的测量中获得的，测量是通过水接触角测量仪；当液滴消失或时间达到5min时停止记录液滴运动。

实施例1

一种疏水聚酯纤维的制备方法，具体步骤如下：

(1)原料的准备；

聚酯：聚酯在步骤(2)的纺丝温度下的零切粘度(即剪切速率为0时粘度)为100Pa·s；聚酯的数均分子量为20000，分子量分布指数为2.5；

与聚酯不相容的第二聚合物：聚丙烯，在步骤(2)的纺丝温度下的零切粘度(即剪切速率为0时粘度)为430Pa·s；第二聚合物的数均分子量为113000，分子量分布指数为3.06；

第二聚合物的粘度和聚酯的粘度的比值为4.3；

(2)熔融共混纺丝；

将聚酯和与聚酯不相容的第二聚合物混合，在双螺杆挤出机中共混挤出、造粒，得到平均长宽3×3mm的混合物粒子，共混挤出前原料需在100℃的真空烘箱内干燥12小时，以控制水分，共混挤出，后粒子在真空烘箱中80℃去除表面水3小时，120℃预结晶14小时，110℃干燥12小时，原料干燥和预结晶得到混合物后进行熔融共混纺丝，制得疏水聚酯纤维；

其中，混合物中第二聚合物的含量为10wt％；熔体挤出的速度为9.4×10

如图1所示，制得疏水聚酯纤维由纤维本体以及分布在纤维本体表面的凹槽构成；在温度为25℃且相对湿度为65％的条件下，由疏水聚酯纤维制得的经纬密为33×22根/cm的织物的表面水接触角为115°，织物表面体积为3μL的液滴10min不扩散。

之所以能够制得疏水聚酯纤维的凹槽结构，是因为通过控制第二聚合物和聚酯之间的界面张力不低于0.5×10

实施例2

一种疏水聚酯纤维的制备方法，具体步骤如下：

(1)原料的准备；

聚酯：聚酯在步骤(2)的纺丝温度下的零切粘度(即剪切速率为0时粘度)为100Pa·s；聚酯的数均分子量为20000，分子量分布指数为2.5；

与聚酯不相容的第二聚合物：聚乙烯，在步骤(2)的纺丝温度下的零切粘度(即剪切速率为0时粘度)为450Pa·s；第二聚合物的数均分子量为50000，分子量分布指数为4.2；

第二聚合物的粘度和聚酯的粘度的比值为4.5；

(2)熔融共混纺丝；

将聚酯和与聚酯不相容的第二聚合物混合，在双螺杆挤出机中共混挤出、造粒，得到平均长宽3×3mm的混合物粒子，共混挤出前原料需在100℃的真空烘箱内干燥12小时，以控制水分，共混挤出，后粒子在真空烘箱中80℃去除表面水3小时，120℃预结晶14小时，110℃干燥12小时，原料干燥和预结晶得到混合物后进行熔融共混纺丝，制得疏水聚酯纤维；

其中，混合物中第二聚合物的含量为10wt％；熔体挤出的速度为9.4×10

如图2所示，制得疏水聚酯纤维由纤维本体以及分布在纤维本体表面的凹槽构成；在温度为25℃且相对湿度为65％的条件下，由疏水聚酯纤维制得的经纬密为33×22根/cm的织物的表面水接触角为130°，织物表面体积为3μL的液滴10min不扩散。

之所以能够制得疏水聚酯纤维的凹槽结构，是因为通过控制第二聚合物和聚酯之间的界面张力不低于0.5×10

实施例3

一种疏水聚酯纤维的制备方法，具体步骤如下：

(1)原料的准备；

聚酯：聚酯在步骤(2)的纺丝温度下的零切粘度(即剪切速率为0时粘度)为100Pa·s；聚酯的数均分子量为20000，分子量分布指数为2.5；

与聚酯不相容的第二聚合物：聚苯乙烯，在步骤(2)的纺丝温度下的零切粘度(即剪切速率为0时粘度)为200Pa·s；第二聚合物的数均分子量为120000，分子量分布指数为1；

第二聚合物的粘度和聚酯的粘度的比值为2；

(2)熔融共混纺丝；

将聚酯和与聚酯不相容的第二聚合物混合，在双螺杆挤出机中共混挤出、造粒，得到平均长宽3×3mm的混合物粒子，共混挤出前原料需在100℃的真空烘箱内干燥12小时，以控制水分，共混挤出，后粒子在真空烘箱中80℃去除表面水3小时，120℃预结晶14小时，110℃干燥12小时，原料干燥和预结晶得到混合物后进行熔融共混纺丝，制得疏水聚酯纤维；

其中，混合物中第二聚合物的含量为15wt％；熔体挤出的速度为9.4×10

如图3所示，制得疏水聚酯纤维由纤维本体以及分布在纤维本体表面的凹槽构成；在温度为25℃且相对湿度为65％的条件下，由疏水聚酯纤维制得的经纬密为33×22根/cm的织物的表面水接触角为120°，织物表面体积为3μL的液滴10min不扩散。

之所以能够制得疏水聚酯纤维的凹槽结构，是因为通过控制第二聚合物和聚酯之间的界面张力不低于0.5×10

实施例4

一种疏水聚酯纤维的制备方法，具体步骤如下：

(1)原料的准备；

聚酯：聚酯在步骤(2)的纺丝温度下的零切粘度(即剪切速率为0时粘度)为100Pa·s；聚酯的数均分子量为20000，分子量分布指数为2.5；

与聚酯不相容的第二聚合物：聚酰胺，在步骤(2)的纺丝温度下的零切粘度(即剪切速率为0时粘度)为120Pa·s；第二聚合物的数均分子量为20000，分子量分布指数为1.5；

第二聚合物的粘度和聚酯的粘度的比值为1.2；

(2)熔融共混纺丝；

将聚酯和与聚酯不相容的第二聚合物混合，在双螺杆挤出机中共混挤出、造粒，得到平均长宽3×3mm的混合物粒子，共混挤出前原料需在100℃的真空烘箱内干燥12小时，以控制水分，共混挤出，后粒子在真空烘箱中80℃去除表面水3小时，120℃预结晶14小时，110℃干燥12小时，原料干燥和预结晶得到混合物后进行熔融共混纺丝，制得疏水聚酯纤维；

其中，混合物中第二聚合物的含量为10wt％；熔体挤出的速度为9.4×10

如图4所示，制得疏水聚酯纤维由纤维本体以及分布在纤维本体表面的凹槽构成；在温度为25℃且相对湿度为65％的条件下，由疏水聚酯纤维制得的经纬密为33×22根/cm的织物的表面水接触角为128°，织物表面体积为3μL的液滴10min不扩散。

之所以能够制得疏水聚酯纤维的凹槽结构，是因为通过控制第二聚合物和聚酯之间的界面张力不低于0.5×10

实施例5

一种疏水聚酯纤维的制备方法，具体步骤如下：

(1)原料的准备；

聚酯：聚酯在步骤(2)的纺丝温度下的零切粘度(即剪切速率为0时粘度)为100Pa·s；聚酯的数均分子量为20000，分子量分布指数为2.5；

与聚酯不相容的第二聚合物：聚丙烯，在步骤(2)的纺丝温度下的零切粘度(即剪切速率为0时粘度)为540Pa·s；第二聚合物的数均分子量为150000，分子量分布指数为3.33；

第二聚合物的粘度和聚酯的粘度的比值为5.4；

(2)熔融共混纺丝；

将聚酯和与聚酯不相容的第二聚合物混合，在双螺杆挤出机中共混挤出、造粒，得到平均长宽3×3mm的混合物粒子，共混挤出前原料需在100℃的真空烘箱内干燥12小时，以控制水分，共混挤出，后粒子在真空烘箱中80℃去除表面水3小时，120℃预结晶14小时，110℃干燥12小时，原料干燥和预结晶得到混合物后进行熔融共混纺丝，制得疏水聚酯纤维；

其中，混合物中第二聚合物的含量为10wt％；熔体挤出的速度为9.4×10

如图5所示，制得疏水聚酯纤维由纤维本体以及分布在纤维本体表面的凹槽构成；在温度为25℃且相对湿度为65％的条件下，由疏水聚酯纤维制得的经纬密为33×22根/cm的织物的表面水接触角为112°，织物表面体积为3μL的液滴10min不扩散。

之所以能够制得疏水聚酯纤维的凹槽结构，是因为通过控制第二聚合物和聚酯之间的界面张力不低于0.5×10

实施例6

一种疏水聚酯纤维的制备方法，具体步骤如下：

(1)原料的准备；

聚酯：聚酯在步骤(2)的纺丝温度下的零切粘度(即剪切速率为0时粘度)为100Pa·s；聚酯的数均分子量为20000，分子量分布指数为2.5；

与聚酯不相容的第二聚合物：聚丙烯，在步骤(2)的纺丝温度下的零切粘度(即剪切速率为0时粘度)为260Pa·s；第二聚合物的数均分子量为59000，分子量分布指数为4.66；

第二聚合物的粘度和聚酯的粘度的比值为2.6；

(2)熔融共混纺丝；

将聚酯和与聚酯不相容的第二聚合物混合，在双螺杆挤出机中共混挤出、造粒，得到平均长宽3×3mm的混合物粒子，共混挤出前原料需在100℃的真空烘箱内干燥12小时，以控制水分，共混挤出，后粒子在真空烘箱中80℃去除表面水3小时，120℃预结晶14小时，110℃干燥12小时，原料干燥和预结晶得到混合物后进行熔融共混纺丝，制得疏水聚酯纤维；

其中，混合物中第二聚合物的含量为10wt％；熔体挤出的速度为9.4×10

如图6所示，制得疏水聚酯纤维由纤维本体以及分布在纤维本体表面的凹槽构成；在温度为25℃且相对湿度为65％的条件下，由疏水聚酯纤维制得的经纬密为33×22根/cm的织物的表面水接触角为120°，织物表面体积为3μL的液滴10min不扩散。

之所以能够制得疏水聚酯纤维的凹槽结构，是因为通过控制第二聚合物和聚酯之间的界面张力不低于0.5×10

实施例7

一种疏水聚酯纤维的制备方法，具体步骤如下：

(1)原料的准备；

聚酯：聚酯在步骤(2)的纺丝温度下的零切粘度(即剪切速率为0时粘度)为100Pa·s；聚酯的数均分子量为20000，分子量分布指数为2.5；

与聚酯不相容的第二聚合物：聚丙烯，在步骤(2)的纺丝温度下的零切粘度(即剪切速率为0时粘度)为130Pa·s；第二聚合物的数均分子量为25000，分子量分布指数为3；

第二聚合物的粘度和聚酯的粘度的比值为1.3；

(2)熔融共混纺丝；

将聚酯和与聚酯不相容的第二聚合物混合，在双螺杆挤出机中共混挤出、造粒，得到平均长宽3×3mm的混合物粒子，共混挤出前原料需在100℃的真空烘箱内干燥12小时，以控制水分，共混挤出，后粒子在真空烘箱中80℃去除表面水3小时，120℃预结晶14小时，110℃干燥12小时，原料干燥和预结晶得到混合物后进行熔融共混纺丝，制得疏水聚酯纤维；

其中，混合物中第二聚合物的含量为10wt％；熔体挤出的速度为9.4×10

如图7所示，制得疏水聚酯纤维由纤维本体以及分布在纤维本体表面的凹槽构成；在温度为25℃且相对湿度为65％的条件下，由疏水聚酯纤维制得的经纬密为33×22根/cm的织物的表面水接触角为125°，织物表面体积为3μL的液滴10min不扩散。

之所以能够制得疏水聚酯纤维的凹槽结构，是因为通过控制第二聚合物和聚酯之间的界面张力不低于0.5×10