孫賓1，蘭開東1，董衛衛1，張瑜1，陳彥模1，朱美芳1，馬劍平2，翟麗鵬2，杜明2，成展2
（1. 東華大學纖維材料改性國家重點實驗室，材料學院，上海200051；
2. 儀征化纖研究設計院，江蘇儀征21190）
Study on the synthesis of PET/nano-TiO2 composite by the method of formation in-situ
Ⅱ.characteriszation on the structure and properties of nanocomposite fibers
SUN Bin1, LAN Kai-dong1, DONG Wei-wei1, ZHANG Yu1, CHENG Yan-mo1, ZHU Mei-fang1, MA Jian-ping2, ZHAI Li-peng2, DU Ming2, CHENG Zhan 2
(1. State Key Lab for Modification of Chemical Fibers and Polymer Materials, College of Materials, Donghua University, Shanghai 200051, China; 2. Institute of Yizheng Chemical Fibres Co .Ltd., Yizheng 211900, China)
Abstract：In this article, the mechanical properties, crystal structure and orientation structure and ultra-violet protect factor (UPF) of the composite fibers prepared by the method of formation in-situ have been studied. The results showed that the mechanical properties and UPF of PET fiber have been improved due to the introduction of nano-TiO2 particle into PET substrate. The tenacity of composite fiber can amount to 3.76 cN/dtex and the UPF of fibers among 290nm to 400nm wavelength has been greatly strengthened.
Key words：nano-composite fiber；PET；nano TiO2；formation in-situ；UPF
摘要：研究了原位生成納米TiO2/PET復合纖維的力學性能、結晶性和取向性，初步表征了纖維的紫外線屏蔽功能。研究結果表明，原位生成納米TiO2的引入提高了PET纖維的力學性能，增強了其紫外線屏蔽功能，其斷裂強度可達到3.76 cN/dtex，對290~400 nm的紫外線屏蔽率有了較大幅度的提高。
關鍵詞：納米復合纖維；PET；納米TiO2；原位生成；紫外線屏蔽率
中圖分類號：TQ342.21 文獻標識碼：A
文章編號：1001-9731（2004）增刊-2661-04
1 引言
在高聚物基體中引入無機納米材料的高聚物基納米復合材料，因其能賦予高聚物材料特種功能而倍受關注[1,2]，納米復合纖維即是其中之一。制備該類材料的關鍵是功能無機納米粒子在基體中的分散性。與直接共混法相比，包含原位聚合和原位生成兩種方法的原位復合法因能更好地提高表面活性、有著極強自團聚傾向的納米粒子的均勻分散性問題，近幾年來其中的原位聚合法得到了廣泛的研究和應用，原位生成法因要求反應體系同時滿足納米粒子的生成和高聚物的聚合，條件比較苛刻而研究不多[3~5]，特別是在功能聚酯纖維的研究方面。
眾所周知，在高聚物基體中引入納米TiO2可提高其紫外線屏蔽能力。基于此，在研究了原位生成法合成的PET/納米TiO2復合樹脂的結構和性能的基礎上，在本文中我們進一步研究了由該類樹脂制備的納米復合纖維的力學性能、結晶和取向結構，以及其織物的紫外線屏蔽功能。2 實驗
2.1 原料
PET/納米TiO2復合樹脂采用原位生成法自制，不同樣品的性能指標參見表1。
2.2 纖維制備
用日本ABE公司復合紡絲機紡絲，螺桿直徑φ25mm×2mm，噴絲板36孔，采用200目金屬網，卷繞速度800r/min；用Barmag3013型拉伸加捻機進行牽伸，熱盤溫度：80℃，熱板溫度：150℃。
2.3 纖維的結構性能的測試和表征
2.3.1 力學性能測試
常規力學性能在AGS-500ND型通用材料試驗機(日本島津株式會社)上進行，速度范圍：0.5～1000mm/min；對初生絲在Barmag3013型拉伸加捻機分別拉伸3.4、4倍進行比較分析。
2.3.2 廣角X衍射（WAXD）的測定
WAXD晶相分析采用Rigaku D/Max-2550型轉靶多晶X射線衍射儀（Rigaku公司，日本），掃描樣品：纖維粉末狀，測試條件：銅靶，鎳片濾光，電壓：40kV，電流：200MA，掃描范圍：5°～ 80°，掃描速度：2°/min。
2.3.3 纖維的取向因子測定
聲速測定采用東華大學自制的SCY-Ⅲ型聲速測量儀。取向因子fs =1-(Cu/C)2，Cu為1.35 km/s，所測纖維的聲速值為C。
2.3.4 纖維的紫外線屏蔽率測定
VARIAN CARY500型8.01版紫外-可見光分光光度儀，采用直徑110mm的積分球儀，掃描速度300nm/min，掃描步長0.5nm，樣品為纖維經織襪機織制襪筒，襪筒密度為0.43 g/cm2。
3 結果與討論
3.1 無機納米粒子的引入對纖維的力學性能的影響
表2為不同納米TiO2含量復合纖維的斷裂強度和斷裂伸長，圖1為不同納米TiO2含量復合纖維的應力－應變曲線。由圖和表可見，隨著納米TiO2含量的增加，復合纖維的屈服應力降低，在牽伸倍數為3.4時，納米TiO2含量為0.3%的復合纖維的斷裂強度（3.03cN/dtex）要高于納米TiO2含量為0.5%的復合纖維（2.55cN/dtex），但在牽伸倍數為4.0時，后者的斷裂強度（3.76 cN/dtex）要高于前者（3.49 cN/dtex）。這主要是因為在牽伸倍數較低，如3.4倍時，前者的剩余伸長（46.0%）要比后者（57.8%）的低得多。
3.2 無機納米粒子的引入對纖維結晶性能的影響
圖2為不同納米TiO2含量的PET初生絲的WXRD圖譜，由圖可見：（1）在初生絲的WAXD圖譜中，PET纖維的各晶面，除1-05晶面(2θ＝42.9°)外，在2θ＝15~26°的010晶面、1-10晶面和110晶面的特征衍射峰相互重疊，呈彌散的饅頭峰，但仍有一定的強度，這說明初生纖維在卷繞時已部分結晶。初生纖維在經3.4倍牽伸后，PET高分子在沿纖維軸向的應力作用下，沿纖維軸向排列即取向，高分子鏈的取向排列誘導其結晶，因而使得PET形成較為完善的結晶結構（見圖3）。
（2）初生絲的WAXD圖譜中，在2θ＝8~12°范圍內出現了3個尖銳的顯現無機顆粒結晶特征的衍射峰，隨著PET基體中納米TiO2含量的增加，該類衍射峰的強度明顯增強，這說明這些衍射峰由原位生成的納米TiO2所致。但是初生纖維在經牽伸后，這些衍射峰基本消失（見圖3），該現象很有趣并值得進一步探討。
3.3 無機納米粒子的引入對纖維取向結構的影響
表3為不同納米TiO2含量的PET復合纖維在不同拉伸倍數下的聲速取向參數。
由表可見，在較低拉伸倍數下，如3.4倍時，復合纖維的聲速值和取向因子隨著納米TiO2含量的增加而降低，在高拉伸倍數下，聲速值和取向因子隨納米TiO2含量的增加而增大。
3.4 納米TiO2的引入對纖維紫外線屏蔽能力的影響
圖4為不同TiO2含量的PET復合纖維織制的襪筒的紫外線透過率，由圖可見，在PET基體中引入納米TiO2后，其對290~400nm的紫外線屏蔽能力大大增強，增大織物的厚度至3層后，其紫外線屏蔽率達到75.6%。
4 結論
（1）無機納米粒子的引入能提高纖維的力學性能，其斷裂強度可達到3.76 cN/dtex。
（2）在PET基體中原位生成的納米TiO2粒子能大大增強PET對290~400nm范圍紫外線的屏蔽能力，改善PET的抗紫外性能。
參考文獻：
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基金項目：國家“十五”科技攻關項目（2001BA310A09）；儀征化纖股份公司科技開發基金資助
作者簡介：孫賓（1972－），男，江蘇泰州人，博士、講師。研究方向：納米復合材料及功能性高聚物制備。（E-mail:subin@ dhu.edu.cn），Tel: 021-62373218
論文來源：中國功能材料及其應用學術會議,2004年,9月12-16日
