具有分形结构的聚酯纤维及其制造方法和由此纤维得到的织物 本发明涉及一种聚酯纤维，更具体地说，涉及一种具有区域结晶分形结构的聚酯纤维及其制造方法，和由该聚酯纤维得到的织物。
众所周知，合成纤维如聚酯纤维，具有挺括、结实、耐洗和耐穿等优点。但从本质上讲，合成纤维仍然与天然纤维存在着较大的区别，主要由于合成纤维的内部结构是对称的、无(纳米级)的扭曲单元存在，因此其织物总是呆板的(横平竖直)，有极光，并且穿着舒适性较差。而羊毛等天然纤维，在其内部结构上，从纳米级的单元(基元纤、微元纤)开始，就具有分形(fractal)的扭曲存在，所谓“分形结构”是指天然纤维特有的、内在的分形维(分数维)的自然扭曲结构，因此它们能自相似放大，最后导致成纤维的柔软而不对称的扭曲，并与大自然的色、光对应，其纺织品没有极光、不呆板，光泽自然和谐。
为了克服聚酯纤维存在的上述缺陷，人们在制造聚酯纤维的过程中试图模仿天然纤维，但在现有技术中主要是从纤维织物的性能上模仿天然纤维，如：制备阳离子可染涤纶，抗起毛起球涤纶以及三异(异纤度、异截面、异收缩)涤纶、超细涤纶等，甚至可以合成含两个或两个以上上述功能的多功能涤纶。虽然它们在外形、手感和力学性能等方面接近了天然纤维，但常压可染性较差，而且由此纤维制得的织物，仍存在结构单调(横平竖直)、外形死板、有极光，舒适性较差等缺点。近年来，人们对合成纤维仿天然性能地研究已从表面逐渐向内在结构方向发展，因此模仿天然纤维内在的自然扭曲的分形结构，使合成纤维内部的结晶晶胞产生聚集扭曲，形成纳米级的区域(domain)性结晶结构，是人们一直所追求的目标。但目前所有的研究工作均处于研究阶段，并未得到令人满意的结果。例如：日本发明人采取超高速纺丝的方法，将纺丝速度控制在＞8000m/min(《新纤维科学》，1995，155——200页，东京通商产业调查出版社)；美国发明人采取在纺丝线上附加液杯的方法；但上述的方法均只能得到纤维断面不均一结构的纤维，并没有形成分形结构。而且上述报道均只停留在试验研究阶段，并未应用于规模化的生产中。迄今为止，尚未见到具有有关分形结构聚酯纤维及其制造方法的文献报道。
本发明人正是从模仿天然纤维内在所具有的分形结构角度出发，经过反复研究和实验，通过对聚酯熔融纺丝工艺中纺丝温度和张力的控制，提供了一种聚酯纤维，它具有只有天然纤维才存在的自然扭曲的分形结构，所加工的纺织品综合了天然纤维和合成纤维的优点，具有很好的染色性和定型性。
而且本发明还提供了一种上述具有分形结构的聚酯纤维的制造方法。
另外本发明还提供了由上述聚酯纤维与毛、棉、丝、麻、羊绒或其他化学纤维混纺或交织的聚酯纱，这种聚酯纱或织物与普通的聚酯纱不同，形成了自然的“龙缠柱”状纱结构，不仅挺括、保形性良好，而且穿着舒适。
本发明提供了一种聚酯纤维或长丝，其特征在于：(1)纤维的双折射率在Δn＝155-180×10-3；(2)从干涉显微镜观察，其干涉条纹存在凹凸不规则的形状；(3)纤维的X光小角衍射图中，衍射角度偏离了15°-30°。
本发明的聚酯纤维的双折射率Δn在155-180×10-3，较好为160-176×10-3。
从干涉显微镜的图案来观察，一般普通的聚酯纤维的干涉条纹，呈现一光滑的圆弧形状，而本发明的聚酯纤维的干涉条纹则与之不同，呈现凹凸不规则形状。
从本发明聚酯纤维的X光小角衍射图中，我们可以很清楚的看到，其衍射角度与现有的聚酯纤维相比，发生了偏离，一般偏离15°-30°左右。
我们认为上述凹凸不规则干涉条纹的形成，和X光小角衍射角度的偏离，均说明了该聚酯纤维中区域结晶结构是一种扭曲分形结构。这种潜在的分形扭曲自相似放大后，使该纤维存在着外形不变、内在不对称结构的微观自旋转和外形弯曲的宏观旋转。这种潜在扭曲的分形结果，使本发明的聚酯纤维既能具有天然纤维的柔软、丰满、舒适性和诸多自然的声、光、色性能，而且还能使织物具有保形性、洗可穿性和微弹性等，因此具备了天然纤维和合成纤维的优点。
另外应该指出的是由于本发明聚酯纤维具有区域结晶分形结构，因此其粒子较大，一般根据X光小角和广角衍射图，按Tsvankin模型推算，本发明聚酯纤维的粒子大小为20-22纳米×30-32纳米。当聚酯纤维为涤纶时，其粒子大小为21纳米×31纳米，其尺寸大小至少为普通涤纶的6倍以上，一般普通涤纶的粒子大小为3.5纳米×7纳米。由于本发明聚酯纤维粒子的尺寸较大，这样使其无定形区尺寸与普通的聚酯纤维相比加大了，所以染色性大大提高，具有很好的常压可染性。例如，采用同样的方法进行染色，本发明涤纶的上染率均高于普通涤纶，特别是在常温常压下的上染率更加明显。
可通过对聚酯熔融纺丝工艺中纺丝温度和张力的控制来制造本发明所述的具有分形结构聚酯纤维，例如涤纶的制备方法为：在常规的涤纶长丝纺丝机上，通过选择以下条件进行纺丝，控制纤维细颈点的温度在80——150℃，较好为80——130℃，纺丝速度4500——5300米/分钟，张力0.5——1.8g/d。上述的三个工艺条件只有相互匹配，才能得到较好的纺丝效果。例如可以选择以下工艺条件：纺丝速度为4800米/分，控制细颈点的为129℃，纤维的张力为0.7g/d；或纺丝速度为4900米/分，控制细颈点的为90℃，纤维的张力为1.0g/d；或纺丝速度为5300米/分，控制细颈点的为80℃，纤维的张力为1.7g/d。
有选择地控制热管纺丝机细颈处的温度和张力，即控制了纤维取向结晶和热结晶的比例，保证了纤维内部区域结晶结构的形成，从而得到了具有分形结构的聚酯纤维。
在上述制造方法中，纤维细颈点的温度的控制是较为关键的，可采用在普通的聚酯长丝纺丝机上，沿纺丝线配置一可上下移动的加热管，通过控制该加热管上下部位的温度及加热管的位置来保证纤维细颈点的温度在80——130℃。该加热管的长度一般为0.5-2米，上、下部位的温度分别控制在90——200℃和80——190℃。最好使纤维的细颈(沿纺丝线)处于热管的中上部。
本发明还提供了具有分形结构的聚酯纱，该聚酯纱的制造是将上述的聚酯纤维，自身或分别与棉、毛、丝、麻、羊绒等纱线进行合股并纱，也可将上述的聚酯纤维或长丝与其他纤维(包括天然纤维和合成纤维)进行交织。
在进行合股并纱时，可控制捻数≤8捻/cm和定捻温度为70——110℃，时间为1——50分钟。
值得指出的是由于本发明的聚酯纤维具有类似天然纤维的超维自然扭曲存在，因此使用本发明的聚酯长丝与棉、毛、丝、麻、羊绒等天然纤维合股并纱所制得的聚酯纱，例如涤纶纱，与普通涤纶制得的涤纶纱的最大区别在于，本发明的涤纶长丝可卷缩于纱线的内部，所混纺的天然纤维则如“龙缠柱”一般缠绕在纱线的外部，也就是说，从宏观上看，天然纤维总是突出在纤维的表面，而采用普通涤纶或锦纶则无此特点。这可能是由于本发明的聚酯纤维中存在的分形结构，即自扭曲结构的存在，因此在其与天然纤维混纺时，在适宜的加工条件下，聚酯纤维中可能存在的未被束缚的可以自由扭转的纤维段会自动地迁移至纱的中心，即卷缩于纱线的内部，而天然纤维则缠绕在外部。因此使用该纱线得到的织物不仅保持了合成纤维的挺括，而且由于接触人体为天然纤维，因此穿着非常舒适，吸湿性和透气性均较好，并且消除了极光。例如，本发明聚酯纤维与天然纤维混纺的纱织物的透气性要优于相同品种的纯天然织物，并且透湿性也相当。因此可以说，该聚酯纱或织物完全集中了合成纤维和天然纤维的优点，大大提高了织物的使用价值，具有很好的商业前景。实施例实施例1
在一配置有加热管装置的纺丝机(Barmag制造，1000吨/年)上，加热管的长度为1.2米，控制纺丝速度为4800米/分，热管温度为190℃，控制细颈点的为129℃，纤维的张力为0.7g/d，，制得涤纶长丝。
根据色那蒙补偿法，测定该涤纶长丝的双折射率为160×10-3，从干涉显微镜观察，其干涉条纹，如图1所示，呈现不规则形状，
纤维的X光小角衍射图中，衍射角度偏离了约30°。对比例1普通纤维：采用天津石化化纤厂的FDY涤纶，
根据色那蒙补偿法，测定该涤纶长丝的双折射率为190×10-3，
从干涉显微镜观察，干涉条纹，如图2所示，呈现光滑的规则形状，纤维的X光小角衍射图中，衍射角度未发生偏离。
其染色性能如表1所示。
图1为干涉显微镜中观察到的本发明涤纶的干涉条纹。
图2为干涉显微镜中观察到的普通涤纶的干涉条纹。
图3为实施例1涤纶长丝与羊毛合股纱的“毛缠涤”的照片实施例2
将实施例1的涤纶长丝与棉合股、加捻，捻数6捻/厘米，定捻温度80℃，可制得“棉缠涤”的合股纱；
将实施例1涤纶长丝与羊毛合股、加捻，捻数4捻/厘米，定捻温度90℃，可制得“毛缠涤”的合股纱，其“龙缠柱”的照片可见图3，从图中可以清楚地看到羊毛(黑色)象龙一样缠绕在本发明的涤纶纤维上；
将实施例1涤纶长丝与麻合股、加捻，捻数8捻/厘米，定捻温度100℃，可制得“麻缠涤”的合股纱。
上述聚酯纱与天然纤维的性能对比数据见表2、3、4和5。
表2天然纤维织物 透气率 (mm/s) 天然纤维/本发明涤 纶织物 透气率 (mm/s)纯棉针织面料 374 棉/涤纶针织面料 742 纯毛织物 460 毛/涤织物 645 纯麻织物 368 麻/涤织物 452透气率的测试标准：GB/T 5453-1997(国内)上表中，纯棉针织面料为南京小河服饰有限公司产品；纯毛织物为清河毛纺厂产品；纯麻织物为市售亚麻织物。表3天然纤维织物 透湿量 (g/m2.d) 天然纤维/本发明涤 纶织物 透湿量 (g/m2.d)纯棉针织面料 12680 棉/涤纶针织面料 12680 纯毛织物 13550 毛/涤织物 13180 纯麻织物 12090 麻/涤织物 11950透湿量的测试标准：GB/T 12704-1991表4 弯曲长度(cm)与本发明涤纶的混 纺织物 弯曲长度(cm) 经向 纬向 总 经向 纬向 总 纯粘胶织物 1.8 1.2 1.5 粘/涤织物 2.0 1.8 1.9 纯毛织物 2.4 1.3 1.8 毛/涤织物 2.6 1.4 1.9 纯麻织物 1.7 1.8 1.7 麻/涤织物 3.2 2.3 2.7
弯曲长度的测试标准：ZBW 04003-1987
表5 弯曲刚度(mg.cm) 与本发明涤纶的 混纺织物 弯曲刚度(mg.cm) 经向 纬向 总 经向 纬向 总 纯粘胶织物 76.7 24.2 43.1 粘/涤织物 104 77.8 90.1 纯毛织物 326 51.6 130 毛/涤织物 419 68.4 169 纯麻织物 132 150 141 麻/涤织物 630 244 392弯曲长度的测试标准：ZBW 04003-1987实施例3
将纺丝速度改为4900米/分，控制细颈点的为90℃，纤维的张力为1.0g/d，其余同实施例1，制得聚酯长丝。测定该涤纶长丝的双折射率为168×10-3，实施例4
将纺丝速度改为5300米/分，控制细颈点的为80℃，纤维的张力为1.7g/d，其余同实施例1，制得聚酯长丝。测定该涤纶长丝的双折射率为176×10-3。其染色性能如表1所示。
表1 本发明涤纶与普通涤纶(PET)对分散染料上染百分率的对比染色方法 常温常压法 载体法 高温高压法 染料本发明涤纶％普通涤纶％本发明涤纶％ 普通 涤纶％ 本发明 涤纶％ 普通 涤纶％分散红玉 42.7 29.4 95.6 88.2 96.2 95.3 Foron黄 RD-4GLF 20.7 19.8 53.6 38.5 96.7 96.2 Foron蓝 RD-GFL 42.0 26.5 85.9 54.6 92.4 88.6 Foron黑 S-2BL 39.3 31.1 83.7 60.8 91.5 82.9 Foron黑 RD-3G300 35.2 22.9 78.3 56.4 96.1 96.0 分散藏青 HGL 33.7？ 36.2？ 61.4 59.6 89.0 86.2
注：上述三种染色方法均采用染浴残液比色法。
从上表的比较可以看出，对于三种染色方法来说，本发明的聚酯纤维的上染百分率均要高于普通聚酯纤维，特别是常温常压下的染色性能，本发明的聚酯纤维的染色性能明显优于普通纤维。