第一节
弹性材料

因为压力纺织品的工作机制是通过对下肢施加压力从而促进下肢静脉血液回流心脏，所以根据下肢静脉曲张和血栓情况，压力纺织品提供了多种压力类型供临床使用。目前市场上的压力产品的压力范围一般在15~50mmHg，由此可见，作为压力来源的弹性材料，其在产品中的成分比例也有一定范围，一般来说最低含量至少为18%，最高甚至达到40%。这一比例远高于普通服装所用弹性面料中的弹性材料含量，所以弹性材料是压力纺织品极其重要的组成部分。本节将分别对几种压力治疗纺织品常用弹性纤维的结构、制备方法以及性能进行介绍。

一、氨纶

（一）结构

氨纶，又名spandex，由含量至少为85%的氨基甲酸酯嵌段共聚物组成。如图4-1所示，链段结构为（A-B）n，A是软链段，B是硬链段。根据软链段A的生产工艺不同，又可将氨纶分为聚酯型与聚醚型。聚酯型氨纶的生产工艺：①过量的二元醇和己二酸生成端基为羟基的低分子量聚酯（1 000~5 000）；②与过量的芳香族二异氰酸酯（MDI、TDI）反应生成含—N CO的预聚物；③加二元胺或二元醇，使预聚物扩链，形成嵌段共聚物，其中氨基甲酸酯和扩链剂部分因氢键相互作用可形成较大的分子间作用力，即分子链间交联，形成硬链段B。聚醚型氨纶的生产工艺只在第一步与聚酯型不同，即聚氧乙烯、聚氧丙乙烯或四氢呋喃先通过开环聚合得到相对分子量为1 500~3 500的聚醚，再进行接下来的预聚物合成和其扩链。

氨纶的高弹性原因在于其硬链段和软链段的交替排布（图4-2）。软链段长为（15~20）×10 ^-3 μm，具有像弹簧一样的螺旋结构，具有很高的伸长率和弹性回复率；分子间作用力弱，具有低的玻璃化温度，在常温下处于高弹态（橡胶态）。硬链段链长为（2.5~3.5）×10 ^-3 μm，作为交联网络结构的“结点”，分子间作用力强，具有高的玻璃化温度，在常温下呈玻璃态。当纤维被拉伸时，软链段发生变形，而由于硬链段的“结点”作用，限制其滑移。由此可见，软链段长度决定氨纶纤维的弹性，硬链段的数量决定氨纶纤维的强度。几乎全部弹性材料的弹性机制与氨纶类似，不同的是交联形式。交联形式可分为物理交联和化学交联：物理交联通过硬链段间相对稳定而有序的排列构成交联，软、硬链段长度比决定着纤维弹性，长度比越大，纤维弹性越好，但是硬链段太短会导致分子间不稳定，影响弹性；化学交联是由硬链段（长度近似为0）间的化学键完成分子间的相互联接。化学交联纤维伸长率和弹性回复率优于物理交联。

（二）制备方法

目前氨纶常用的制备方法包括干法纺丝、湿法纺丝、熔融纺丝及其他一些方法。

1.干法纺丝

干法纺丝是将扩链后的聚氨酯用二甲基甲酰胺（DMF）或二甲基己酰胺（DMAc）溶解，在加热搅拌条件下制成浓度为25%~35%、黏度为10~80Pa·s的溶液，加入添加剂后，再经过滤、脱泡、除气，得到黏度均匀的纺丝原液。之后，纺丝原液经过精确计量后，定量均匀地压入纺丝头，从喷丝板的小孔中挤出并形成细流，进入直径为30~50cm、长3~6m、温度为200~250℃的纺丝甬道。甬道中的高温气体使溶剂从原液细流中很快蒸发出来，丝条不断固化直至形成0.6~1.7tex单丝，然后集束并进行上油等后处理，最后卷绕成丝筒。根据线密度的不同，每个纺丝甬道可同时通过1~8个弹性纤维丝束。用这种方法生产时，还要注意溶剂的回收提纯。

干法纺丝卷绕速度一般在200~600m/min，最高可达1 000m/min；所得纤维的纤度为1.1~246.4tex；同时其生产设备占地面积小。这种纺丝方法技术成熟，制成的纤维质量和性能优良。

2.湿法纺丝

从喷丝头中出来的液态细流的溶剂通过分子扩散作用扩散到凝固浴中，进而固化为丝束的纺丝方法为湿法纺丝。聚氨基甲酸酯聚合物的二甲基酸胺或二甲基乙酸胺或四氢呋喃溶液，被送入纺纱机后由计量泵压出到凝固浴中。凝固浴一般为水或醇。以水为凝固浴，纤维表面凝固快，但表面有皱折现象，用醇作凝固浴时，纤维的结构均匀，强度较高。因分子的扩散作用慢，凝固时间长，所以浴槽一般需要20m左右。出浴后的丝条在干燥定型前上油，以防丝束间的并粘。干燥定型温度为250~270℃，之后丝条还需经历三倍左右的拉伸，最后经再一次上油后卷到筒管上。

目前湿法纺丝的氨纶产量约占总量的10%，如日本富士纺公司的Fujibo氨纶。这种纺丝方法工艺复杂，纺丝速度低，一般为50~150m/min，所制纤维的纤度为5~400tex。

3.熔融纺丝

熔融纺丝是将干燥后的切片送入螺杆挤压机，切片受热熔融后被挤出到纺丝泵，熔体经过精确计量后定量均匀地从喷丝板的小孔中挤出，细流在甬道中冷却而凝固成纤维。熔融纺丝只适用于易熔的和熔融温度下稳定性良好的聚合物，如由芳香族二异氰酸酯和线性的聚醚多元醇反应所制得的聚氨酯嵌段共聚物，如1，4丁二醇扩链生成的聚氨酯聚合物。此体系熔融温度为160~220℃，纺丝速度为200~800m/min，制成的纤维纤度为1.38~1.51tex。

熔融纺丝工艺流程简单，生产技术成熟，原材料费用和设备费用都很经济，生产效率高，且不用可燃和毒性溶剂，故无须昂贵的回收设备。熔融生产的氨纶纤维产品质量稳定，性能已接近干法生产的氨纶性能。但是由于聚氨酯在高温下不稳定，停留时间稍长时，分子间会发生过量交联，生成凝胶，影响物理机械性能。

4.化学反应纺丝

化学反应纺丝是将端基为二异氰酸酯的预聚体与纺丝浴中的链扩展剂（如二胺）组分发生扩链反应，长丝表面生成一层交联皮层，即为共价交联结构的初生纤维。从反应浴中出来的丝条，冲洗去夹带的乙二胺后送去干燥定性。初生纤维经卷绕后，在加压的水中进行硬化以使其内部尚未反应的部分交联，从而转变成三维结构的聚氨酯嵌段共聚物。该纺丝法的纺丝速度一般为50~150m/min，单丝的纤度为1.1~3.7tex，最后纤维丝束的纤度一般为4.4~340tex，依需要而定。

化学纺丝法效率较低，且存在环境污染的问题，目前该纺丝法的纺丝产量不到世界总产量的10%，正逐渐被淘汰。

（三）性能

1.物理机械性能

氨纶的干态强度0.44~0.88cN/dtex，湿态强度0.35~0.88cN/dtex，伸长率为400%~800%，初始模量为0.13~0.22cN/dtex；氨纶丝在拉伸300%时，瞬时弹性回复率90%以上。聚醚型氨纶、聚酯型氨纶与普通橡胶丝对比明显（表4-1、表4-2）。聚醚型氨纶和聚酯型氨纶的物理机械性能差别不大，均表现优异，与普通橡胶丝相比，强度更高，在相同应力下，可以使用比橡胶丝细得多的纤维。由表4-3可知，在耐磨性上，氨纶比橡胶丝好。

2.弹性与耐疲劳性

氨纶纤维的断裂伸长在使用中并不太重要，更为重要的是纤维变形的恢复能力，即纤维承受负荷后产生变形，负荷去除后，纤维具有恢复原来尺寸和形状的能力，简称弹性。图4-3（a）为纤维在拉伸实验机测得的一次拉伸循环回复曲线，弹性回复率是纤维变形中的可恢复部分（ l ₁ — l ₂ ）占纤维总变形（ l ₁ ）的百分比。此百分比越大，其弹性就越好。氨纶纤维的弹性一般在90%以上。图4-3（b）是按照标准FZ/T50007，氨纶纤维在拉伸速率为500mm/min，定伸长率为300%，连续循环拉伸5次时，所记录的第1次和第5次拉伸-回复曲线。由图可看出，氨纶纤维拉伸回复曲线接近原点，且重复拉伸五次后纤维的塑性变形很小，说明氨纶不仅弹性回复性能好，而且疲劳回复性能也较好。

弹性纤维最重要的性能就是弹性性能，即伸长后可快速松弛和回复，这种性能要能够经得起各种加工，特别是染整的湿热加工和化学加工，包括高温热定形、高温高压染色以及各种后整理加工，这样才能保持服装的形态和良好的舒适性。

3.热学性能

图4-4为氨纶纤维在极小张力作用下，伸长率随温度变化（从-100℃开始逐步升温）而变化的关系曲线。由图可知，两条曲线都有一个伸长率降低的收缩阶段。对聚醚型氨纶，温度在-70~-50℃，对聚酯型氨纶则在-45~25℃。发生这一现象的原因是软、硬链段间的内聚力解除进而分子链收缩（聚醚还可能发生折叠），分布其中的硬链段也有活动性，从而引起纤维软化收缩。故这是软链段的玻璃化转变温度，这个变化被称为“预软化转变”。由图4-4可进一步发现，聚醚型的收缩开始时高一些，在0℃左右收缩最大。聚酯型较硬，收缩较小。从40℃和70℃开始，聚醚型和聚酯型都开始伸长，并都在90℃左右后伸长加快，当达到150℃后，变化最快。一般来说聚醚型的在150℃还会泛黄，175℃后会发粘；聚酯型的在150℃后热塑性也大大增加，弹性减小。当温度超过190~195℃后，纤维强度明显下降，最后纤维断裂。这些变化是由于氨纶中的硬链段被拆散引起的，交联结点完全被破坏后，纤维就断裂。氨纶的热学性能在染整加工中具有非常重要的意义。在“预软化转变”阶段可进行热定形，从而消除纤维内应力，提高纤维或织物的尺寸稳定性和染色重现性。对于织物来说，因氨纶是被其他纤维包芯在内部，纤维不易被损伤，所以热定形条件可选择在116℃的蒸汽中处理5~40min，或者于175~195℃下热处理20~90s。如果是纯氨纶，短时间的处理温度不要超过195℃，长时间则不要超过150℃，否则易引起氨纶变形和弹性丧失。

4.耐化学与耐光稳定性

聚醚类或聚酯类氨纶的化学稳定性一般均较好，对氧稳定，也较耐酸，但在耐碱性上两者稳定性差异很大。聚酯型氨纶在加热条件下遇碱水解，故在染整加工中要特别注意。两种氨纶可进行还原漂白，耐氧化剂性则由氧化剂决定，一般均只能用稀的过氧化物溶液漂白。次氯酸盐会与聚氨酯分子形成氮-氯结合而使纤维损伤，故两种氨纶均不耐氯漂白剂，且聚醚型的损伤更严重。氧化氮废气会被氨纶织物吸收，从而使一些分散染料发生烟熏褪色。

环己酮、二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺等有机溶剂可使氨纶溶解。一些不饱和油，例如松节油以及耐晒油（亚油酸酯等）可使氨纶溶胀，使其强力和强度降低。在染整加工过程中使用的各种表面活性剂和一些助剂，可起到载体和改变其性能的作用。

图4-5是光照射时间与氨纶、橡胶丝的强度及延伸度保持率的关系。从图可看出，光照下三种氨纶丝的强度保持率和延伸度保持率均高于橡胶丝，说明三者照光降解均比橡胶丝小。但随照光表面积增加，损伤增大，故氨纶丝越细，损伤越大。

二、聚醚酯弹性纤维

（一）结构

聚醚酯（PEET）弹性纤维最初由Teijin公司在1990年生产，其嵌段主要为聚醚和聚酯，其中聚酯主要由聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）作为硬链段，其链较短，刚性大，在纤维受力变形时起结点作用，赋予弹性回复性能，并决定了纤维的强力和耐热性。聚醚则为聚醚二醇，如聚1，4丁二醇（PTMO），聚乙二醇（PEO），因其柔顺性好，链较长，故容易伸长变形作为软链段。纤维内部大分子链之间没有化学粘连点和氢键连接，分子链网络节点主要是结晶单元，即聚酯链段形成的结晶单元。这种晶体间的分子粘连提供了纤维的弹性。弹性纤维的“区段”结构示意式如图4-6。

（二）合成工艺

经真空干燥去除水分的聚醚酯PEET切片在纺丝温度250℃下熔融，用螺杆挤压机压出后，进入喷丝板挤出成丝。纺丝速度一般为1 000m/min，但卷绕速度多采用200m/min，以兼顾产品用途、共聚组分以及含量的不同和避免卷绕及解舒时单丝或复丝间相互粘连。熔纺时要特别注意冷却丝的固化条件。此后，卷绕丝进行拉伸的热处理条件，如热处理的时间、温度及张力，要按对丝条要求的特性而定，一般为热板温度120~150℃，张力0.05g/D。此外，热处理时弹性丝应在弛缓、定伸长的状态下进行。在定伸长下进行均一的热处理，其结晶性会提高。

（三）性能

聚醚酯弹性纤维可以分为普强弹性、中强弹性及高强弹性纤维等类型，可根据产品用途不同来设计合成不同大分子结构的纤维，三者具体性能对比见表4-4。

由上表可知，各种聚醚酯弹性纤维强度较高，弹性也很好，在伸长50%时，中强弹性纤维的弹性已和氨纶相当。熔点也较高，可保证和PET纤维混纺时能在120~130℃下染色。此外，耐光性好，耐氯漂性、耐酸碱性等均优于普通氨纶。良好的耐酸碱性可使其与涤纶的混纺织物进行碱减量加工，以提高织物的悬垂性。该纤维原料便宜，生产和加工简单，是一类有发展前途的纤维。目前，日本帝人有限公司的Rexe已经实现商品化，受到市场关注。

三、聚烯烃弹性纤维

（一）结构

聚烯烃弹性纤维最早由陶氏化学公司生产，商品名称为Lastol，也称为XLA，已被正式命名为Elastolefin纤维，其分子式如图4-7所示，其成分为质量分数大于95%的乙烯和其他烯烃的共聚物。其弹性机制也是软、硬链段的交替连接，结晶体和大分子链间的共价键组成网络体系的交联点，较长的柔性聚烯烃链提供弹性伸长和回复性能（图4-8）。与前述两种热塑性弹性纤维不同，聚烯烃弹性纤维存在结晶节点和共价键交联点，因此随着温度升高到80℃左右，即使结晶体熔化，但共价键仍然存在，直到220℃时，纤维仍可保持形态，当温度降低后，又重新形成结晶网络，纤维可迅速恢复其强力和弹性。故这种弹性纤维的强力和耐热性更取决于共价键网络结构，即共价键的分布和密度。

（二）性能

1.物理机械性能

因XLA弹性纤维特殊的微结构，它的弹性和其他弹性纤维有明显差异。由图4-8可知，XLA纤维在较低应力下就有较大的伸长率和回复率，即模量低，刚性小，弹性柔软，回复性好，所制成的纺织品穿着时更贴身舒适。故该纤维纺织品染整加工时，应注意控制张力，不宜强拉，以免产生过大的变形。

2.化学性能

XLA纤维不含极性基团，是疏水性纤维，因此有较好的化学稳定性，耐强酸强碱和各种氧化剂。氨纶的耐氯漂性很差，而XLA纤维的耐氯漂性很好。但因XLA纤维是一种聚烯烃纤维，耐溶剂性差，很多溶剂对它有较强的溶胀作用。另外，XLA纤维的耐光性稍差，但比氨纶好，这和它存在一定的共价键交联点有关。

由于XLA纤维优良的化学性能和特殊的力学性能，所以适合和其他纤维混纺或交织成各种弹性纺织品，包括与毛、棉等混纺或交织的纺织品，特别是泳衣、内衣、防皱弹性织物，例如弹性牛仔衣、免烫型职业装和休闲运动衫等。这些服装比氨纶纺织品有更好的悬垂性和手感，且该纤维可保证服装经多次干洗后仍能保持弹性。另外，这种纤维不含重金属，无有毒化学物质释放，制成的服装可回收利用，又被称为“环保”型弹性纤维。

四、其他弹性纤维

（一）硬弹性纤维

聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）等聚合物在特殊的加工条件下进行熔融纺丝，经过快速牵伸卷绕后制得的纤维具有橡胶的高伸长性，即使在低温下也具有良好的拉伸回复性。又因为其有较高的模量，所以被称为硬弹性纤维，这种纤维具有特殊的结晶结构。硬弹性PP纤维经拉伸回复后马上进行第二次拉伸，其模量与强度要下降很多。但如果松弛一段时间后再拉伸，其应力-应变曲线与第一次拉伸时的曲线就比较接近。这是由于拉伸后，纤维内的非晶区发生了分子链的伸长和回缩，以及非晶区结构的变形和晶区的旋转和分离，使纤维内形成了大量的微孔，马上再拉伸时，并不能立即回复到原来的片晶网络结构。只有充分的松弛才能逐渐回复到原来状态。这种微孔结构的存在，是硬弹性纤维具有较好弹性的原因。

（二）聚对苯二甲酸丁二醇酯和聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维

PBT、PTT与PET同属芳香族聚酯，三者均采用对苯二甲酸（PTA）进行酯化缩聚，但差别在于PBT采用1，4-BDO（丁二醇）进行酯化缩聚，PTT采用1，3-PDO（丙二醇），而PET采用乙二醇。

PBT的弹性机制为晶型的转变，这与一般弹性纤维的弹性机制不同。PBT聚合物晶区内的大分子链是没有完全展开的平面锯齿形，在每个PBT大分子重复单元里有4个柔性亚甲基，在受到应力作用时，PBT聚合物的晶格结构将由松弛状态下的α晶型转变为拉伸状态下的β晶型，PBT大分子也由螺旋型转变成伸直状，而拉力释放后，β晶型又可转变回α晶型。PBT有如下的特性和优良性能：①PBT纤维的强度比PET纤维和PA纤维低；②杨氏模量比PET低得多，但与PA6接近；③伸长率为20%~40%，和PET几乎相同；④弹性回复率伸长3%时接近100%；⑤耐久性良好、尺寸稳定、不受环境湿度和温度影响的较好弹性；⑥纤维及其制品柔软，耐磨和纤维卷曲性均较好，拉伸弹性和压缩弹性极好，弹性回复率优于涤纶；⑦良好的染色性能，普通分散染料即可染色；⑧染色后的纤维色泽鲜艳，色牢度及耐氯性优良；⑨优良的耐化学药品性、耐光性和耐热性；⑩PBT与PET复合纤维呈细而密的立体卷曲状、回弹性优越、手感柔软、染色性能佳，是理想的仿毛、仿羽绒原料，且价格远低于氨纶纤维。

PTT重复单元里存在的3个亚甲基使大分子链之间产生“奇碳效应”，即苯环不能和3个亚甲基处于同一平面，邻近两个羰基的斥力不能呈180°平面排列，只能以空间120°错开排列，由此使得PTT大分子链形成螺旋状排列。这种螺旋状结构可能会赋予PTT良好的内在回复性和低模量性。但其他理论认为，“奇碳效应”不可能使大分子链在非晶相中形成Z字形构象，因为大分子链在非晶相中是无规律分布的，而在晶相中，Z字形构象的大分子链不可能受力首先发生构象变化，所以PTT纤维高回弹性的结构原因仍需进一步的研究。PTT纤维同样具有一些优良特性：与PET纤维相比，PTT纤维有更好拉伸弹性和回复弹性，较低的初始模量和较大的伸长率，伸长率虽远低于氨纶纤维，但大于除此之外的大部分纤维；手感柔软，悬垂性好，耐磨损性好，尺寸稳定性好，有较好的气候适应性和低温（110℃）染色特性。 dIJxgmlh95lPL0SpRVIU583xHCPmIFytJrdp+SxJ8ZFRKfXcMLE/2UHtYradm6kQ