皮芯复合防蚊纤维的制备及性能研究

摘要：本文采用皮芯复合纺丝法制备了同芯和偏芯两种结构的防蚊纤维，并对不同减量率下防蚊纤维的表面形态、比表面积和力学性能等进行了研究，探讨了防蚊纤维中防蚊剂含量随放置时间不同的变化情况，且通过检测机构对防蚊纤维织品进行了防蚊效果的评定。结果表明，偏芯型复合防蚊纤维的后加工难度较大；碱处理强弱直接影响同芯型防蚊纤维皮层的孔隙大小、数量以及纤维强度等；配以防蚊助剂2的同芯和偏芯型防蚊纤维均能达到较强的防蚊效果。

关键词：皮芯结构；防蚊纤维；碱处理；力学性能；防蚊剂含量；防蚊效果

中图分类号：TQ342+.8 文献标志码：A

Processing and Properties of Core-sheath Bicomponent Anti-mosquito Fibers

Abstract： Two bicomponent anti-mosquito fibers， one with concentric core and the other with eccentric core， were prepared with the core-sheath composite spinning process. The article studied the surface morphology， specific surface area and mechanical properties of anti-mosquito fibers under different weight losses， and also made a research on the change of the mosquito repellent content in the anti-mosquito fibers in the course of time. Besides， the repellent effect of the fabrics made from these anti-mosquito fibers was tested by testing institution. The results shows that the processing of the anti-mosquito fiber with eccentric core was relatively difficult； the weight loss ratio could directly affect the hole size and quantity of the sheath and the tenacity of the anti-mosquito fiber with concentric core； and both the bicomponent anti-mosquito fibers with either concentric core or eccentric core could achieve a strong anti-mosquito effect when the No.2 anti-mosquito additive is used.

Key words： core-sheath structure； anti-mosquito fiber； alkaline treatment； mechanical properties； content of mosquito repellent； anti-mosquito effect

目前，防蚊纺织品的制作主要源于对织物或纤维进行防蚊后整理以及纺丝时添加防蚊剂直接制备防蚊纤维等。利用皮芯复合法纺制防蚊纤维时，可将防蚊剂填埋在纤维材料的内部，能够有效地避免防蚊剂与皮肤直接接触，使产品使用更为安全；此外，所制纤维手感柔软光滑，可以避免后整理法导致的防蚊纺织品手感发硬、舒适性不良等问题。本文以改性聚酯（MPET）为皮层材料、聚丙烯（PP）为芯层基体材料，将一定量的固体粉末防蚊剂和少量液体防蚊助剂与PP充分混合后，通过配有两个螺杆的熔融复合纺丝机制备出横截面为同芯和偏芯两种构型的MPET/PP皮芯复合防蚊纤维。纺制同芯型防蚊纤维时，皮层混入一定量的微细粉末成孔剂，其成品纤维经碱液处理，皮层产生微孔结构，从而使包覆在芯层的防蚊剂可以缓慢有效地释放出来。偏芯型防蚊纤维的芯层与皮层构成内切圆型，防蚊剂则从切口处缓缓释出，以达到较为持久的驱蚊目的。

1 实验

1.1 原料

MPET，特性粘度0.68 dL/g，吴江富东舜星化纤厂；无机粉体成孔剂，粒径0.7 μm，上海和氏璧化工有限公司；PP，熔融指数35，中科实业集团公司；防蚊剂（固体粉末）、防蚊助剂2（液体），成都艾科达化学试剂有限公司；防蚊助剂1（液体），自制；氢氧化钠、甲苯、乙醇（化学纯），北京化工厂生产。

1.2 皮芯复合防蚊纤维的制备

皮芯复合防蚊纤维的纺制在复合纺丝机（大连合成纤维研究所制造）上完成，主副螺杆直径均为30 mm，长径比为25∶1；喷丝板规格为Ф 0.25 mm ×24（日本卡森公司化纤喷丝板厂）；纺丝速度2 000 m/min。初生纤维的拉伸和热定形在TF100-08 型拨叉式平牵机（苏州特发公司制造）上进行，第一热辊温度80 ℃，第二热辊温度90 ℃，热箱（热定形）温度140 ℃，牵伸1.85倍和1.75倍；卷绕速度380 m/min。

1.3 同芯型防蚊纤维的碱处理

将防蚊纤维织制成纬平针织物，称重后置于95 ℃、NaOH溶液浓度3%、浴比1∶50的电热恒温水浴锅中，反应25 ～ 50 min不等的时间，根据碱处理前后的针织物质量计算减量率。

1.4 分析测试

表观形态：防蚊纤维制样后先经SBC-12小型离子溅射仪（北京中科科仪股份有限公司）喷金处理，然后采用JEOL JSM-7500F型扫描电子显微镜（日本电子株式会社）观察纤维的横截面和纵向表面。

力学性能：采用YG001D型电子单纤维强力机（武汉国量仪器有限公司），样品夹持距离为10 mm，拉伸速度为20 mm/min。

比表面积：采用3H-2000PS4型比表面及孔径分析仪（贝士德仪器科技北京有限公司）对减量率11% ～ 34%不等的防蚊纤维针织物进行比表面积测试。

1.5 防蚊纤维防蚊耐久性测试

采用Lambda750型紫外可见近红外分光光度计（美国PerkinElmer公司）测得主防蚊剂稀溶液（甲苯为溶剂）的最大吸收波长为287 nm；然后配置一系列相应的已知浓度的稀溶液，在287 nm的波长下测定各溶液的吸光度，并绘制标准工作曲线，得到吸光度与浓度的关系式为A=0.011 3C+0.126 5，R2=0.999 6。

定量称取放置不同周数的防蚊纤维，采用索氏萃取装置于130 ℃的甲苯中萃取 5 h，然后测定提取液的吸光度，由吸光度和浓度的关系式得到各纤维中防蚊剂的含量。

1.6 防蚊纤维针织物的防蚊效果测试

防蚊纤维纬平针织物的驱避率测定委托中国疾病预防控制中心寄生虫病预防控制所完成，依据GB/T 13917.9― 2009《农药登记卫生杀虫剂室内药效试验及评价 第9部分：驱避剂》和GB/T 30126 ― 2013《纺织品 防蚊性能的检测和评价》进行测定。

2 结果与讨论

2.1 皮芯复合防蚊纤维的组成和形态

为了研究皮芯比例、构型及防蚊助剂种类等对皮芯复合防蚊纤维力学性能、防蚊效果及防蚊耐久性的影响，本文纺制了不同皮芯质量比的同芯型和偏芯型复合防蚊纤维，各纤维编号及构成如表 1 所示，其横截面形态如图 1 所示。

从图 1（a）―（d）的防蚊纤维横截面可以看出，所纺同芯型复合纤维的皮层厚度较为均匀；皮芯质量比为5∶5（1#、2#）的同芯型纤维皮层很薄，皮层含量提高至60%（3#、4#）后，纤维外层明显增厚。皮层增厚有利于复合纤维力学性能的提高，同时其纺丝和后加工亦较为容易。由图 1（e）和图 1（f）表明，5#和6#偏芯型复合纤维的芯层与皮层形成了内切圆的构型。当皮芯质量比设定为6∶4时，纤维皮层较厚。由图 1 还可看到，一些纤维出现部分芯层至表层的现象，虽然这便于芯层包裹的防蚊剂向外释放，能够增强纤维的驱避蚊虫作用，但对纤维的防蚊持久性不利，故需调整纤维制备工艺，尽量减少芯层部分。

观察图 1 还发现，无论是同芯型还是偏芯型复合防蚊纤维，均出现皮层与芯层轻微分离的现象。这主要是因为MPET与PP两种聚合物完全不相容，而且二者本身的流变性有较大差异，芯层的PP混入防蚊剂及助剂后流变性又有所改变，故当纺丝熔体从喷丝孔挤出时，芯层流体不会与皮层的MPET流体同步及同等程度地出口胀大，造成界面间出现缝隙；另外，纺丝过程中防蚊剂及助剂受热挥发也将加大皮层和芯层分离的可能性。

2.2 不同碱量率下纤维的表面形态和比表面积

选取皮芯质量比为6∶4的（4#）同芯型防蚊纤维织制成纬平针织物，经95 ℃、不同时间的碱处理，纤维表面的形态如图 2 所示，不同减量率的纤维比表面积测试结果如图 3 所示。

纤维的比表面积是反映纤维表皮孔洞大小、深浅和疏密状况的综合量度。当碱处理条件较温和、减量率为11%时，纤维比表面积较小。由图 2 可见，此时纤维表面有细小的浅孔出现，数量较少，比较分散；当减量率从16%增加到23%时，纤维的比表面积小幅增加，图 2 中（c）―（e）的纤维表面成孔数及孔尺寸逐渐增大，孔洞变得细长而有深度，且分布较为密集；当减量率达到27%时，纤维刻蚀显著，比表面积达到相对最大值，而且相对于减量率为23%的纤维比表面积提升幅度较大，这说明减量率自23%增至27%的过程中，微小的减量率变化都会导致纤维成孔情况发生很大的改变；减量率继续升至34%时，纤维出现严重刻蚀的现象，有些部位受损开裂甚至脱落，此时比表面积有所下降，但仍高于减量率为23%的纤维对应值。

2.3 防蚊纤维的力学性能

几种同芯型防蚊纤维经同等条件碱处理后的减量率如表 2 所示。碱处理前后同芯型防蚊纤维和偏芯型防蚊纤维的断裂强度与断裂伸长率分别如图 4 和图 5 所示。

由图 4 可知，所纺皮芯复合防蚊纤维的断裂强度均较低，6#偏芯型纤维的强度相对最高，而同样为偏芯型的5#纤维强度最低；从图 5 可看到，5#纤维的断裂伸长率仅为5%，拉伸过大而强度极小，说明防蚊助剂1的添加十分不利于偏芯型防蚊纤维的纺制。1# ― 4#同芯型纤维的断裂强度均低于6#偏芯型纤维，且皮芯质量比为6∶4的3#和4#纤维强度并未明显高出皮芯质量比为5∶5的对应纤维（1#和2#），这是因为除了纤维的芯层混有小分子防蚊剂及其助剂外，同芯型防蚊纤维的皮层又添加了作为成孔剂的无机粒子，区域性地阻挡了纤维基体大分子的紧密排列。另外，皮层和芯层两种聚合物极不相容，也是导致防蚊纤维强度不高的主要原因之一。6#偏芯型纤维后拉伸倍数为1.75倍，较1# ― 5#纤维的拉伸倍数（1.85倍）小；从其断裂伸长率（46%）看，拉伸不够充足，其横截面不对称的结构造成进一步充分拉伸有一定难度，因此需要选择更适合的后加工条件，才能使偏芯型防蚊纤维的断裂伸长率降低，断裂强度得到提高。

同芯型防蚊纤维经碱处理后，断裂强度呈现不同程度的下降；结合各纤维的碱量率发现，碱量率越高的纤维其强度的损失率越大，如4*纤维；3*纤维的碱量率相对最小，其强度下降幅度亦最低。碱处理后防蚊纤维强度下降的原因一方面与常规纤维相同，即松弛状态下的湿热处理易使纤维的无定形区大分子发生解取向；另一方面，所纺同芯型防蚊纤维的皮层混有无机粉体成孔剂，碱处理时，粉体大量脱落，孔洞的形成使皮层聚合物的连续性和均匀性遭到破坏，致使纤维的断裂强度下降。