孙宾1，兰开东1，董卫卫1，张瑜1，陈彦模1，朱美芳1，马剑平2，翟丽鹏2，杜明2，成展2
（1. 东华大学纤维材料改性国家重点实验室，材料学院，上海200051；
2. 仪征化纤研究设计院，江苏仪征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：研究了原位生成纳米TiO2/PET复合纤维的力学性能、结晶性和取向性，初步表征了纤维的紫外线屏蔽功能。研究结果表明，原位生成纳米TiO2的引入提高了PET纤维的力学性能，增强了其紫外线屏蔽功能，其断裂强度可达到3.76 cN/dtex，对290~400 nm的紫外线屏蔽率有了较大幅度的提高。
关键词：纳米复合纤维；PET；纳米TiO2；原位生成；紫外线屏蔽率
中图分类号：TQ342.21 文献标识码：A
文章编号：1001-9731（2004）增刊-2661-04
1 引言
在高聚物基体中引入无机纳米材料的高聚物基纳米复合材料，因其能赋予高聚物材料特种功能而倍受关注[1,2]，纳米复合纤维即是其中之一。制备该类材料的关键是功能无机纳米粒子在基体中的分散性。与直接共混法相比，包含原位聚合和原位生成两种方法的原位复合法因能更好地提高表面活性、有着极强自团聚倾向的纳米粒子的均匀分散性问题，近几年来其中的原位聚合法得到了广泛的研究和应用，原位生成法因要求反应体系同时满足纳米粒子的生成和高聚物的聚合，条件比较苛刻而研究不多[3~5]，特别是在功能聚酯纤维的研究方面。
众所周知，在高聚物基体中引入纳米TiO2可提高其紫外线屏蔽能力。基于此，在研究了原位生成法合成的PET/纳米TiO2复合树脂的结构和性能的基础上，在本文中我们进一步研究了由该类树脂制备的纳米复合纤维的力学性能、结晶和取向结构，以及其织物的紫外线屏蔽功能。2 实验
2.1 原料
PET/纳米TiO2复合树脂采用原位生成法自制，不同样品的性能指标参见表1。
2.2 纤维制备
用日本ABE公司复合纺丝机纺丝，螺杆直径φ25mm×2mm，喷丝板36孔，采用200目金属网，卷绕速度800r/min；用Barmag3013型拉伸加捻机进行牵伸，热盘温度：80℃，热板温度：150℃。
2.3 纤维的结构性能的测试和表征
2.3.1 力学性能测试
常规力学性能在AGS-500ND型通用材料试验机(日本岛津株式会社)上进行，速度范围：0.5～1000mm/min；对初生丝在Barmag3013型拉伸加捻机分别拉伸3.4、4倍进行比较分析。
2.3.2 广角X衍射（WAXD）的测定
WAXD晶相分析采用Rigaku D/Max-2550型转靶多晶X射线衍射仪（Rigaku公司，日本），扫描样品：纤维粉末状，测试条件：铜靶，镍片滤光，电压：40kV，电流：200MA，扫描范围：5°～ 80°，扫描速度：2°/min。
2.3.3 纤维的取向因子测定
声速测定采用东华大学自制的SCY-Ⅲ型声速测量仪。取向因子fs =1-(Cu/C)2，Cu为1.35 km/s，所测纤维的声速值为C。
2.3.4 纤维的紫外线屏蔽率测定
VARIAN CARY500型8.01版紫外-可见光分光光度仪，采用直径110mm的积分球仪，扫描速度300nm/min，扫描步长0.5nm，样品为纤维经织袜机织制袜筒，袜筒密度为0.43 g/cm2。
3 结果与讨论
3.1 无机纳米粒子的引入对纤维的力学性能的影响
表2为不同纳米TiO2含量复合纤维的断裂强度和断裂伸长，图1为不同纳米TiO2含量复合纤维的应力－应变曲线。由图和表可见，随着纳米TiO2含量的增加，复合纤维的屈服应力降低，在牵伸倍数为3.4时，纳米TiO2含量为0.3%的复合纤维的断裂强度（3.03cN/dtex）要高于纳米TiO2含量为0.5%的复合纤维（2.55cN/dtex），但在牵伸倍数为4.0时，后者的断裂强度（3.76 cN/dtex）要高于前者（3.49 cN/dtex）。这主要是因为在牵伸倍数较低，如3.4倍时，前者的剩余伸长（46.0%）要比后者（57.8%）的低得多。
3.2 无机纳米粒子的引入对纤维结晶性能的影响
图2为不同纳米TiO2含量的PET初生丝的WXRD图谱，由图可见：（1）在初生丝的WAXD图谱中，PET纤维的各晶面，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叠，呈弥散的馒头峰，但仍有一定的强度，这说明初生纤维在卷绕时已部分结晶。初生纤维在经3.4倍牵伸后，PET高分子在沿纤维轴向的应力作用下，沿纤维轴向排列即取向，高分子链的取向排列诱导其结晶，因而使得PET形成较为完善的结晶结构（见图3）。
（2）初生丝的WAXD图谱中，在2θ＝8~12°范围内出现了3个尖锐的显现无机颗粒结晶特征的衍射峰，随着PET基体中纳米TiO2含量的增加，该类衍射峰的强度明显增强，这说明这些衍射峰由原位生成的纳米TiO2所致。但是初生纤维在经牵伸后，这些衍射峰基本消失（见图3），该现象很有趣并值得进一步探讨。
3.3 无机纳米粒子的引入对纤维取向结构的影响
表3为不同纳米TiO2含量的PET复合纤维在不同拉伸倍数下的声速取向参数。
由表可见，在较低拉伸倍数下，如3.4倍时，复合纤维的声速值和取向因子随着纳米TiO2含量的增加而降低，在高拉伸倍数下，声速值和取向因子随纳米TiO2含量的增加而增大。
3.4 纳米TiO2的引入对纤维紫外线屏蔽能力的影响
图4为不同TiO2含量的PET复合纤维织制的袜筒的紫外线透过率，由图可见，在PET基体中引入纳米TiO2后，其对290~400nm的紫外线屏蔽能力大大增强，增大织物的厚度至3层后，其紫外线屏蔽率达到75.6%。
4 结论
（1）无机纳米粒子的引入能提高纤维的力学性能，其断裂强度可达到3.76 cN/dtex。
（2）在PET基体中原位生成的纳米TiO2粒子能大大增强PET对290~400nm范围紫外线的屏蔽能力，改善PET的抗紫外性能。
参考文献：
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[2] Luna-Xavier J L, Bourgeat-Lami E.The role of intiation in the synthesis of silica/poly (methyl methacrylate) nanocom- posite latex particles through emulsion polymerization [J].A. Guyot. Colloid Polym Sci, 2001, 279: 947-958.
[3] 生瑜, 朱德钦, 陈建定. 聚合物基无机纳米复合材料的制备方法Ⅱ. 直接分散法和同时形成法[J]. 高分子通报, 2001, 5: 7-12.
[4] 杨勇, 朱子康, 漆宗能. 溶胶-凝胶法制备可溶性聚酰亚胺/二氧化硅纳米复合材料研究I. 溶胶-凝胶转变过程和反应机理研究[J]. 功能材料, 1999, 30(1): 78-81.
[5] 陈艳, 王新宇, 高宗明, 等. 聚酰亚胺/二氧化硅纳米复合材料研究[J]. 高分子学报, 1997, 1: 73-78.
基金项目：国家“十五”科技攻关项目（2001BA310A09）；仪征化纤股份公司科技开发基金资助
作者简介：孙宾（1972－），男，江苏泰州人，博士、讲师。研究方向：纳米复合材料及功能性高聚物制备。（E-mail:subin@ dhu.edu.cn），Tel: 021-62373218
论文来源：中国功能材料及其应用学术会议,2004年,9月12-16日