纤维材料与水分子作用机理研究及吸湿速干型纤维结构设计

In order to solve the problem of in hydrophobicity of synthetic fiber, the goal of design of moisture absorbing and quick drying fiber was to reach. Based on the relaxation characteristics of adsorption water molecules, low-field proton nuclear magnetic resonance method was to investigate the interaction between water and fiber materials. The results show water molecules absorbed by multiple structure of fiber materials. There are different states of adsorbed water in the fiber materials. Adsorption and desorption kinetic parameters can be obtained from experiments, simulating the human in different external environment, including high temperature, low temperature, high humidity and low humidity. A model would be established associating the adsorption and desorption kinetic parameters and adsorption interaction of fiber materials. PET fiber materials were chosen to investigate the adsorption and desorption behavior designed by copolymerization and morphology design method under the guidance of the model. The prepared PET fiber materials can meet the needs of different applications.

本项目以解决天然纤维素纤维与合成纤维吸湿与排湿难以实现动态平衡问题为目标，设计并制备一种既具有良好润湿性同时速干特性的纤维材料。首先基于水分子吸附弛豫特性，采用低场核磁共振的研究方法，对纤维材料与水分子作用力展开测试，阐明纤维化学基团、微孔等结构与水分结合的特征。结合纤维的吸放湿动力学参数，建立纤维多重结构与吸附水分子结合能级的关系。进一步，将低场核磁与反相色谱结合，模拟人体处于高温高湿、高温低湿、低温低湿等不同外在环境下，纤维的不同结构对水分结合作用力动态演变规律。将所建立起来的研究方法与现有纤维水分测试评价方法相关联，建立相关模型。在此基础上，以PET聚酯纤维为对象，从分子水平在聚酯分子链中通过共聚的方式引入柔性链段制备共聚酯，提高聚酯对水分的润湿性，对熔融纺丝过程中纤维形态异形化结构展开调控，制备出具有吸湿速干特性的纤维材料。

本项目以设计并制备一种既具有良好润湿性同时速干特性的纤维材料为目标。首先基于水分子吸附弛豫特性，采用低场核磁共振的研究方法，模拟人体在大量运动状态下出汗的情况对棉、聚酯纤维吸附水的弛豫时间、信号幅值动态变化进行表征。实验结果表明棉纤维、聚酯纤维中均存在着三种不同形式的吸附水：结合水、中间态水与自由水。在脱附过程自由水先进行脱附，而结合水、中间态水呈现出了先增大的特点。脱附过程中有自由水向中间态水与结合水转变的过程，相比较聚酯纤维，高吸湿的棉纤维这种转变过程更加明显。通过引入相对吸附比例参数，建立了P2b氢键形式吸附对纤维的表面润湿性、吸湿性影响的作用关系，随着P2b的增加纤维的润湿性能与吸湿性逐渐增强；P21形式的中间吸附对纤维液态水分吸附关系，液态水分吸附随着P21的增加而增加。.进一步，利用“二维相关光谱”（2D-COS）方法对聚酯水分吸附-脱附动力学过程中展开了表征，解决一维红外谱峰重叠辨析率低问题，揭示了聚酯基体中不同结合强弱的水分在吸附-脱附过程中的先后相应机制：在吸附起始阶段嵌段共聚酯对水分吸附主要是基体中的氢键结合，随着吸附的进行弱结合水分主要增加；在脱附过程中，结合作用力弱的水分先脱附，氢键结合的水分再变化。.以此为指导，基于酯交换原理在聚酯合成中引入柔性亲水改性组分制备得到共聚酯，在熔融纺丝成型过程中形态结构进行调控，得到共聚酯中空纤维，纤维的回潮率达到≥1.2%，纤维表面接触角≤ 60°，瞬间吸湿速率提高了2倍，同时改性共聚酯纤维聚酯基体比例占到了>85%，具有良好的速干特性。共聚酯纤维抗静电性得到提升，纤维体积比电阻≤1010Ω·cm，同时染色具有“常压沸染”的特点，织物在水洗前后均具有“秒干”特性。.在大量的小试聚合与纺丝实验基础上，通过对熔体直纺工艺中聚合系统、熔体输送系统研究，确定了熔体直纺制备亲水共聚酯纤维的方案，率先在万吨级别的熔体直纺装置上实现了产业化。