一种吸湿排汗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，涉及一种吸湿排汗聚酯纤维及其制备方法。

背景技术

吸湿排汗过程包括吸湿过程和放湿过程。吸湿过程是纤维吸收人体皮肤蒸发的气态水的过程，放湿过程是纤维内部的毛细管、微孔、沟槽以及纤维之间的空隙所产生的毛细效应使水分在纤维材料内部及表面吸附、扩散和蒸发的过程。目前，制备吸湿排汗纤维主要有以下四种方法：

(1)利用异形板制备异形纤维，如日本帝人公司开发的WELLKEY纤维是聚酯中空纤维，杜邦研发的Coolmax

(2)纤维细旦化，当纤维趋于细旦化(纤度在0.5～1dtex之间)时，纤维的表面积也随之增大，和人体皮肤接触面也增大了，细旦化纤维制成织物时，纤维间可以形成无数个微小孔隙，相当于无数个毛细管，使织物可以快速地将水分运走，但纤维的细旦化对原料、加工工艺和设备等要求较高，由于细旦聚酯纤维截面为圆形，表面光滑，纤维与纤维之间也不能形成紧密的间隙，液体难以在表面润湿，难以形成较多的、连续性的液体运输通道。文献1(永久性和后整理性吸湿排汗面料的性能对比研究[J].山东纺织科技,2018,59(2):4.)中记载，普通细旦化(1dtex)聚酯纤维织物的芯吸高度在12cm；文献2(吸湿排汗异形聚酯变形丝工艺及其性能研究[D].苏州大学.)记载，常规细旦(1dtex)圆形聚酯纤维芯吸长度约2.52cm，文献3(Surface modification of polyester fabric using polyvinyl alcoholin alkaline medium[J].Indian Journal of Fibre&Textile Research,2012,37(3):287-291.)记载，常规细旦(1dtex)圆形聚酯纤维织物表面水接触角为124°。

(3)双组分复合纺丝，将聚酯和其他材料复合纺丝，制成具有皮芯结构的异形截面纤维，也可改善纤维的吸湿排汗性能；浙江恒逸高新材料有限公司提出了一种多功能双组份聚酯皮芯复合纤维及制备方法，纤维中芯层成分选自聚酯，皮层成分选自改性聚酯；广东省化学纤维研究所提出了一种吸湿排汗桔瓣型涤丙复合纤维的制备方法，该纤维的截面为桔瓣型骨架。双组分复合纺丝方法，需要额外涉及喷丝板，加工工艺也相对复杂，成品纤维仍以圆形界面为主，仍然存在难以在纤维间和纤维表面形成有效的液体输送通道；

(4)化学表面改性，化学纤维的原材料主要为聚酯、聚酰胺等疏水材料，可通过引入亲水基团(羧基、羟基、酰胺基等)或者在聚合时加入亲水物质使聚合物具备亲水性；或者对化学表面进行亲水处理，通过接枝、交联等方法来增加纤维表面的亲水基团，也可使纤维达到吸湿的目的，但是，纤维亲水性会随着水洗次数的增加而减弱，表面改性方法还存在，改性不均匀、成本高、存在可能的环境污染等问题。

因此，研究一种吸湿排汗聚酯纤维及其制备方法，以解决目前吸湿排汗纤维制备难度大，难以实现舒适性和功能协调等问题，具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术存在的问题，提供一种吸湿排汗聚酯纤维及其制备方法。现有技术通过设计纤维异形截面或降低纤度提高芯吸效应，本发明利用熔融共混纺丝的方法，在纺丝过程中通过调节拉伸力和界面力的平衡，在纤维表面制备具有自发输水效应的微通道，实现在熔融纺丝过程中，一步制备具有吸湿排汗效果的聚酯纤维。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种吸湿排汗聚酯纤维的制备方法，将聚酯和亲水性聚合物混合得到混合物后进行熔融共混纺丝，通过控制聚酯的粘度、亲水性聚合物的种类和纺丝温度控制亲水性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；

吸湿排汗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；

凹槽的长径比为凹槽在纤维轴向上的长度与凹槽在纤维横向上的长度的比值。

作为优选的技术方案：

如上所述的一种吸湿排汗聚酯纤维的制备方法，凹槽的长径比以及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>5控制的；

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为吸湿排汗聚酯纤维的横截面积，单位为m

如上所述的一种吸湿排汗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、亲水性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；其中，聚酯的粘度和分子量及其分布、纺丝温度和

如上所述的一种吸湿排汗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、亲水性聚合物的种类、纺丝温度和喷丝孔孔径来实现控制的；其中，拉伸比、拉伸温度和纺丝速度共同决定F的取值，拉伸比、纺丝速度、聚酯的粘度、亲水性聚合物的种类、纺丝温度和喷丝孔孔径共同决定D和A的取值，不同纺程位置的A值和D值可通过实验测量获得，D值也可基于共混物熔体出喷丝孔后的初始值，再基于仿射形变模型计算预测，聚酯的粘度、亲水性聚合物的种类、纺丝温度、拉伸温度共同决定W

如上所述的一种吸湿排汗聚酯纤维的制备方法，混合物中亲水性聚合物的含量的取值范围为10～30wt％；

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；

亲水性聚合物为聚酰胺6、聚酰胺66、聚酰胺46、聚酰胺56，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；

亲水性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；

亲水性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280～310℃；

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

上述参数会影响常数a和常数C的计算公式中一些参数的取值，进而影响常数a和常数C的取值，例如上述参数导致聚合物共混物在流入喷丝孔前分散相聚合物的初始直径D

本发明还提供一种吸湿排汗聚酯纤维，采用如上任一项所述的制备方法制得；吸湿排汗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

如上所述的一种吸湿排汗聚酯纤维，吸湿排汗聚酯纤维的单丝纤度为1.0～2.0dtex，横截面形状为圆形。

如上所述的一种吸湿排汗聚酯纤维，在温度为25℃且相对湿度为65％的条件下，吸湿排汗聚酯纤维的芯吸长度(测试时吸湿排汗聚酯纤维水平放置)为20～70mm，液体在水平悬空并自然伸直的纤维间的流动速率2～7mm/s

本发明的原理如下：

纤维的吸湿排汗的主要机理是毛细芯吸效应，在纤维表面构造凹槽状的凹凸结构，有利于在纤维之间和纤维表面形成液体输送通道，从而在有渗透压等外力条件下，实现液体的自发流动，从而提升纤维及其织物的芯吸性能。在表面凹凸纤维的制备过程中，需要在满足界面张力在0.5×10

有益效果：

(1)本发明的一种吸湿排汗聚酯纤维的制备方法，工艺简单，简单熔融共混纺丝就可实现吸湿排汗功能纤维的制备；

(2)本发明制得的吸湿排汗聚酯纤维，相比纯聚酯纤维，具有优异的吸湿排汗性能，柔和的光泽，较好的染色性能，而且具有较好的舒适性能，在高档舒适型面料中具有较好的应用价值。

附图说明

图1为实施例1制得的吸湿排汗聚酯纤维的SEM图；

图2为实施例2制得的吸湿排汗聚酯纤维的SEM图；

图3为实施例3制得的吸湿排汗聚酯纤维的SEM图；

图4为实施例4制得的吸湿排汗聚酯纤维的SEM图；

图5为实施例5制得的吸湿排汗聚酯纤维的SEM图；

图6为实施例6制得的吸湿排汗聚酯纤维的SEM图；

图7为实施例7制得的吸湿排汗聚酯纤维的SEM图；

图8为实施例8制得的吸湿排汗聚酯纤维的SEM图；

图9为实施例9制得的吸湿排汗聚酯纤维的SEM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、亲水性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为吸湿排汗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、亲水性聚合物的种类、纺丝温度和喷丝孔孔径来实现控制的。

实施例中涉及的测试方法如下：

纤维的芯吸长度的测试方法：根据参考资料(Safavieh R,Zhou GZ and JunckerD.Microfluidics made of yarns and knots:from fundamental properties to simplenetworks and operations.Lab Chip.2011；11:2618-24.)，在温度为25℃和65％的相对湿度条件下，通过夹紧纱线的两端，将纱线的一端浸入一个小容器中，建立了测量装置。悬挂在两端之间的纱线处于自然伸直状态，测试时吸湿排汗聚酯纤维水平放置。在小容器中加入40μL的红色溶液(0.5wt.％的重铬酸钾溶液)，记录红色溶液沿纤维行进的时间。进行3～5测量以重复结果，并得到芯吸长度和时间的曲线。

流动速率的测试方法：纤维间隙中产生的毛细作用力驱动液体流动，芯吸长度是时间的函数，通常使用Washburn方程表示：

L＝kt

其中，L是芯吸长度，k是流动速率，t是液体流动时间，L和t通过以上纤维的芯吸长度测试获得，k常数是通过用平方根函数拟合数据获得的，可用于表示液体沿纱线自发流动的流动速率。

织物的芯吸高度的测试方法：根据纺织行业标准FZ-T01071-2008进行测试；为了使样品具有代表性，我们在面料的不同位置选择了长宽分别为30cm的3块矩形面料而且所选的样品位置距面料边缘5cm以上，无任何瑕疵。样品用乙醇洗涤后在60℃鼓风烘箱中干燥6h，并在25℃和65％RH条件下静置12h进行预润湿处理。在矩形织物的下方夹上一个3g的张力夹，并将织物悬挂在0.5wt.％的重铬酸钾溶液上方，测试时将2cm的织物浸入溶液中。记录0～60min内液体沿织物经向的平均输运高度，以评价不同表面结构织物的排汗效果。实验重复3到5次并取芯吸高度平均值。

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

一种吸湿排汗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为100Pa·s；聚酯的数均分子量为20000，分子量分布指数为2.5；

亲水性聚合物为聚酰胺6，在步骤(2)的纺丝温度下的零切粘度为120Pa·s；亲水性聚合物的数均分子量为20000，分子量分布指数为1.5；

亲水性聚合物的粘度和聚酯的粘度的比值为1.2；

(2)将聚酯和亲水性聚合物混合，在双螺杆挤出机中共混挤出、造粒，得到平均长×宽为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，制得吸湿排汗聚酯纤维；其中，混合物中亲水性聚合物的含量为15wt％；熔体挤出的速度为3.8×10

如图1所示，最终制得的吸湿排汗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；吸湿排汗聚酯纤维的单丝纤度为1dtex，横截面形状为圆形；在温度为25℃且相对湿度为65％的条件下，吸湿排汗聚酯纤维的芯吸长度为65mm，液体在水平悬空并自然伸直的纤维间的流动速率5.5mm/t

之所以会在纤维表面构造凹槽状的凹凸结构且能吸湿排汗，是因为控制亲水性聚合物和聚酯之间的界面张力不低于0.5×10

实施例2

一种吸湿排汗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为100Pa·s；聚酯的数均分子量为20000，分子量分布指数为2.5；

亲水性聚合物为聚酰胺56，在步骤(2)的纺丝温度下的零切粘度为60Pa·s；亲水性聚合物的数均分子量为20000，分子量分布指数为1.6；

亲水性聚合物的粘度和聚酯的粘度的比值为0.6；

(2)将聚酯和亲水性聚合物混合，在双螺杆挤出机中共混挤出、造粒，得到平均长×宽为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，制得吸湿排汗聚酯纤维；其中，混合物中亲水性聚合物的含量为15wt％；熔体挤出的速度为3.8×10

如图2所示，最终制得的吸湿排汗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；吸湿排汗聚酯纤维的单丝纤度为1dtex，横截面形状为圆形；在温度为25℃且相对湿度为65％的条件下，吸湿排汗聚酯纤维的芯吸长度为70mm，液体在水平悬空并自然伸直的纤维间的流动速率6.2mm/t

之所以会在纤维表面构造凹槽状的凹凸结构且能吸湿排汗，是因为控制亲水性聚合物和聚酯之间的界面张力不低于0.5×10

实施例3

一种吸湿排汗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为100Pa·s；聚酯的数均分子量为20000，分子量分布指数为2.5；

亲水性聚合物为聚酰胺66，在步骤(2)的纺丝温度下的零切粘度为320Pa·s；亲水性聚合物的数均分子量为17000，分子量分布指数为2.3；

亲水性聚合物的粘度和聚酯的粘度的比值为3.2；

(2)将聚酯和亲水性聚合物混合，在双螺杆挤出机中共混挤出、造粒，得到平均长×宽为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，制得吸湿排汗聚酯纤维；其中，混合物中亲水性聚合物的含量为15wt％；熔体挤出的速度为3.8×10

如图3所示，最终制得的吸湿排汗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；吸湿排汗聚酯纤维的单丝纤度为1dtex，横截面形状为圆形；在温度为25℃且相对湿度为65％的条件下，吸湿排汗聚酯纤维的芯吸长度为78mm，液体在水平悬空并自然伸直的纤维间的流动速率6.5mm/t

之所以会在纤维表面构造凹槽状的凹凸结构且能吸湿排汗，是因为控制亲水性聚合物和聚酯之间的界面张力不低于0.5×10

实施例4

一种吸湿排汗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为100Pa·s；聚酯的数均分子量为20000，分子量分布指数为2.5；

亲水性聚合物为聚酰胺46，在步骤(2)的纺丝温度下的零切粘度为350Pa·s；亲水性聚合物的数均分子量为23000，分子量分布指数为4；

亲水性聚合物的粘度和聚酯的粘度的比值为3.5；

(2)将聚酯和亲水性聚合物混合，在双螺杆挤出机中共混挤出、造粒，得到平均长×宽为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，制得吸湿排汗聚酯纤维；其中，混合物中亲水性聚合物的含量为15wt％；熔体挤出的速度为3.8×10

如图4所示，最终制得的吸湿排汗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；吸湿排汗聚酯纤维的单丝纤度为1dtex，横截面形状为圆形；在温度为25℃且相对湿度为65％的条件下，吸湿排汗聚酯纤维的芯吸长度为75mm，液体在水平悬空并自然伸直的纤维间的流动速率6mm/t

之所以会在纤维表面构造凹槽状的凹凸结构且能吸湿排汗，是因为控制亲水性聚合物和聚酯之间的界面张力不低于0.5×10

实施例5

一种吸湿排汗聚酯纤维的制备方法，基本同实施例1，不同之处仅在于步骤(2)中熔体挤出的速度为7.5×10

如图5所示，最终制得的吸湿排汗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；吸湿排汗聚酯纤维的单丝纤度为2dtex，横截面形状为圆形；在温度为25℃且相对湿度为65％的条件下，吸湿排汗聚酯纤维的芯吸长度为62mm，液体在水平悬空并自然伸直的纤维间的流动速率5.8mm/t

之所以会在纤维表面构造凹槽状的凹凸结构且能吸湿排汗，是因为控制亲水性聚合物和聚酯之间的界面张力不低于0.5×10

与实施例1相比，实施例5纤维的吸湿排汗效果也很好，充分说明本发明的吸湿排汗效果不仅仅是由细旦导致的，也受纤维表面构造的凹槽状的凹凸结构影响。

实施例6

一种吸湿排汗聚酯纤维的制备方法，基本同实施例1，不同之处仅在于步骤(2)中熔体挤出的速度为7.5×10

如图6所示，最终制得的吸湿排汗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；吸湿排汗聚酯纤维的单丝纤度为2dtex，横截面形状为圆形；在温度为25℃且相对湿度为65％的条件下，吸湿排汗聚酯纤维的芯吸长度为66mm，液体在水平悬空并自然伸直的纤维间的流动速率6mm/t

之所以会在纤维表面构造凹槽状的凹凸结构且能吸湿排汗，是因为控制亲水性聚合物和聚酯之间的界面张力不低于0.5×10

实施例7

一种吸湿排汗聚酯纤维的制备方法，基本同实施例1，不同之处仅在于步骤(2)中混合物中亲水性聚合物的含量为20wt％，熔体挤出的速度为7.5×10

如图7所示，最终制得的吸湿排汗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；吸湿排汗聚酯纤维的单丝纤度为2dtex，横截面形状为圆形；在温度为25℃且相对湿度为65％的条件下，吸湿排汗聚酯纤维的芯吸长度为64mm，液体在水平悬空并自然伸直的纤维间的流动速率6mm/t

之所以会在纤维表面构造凹槽状的凹凸结构且能吸湿排汗，是因为控制亲水性聚合物和聚酯之间的界面张力不低于0.5×10

实施例8

一种吸湿排汗聚酯纤维的制备方法，基本同实施例1，不同之处仅在于步骤(2)中混合物中亲水性聚合物的含量为20wt％，熔体挤出的速度为7.5×10

如图8所示，最终制得的吸湿排汗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；吸湿排汗聚酯纤维的单丝纤度为2dtex，横截面形状为圆形；在温度为25℃且相对湿度为65％的条件下，吸湿排汗聚酯纤维的芯吸长度为66mm，液体在水平悬空并自然伸直的纤维间的流动速率6.8mm/t

之所以会在纤维表面构造凹槽状的凹凸结构且能吸湿排汗，是因为控制亲水性聚合物和聚酯之间的界面张力不低于0.5×10

实施例9

一种吸湿排汗聚酯纤维的制备方法，基本同实施例1，不同之处仅在于步骤(2)中混合物中亲水性聚合物的含量为20wt％，熔体挤出的速度为7.5×10

如图9所示，最终制得的吸湿排汗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；吸湿排汗聚酯纤维的单丝纤度为2dtex，横截面形状为圆形；在温度为25℃且相对湿度为65％的条件下，吸湿排汗聚酯纤维的芯吸长度为68mm，液体在水平悬空并自然伸直的纤维间的流动速率6.9mm/t

之所以会在纤维表面构造凹槽状的凹凸结构且能吸湿排汗，是因为控制亲水性聚合物和聚酯之间的界面张力不低于0.5×10