日光辐照对粘胶纤维性能的影响

林燕萍

(江西服装学院，南昌　330201)



日光辐照对粘胶纤维性能的影响

林燕萍

(江西服装学院，南昌330201)

摘要：通过模拟日光对普通粘胶纤维和阻燃粘胶纤维进行辐照处理，分析辐照对粘胶纤维性能的影响。结果表明：经过辐照处理，纤维的相对平均分子量、聚合度、极限氧指数、结晶度及热学性能均有不同程度的下降；除热失重质量残存率外，阻燃粘胶纤维各项性能的下降幅度均高于普通粘胶纤维；纤维的断裂强度随着辐照时间的增加不断下降，而断裂伸长率随着辐照时间的增加而不断上升；普通粘胶纤维与阻燃粘胶纤维力学性能变化速率的最大区间分别在150～300h与50～150h。

关键词：粘胶纤维；日光辐照；分子结构；热学性能；力学性能

0　引　言

粘胶纤维是开发利用较早的人造纤维，具有吸收回潮、清爽光滑及易上色等显著优点，备受广大消费者的喜爱[1]。近年来，随着技术的不断发展，不同种类的功能性粘胶纤维相继被开发出来，其中最受关注的是阻燃粘胶纤维[2]。阻燃粘胶纤维由于极限氧指数较高，能够有效阻燃，广泛应用于高档家居面料及特殊防护织物。本文通过模拟日光辐照，分析粘胶纤维在日光条件下的使用性能，为开发抗日光辐照织物提供一定的参考依据。

1　实　验

1.1实验材料

普通粘胶纤维及阻燃粘胶纤维(纤维规格：1.36dtex/33mm，吉林化纤股份有限公司，其中阻燃粘胶纤维属于磷系阻燃粘胶纤维)、丙酮(胶州市富田化工有限公司)、浓硫酸(质量分数为98%，河南省新乡市中原有机化工有限责任公司)，以上化学试剂均为分析纯。

1.2实验仪器

T60标准光源箱(D65国际标准人工日光：色温为6500K，功率为18W，深圳市天友利标准光源有限公司)、Innov-X Delta DPO2000便携式手持光谱仪(北京斯普瑞设备有限公司)、NDJ-1旋转粘度计(上海沪粤明科学仪器有限公司)、CPA224S赛多利斯万分之一电子天平(德国赛多利斯集团)、K-R2406S-极限氧指数仪(苏州凯特尔仪器设备有限公司)、XQ-1型纤维强伸度仪(常州第二纺织仪器厂有限公司)、GDSJ-80小型恒温恒湿试验箱(北京恒泰丰科试验设备有限公司)、CT-C热风循环烘箱(常州市常溪干燥设备有限公司)、NETZSCH STA409PC同步热分析仪(德国耐驰仪器制造有限公司)、XRD-7000型X射线衍射仪(岛津公司)。

1.3实验方法

1.3.1日光辐照处理

按照1∶15的浴比，将普通粘胶纤维及阻燃粘胶纤维投入丙酮溶液中，在丙酮溶液中浸泡30min。利用丙酮除去普通粘胶纤维及阻燃粘胶纤维的表面油剂及杂质(本文实验中普通粘胶纤维及阻燃粘胶纤维均经丙酮溶液处理)。将经过丙酮溶液浸泡后的普通粘胶纤维及阻燃粘胶纤维取出，在通风阴凉处晾干后，放置到GDSJ-80小型恒温恒湿试验箱，在105℃下干燥至恒重。称取普通粘胶纤维及阻燃粘胶纤维各10g，每种纤维共称取6份。

将称取好的普通粘胶纤维及阻燃粘胶纤维分别放置到T60标准光源箱中，设置T60标准光源箱为D65标准光源，使用Innov-X Delta DPO2000便携式手持光谱仪测试纤维周围的光照强度，测试结果为2900 lux，光照强度非常接近自然太阳光的辐照强度，可以用D65标准光源模拟自然太阳光。将普通粘胶纤维及阻燃粘胶纤维在温度20℃，相对湿度为65%的环境中分别放置50、150、300、500、750h，在每个实验点分别取出1份待用。

1.3.2聚合度的测试

分别称取未经模拟日光辐照处理和经辐照处理50、150、300、500、750h的普通粘胶纤维及阻燃粘胶纤维各0.5g，投入浓硫酸中，使用玻璃棒不断搅动，直至普通粘胶纤维及阻燃粘胶纤维完全溶解在浓硫酸中，配成普通粘胶纤维及阻燃粘胶纤维质量分数为1%的硫酸溶液。依据GB/T 1632—1993《聚合物稀溶液粘数和特性粘数测定》，在温度为30℃的恒温水浴中使用NDJ-1旋转粘度计测试普通粘胶纤维及阻燃粘胶纤维的粘度η[3]，通过以上每种处理方式，对普通粘胶纤维及阻燃粘胶纤维测试3次，取其平均值并计算特性粘度[η][4]，计算方法见式(1)。根据式(2)及式(3)计算普通粘胶纤维及阻燃粘胶纤维的平均相对分子量Mη和平均聚合度DPη[5-6]。

(1)

(2)

DPη=Mη/238

(3)

式中：[η]表示特性粘度，ηsp表示增比粘度，ηr表示相对粘度，c表示溶液浓度。

1.3.3极限氧指数测试

使用K-R2406S-极限氧指数仪，依据GB/T5454—1997《纺织品 燃烧性能试验 氧指数法》测试未经模拟日光辐照处理和经辐照处理50、150、300、500、750h的普通粘胶纤维及阻燃粘胶纤维的极限氧指数。实验条件：温度为20℃，相对湿度为50%；气体供给流量在10L/min，输入压力为0.3MPa，工作压力为0.1MPa。

1.3.4X衍射仪分析

将未经模拟日光辐照处理和经辐照处理750h的普通粘胶纤维及阻燃粘胶纤维剪成碎末状，制作成纤维碎末压片。使用岛津XRD-7000型X射线衍射仪对普通粘胶纤维及阻燃粘胶纤维进行扫描测试。测试条件：Cu靶，Ni滤波，Kα射线波长为0.154nm，扫描范围为5°～45°，扫描速度为2°/min。

1.3.5热重分析

将未经日光辐照处理和经辐照处理750h的普通粘胶纤维及阻燃粘胶纤维剪成碎末状，使用NETZSCH STA409PC同步热分析仪，在氮气保护条件下测试，并分别测得未经日光辐照处理和经辐照处理750h的普通粘胶纤维及阻燃粘胶纤维的热重曲线，升温速率为20℃/min，实验测试温度范围为室温至600℃。

1.3.6力学性能测试

将模拟日光辐照处理的各个实验时间点的普通粘胶纤维及阻燃粘胶纤维，放置到GDSJ-80小型恒温恒湿试验箱中，在温度20℃、相对湿度65%环境下平衡24h。使用XQ-1型纤维强伸度仪，测定各个实验时间点普通粘胶纤维及阻燃粘胶纤维的断裂强度及断裂伸长率。XQ-1型纤维强伸度仪实验参数：纤维拉伸夹持长度为10mm，纤维拉伸速度为20mm/min，纤维的初始张力为0.2cN。每个实验时间点的普通粘胶纤维及阻燃粘胶纤维测试100根，排除异常测试结果，取平均值。测试纤维湿态强度时，将纤维放置到蒸馏水中浸泡3min后取出，按上述实验参数进行测试。

2　结果与讨论

2.1聚合度及极限氧指数

聚合度及极限氧指数相关指标测试结果如表1所示。从表1可以明显看出，经过模拟日光辐照处理50、150、300、500、750h后，普通粘胶纤维及阻燃粘胶纤维的相对平均分子量、聚合度与极限氧指数均有不同程度的下降。模拟日光辐照处理750h时，普通粘胶纤维及阻燃粘胶纤维的相对平均分子量、聚合度下降幅度分别为23.6%与31.1%，而极限氧指数的下降幅度分别为17.4%和28.2%。从上述计算结果可知，模拟日光辐照处理对阻燃粘胶纤维的影响更大，下降幅度分别比普通粘胶纤维高7.5%与10.8%。这是由于光量子的能量高于纤维素大分子间化学键结合力，当光量子在纤维中的能量积累达到一定程度时，造成纤维内部电子的能级跃迁，产生羰基化合物，使得粘胶纤维中的长链断裂，从而造成纤维的平均相对分子量与聚合度的下降。而对阻燃粘胶纤维而言，由于该阻燃粘胶纤维属于磷系阻燃粘胶，当光量子的能量积累偏磷酸与粘胶纤维分相严重，致使阻燃粘胶纤维的平均相对分子量与聚合度的下降幅度高压平均粘胶纤维。而极限氧指数，由于辐照致使的能量积累，使得偏磷酸与纤维分子分相，致使聚偏磷酸难以有效聚合形成非燃性液态膜而隔绝空气，使得极限氧指数的下降幅度大于普通粘胶纤维。

表1聚合度及极限氧指数相关指标测试结果

辐照时间/h普通粘胶相对平均分子量聚合度极限氧指数/%阻燃粘胶相对平均分子量聚合度极限氧指数/%015422464818.412471252429.85014922662718.112185651229.515014089859217.611566848628.730012994854616.910448243927.450012257051516.19567640224.575011781049515.28591839121.4

2.2X衍射

图1　粘胶纤维X衍射曲线注：X衍射曲线从上到下依次是：未经日光辐照处理的普通粘胶纤维，经日光辐照750h处理的普通粘胶纤维，未经日光辐照处理的阻燃粘胶纤维，经日光辐照750h处理的普通粘胶纤维。

使用分峰软件对所测纤维的X衍射曲线进行分峰，并计算分峰曲线的积分面积。利用式(4)[7]计算粘胶纤维的结晶度。由计算可得，辐照处理前后普通粘胶纤维及阻燃粘胶纤维的结晶度分别为36.2%、26.5%和30.4%、19.6%，分别下降了8.7%和10.8%。由此可知，经过日光辐照处理，粘胶纤维的结晶度下降，无定型比例增加，这也是纤维极限氧指数下降的原因。

(4)

其中：Cr表示纤维结晶度，Sa表示纤维的无定形峰的面积，Sc表示结晶峰的面积。

2.3热重分析

未经模拟日光辐照处理和经辐照处理750h的普通粘胶纤维及阻燃粘胶纤维的TG曲线如图2所示。从图2可以明显看出，辐照处理前后，普通粘胶纤维及阻燃粘胶纤维的TG曲线的走势大致保持相同。这是由于辐照处理前后纤维的分子结构的晶型并未发生改变，经过辐照处理，纤维的结晶度降低，纤维的无定型区增加，使得纤维大分子结构的稳定性降低，因而在辐照处理后，纤维的质量残存率明显降低。

TG曲线可以分为4个阶段进行分析，分别是0～120℃、120～300℃、300～360℃与360～600℃。第1阶段的质量下降主要原因是由于纤维内部的结合水与吸附水的挥发引起的；第2阶段的质量下降则是由于纤维素分子中葡萄糖基开始脱水引起的；第3阶段的质量下降是由于纤维结构中糖甙键等大分子链段开始断裂和滑移，该过程也是纤维吸收的主要阶段；第4阶段则是纤维为了保持内部分子结构的稳定而结构趋于芳环化。从图2中可以看出，辐照前后阻燃粘胶纤维的质量残存率19.72%与18.01%，而普通粘胶的质量残存率分别为12.97%与11.55%。从上述数据可知，阻燃粘胶纤维的质量残存率下降幅度高于普通粘胶纤维，但残存率依然高于普通粘胶纤维，这是由于阻燃粘胶纤维中的阻燃剂在高温情况下，会脱水而促使左旋葡萄糖裂解而进一步脱水生成偏磷酸，从而聚合成稳定性较强的聚偏磷酸以保持结构的稳定性[8]。

图2　粘胶纤维TG曲线注：TG曲线从上到下依次是：未日光辐照经处理的阻燃粘胶纤维，经日光辐照750h处理的普通粘胶纤维，未日光辐照经处理的普通粘胶纤维，经日光辐照750h处理的普通粘胶纤维。

2.4力学性能

模拟日光辐照处理的各个实验时间点的普通粘胶纤维及阻燃粘胶纤维力学性能测试结果如表2所示(表2中未经模拟日光辐照处理的粘胶纤维标记为经模拟日光辐照处理0h)。分别作断裂强度与断裂伸长率与日光辐照时间关系曲线如图3所示。从图3可以明显看出，随着日光辐照时间的增加，普通粘胶纤维及阻燃粘胶纤维断裂强度不断下降，而断裂伸长率不断增加。这是由于日光的辐照处理使得纤维的聚合度下降，从而导致纤维的均端末方距下降，进而使得纤维的力学性能下降，同时由于辐照原因，致使纤维的结晶度下降，无定型区增加，大分子结构的稳定性受到破坏，也是造成纤维力学性能下降的一个重要原因。

对断裂强度和断裂伸长率与辐照时间的关系曲线进行拟合，得式(5)—式(12)。对式(5)—式(12)求导，可知普通粘胶纤维的断裂强度与断裂伸长率变化速率最大的区间在150～300h，而阻燃粘胶纤维的断裂强度与断裂伸长率变化速率最大的区间在50～150h。这是由于阻燃剂的加入使得阻燃粘胶纤维的聚合度与结晶度低于本身低于普通粘胶纤维，而阻燃粘胶纤维中的磷系阻燃剂在辐照的情况下，更容易与空气中的氧气发生氧化反应，因此分子结构链段的破坏需要的能量更小。同时，从拟合公式可以推导出，在湿态情况下，纤维的力学性能变化幅度高于在干态条件下，这是由于在水分子的溶胀作用，纤维大分子间的分子间作用力削弱，更容易发生分子链间的相对滑移。

(5)

(6)

+16.6218

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

y8=-15.3757x2+0.0566x+30.5651

(12)

其中：x为日光辐照时间，h；y1为普通粘胶纤维干态断裂强度，cN·dtex-1；y2为普通粘胶纤维湿态断裂强度，cN·dtex-1；y3为阻燃粘胶纤维干态断裂强度，cN·dtex-1；y4为阻燃粘胶纤维湿态断裂强度，cN·dtex-1；y5为普通粘胶纤维干态断裂伸长率，%；y6为普通粘胶纤维湿态断裂伸长率，%；y7为阻燃粘胶纤维干态断裂伸长率，%；y8为阻燃粘胶纤维湿态断裂伸长率，%。

表2粘胶纤维力学性能相关测试结果

辐照时间/h普通粘胶断裂强度/(cN·dtex-1)断裂伸长率/%干态湿态干态湿态阻燃粘胶断裂强度/(cN·dtex-1)断裂伸长率/%干态湿态干态湿态02.31.217.225.41.80.821.330.3502.11.118.227.11.60.722.933.11501.80.920.329.91.10.426.538.93001.20.524.636.30.80.330.344.35000.80.327.539.70.60.233.648.77500.50.229.842.50.30.136.451.8

图3　粘胶纤维力学性能曲线注：a-干态普通粘胶纤维；b-干态阻燃粘胶纤维；c-湿态普通粘胶纤维；d-湿态阻燃粘胶纤维；

3　结　论

a) 普通粘胶纤维及阻燃粘胶纤维经过日光辐照处理，纤维的相对平均分子量、聚合度、极限氧指数、结晶度及热学性能均有不同程度的下降，且阻燃粘胶纤维的相对平均分子量、聚合度、极限氧指数及结晶度下降幅度高于普通粘胶纤维，而热学性能的质量残存率下降幅度低于普通粘胶纤维。

b) 在实验范围内，普通粘胶纤维及阻燃粘胶纤维的断裂强度随着日光辐照时间的增加不断下降，而断裂伸长率随着辐照时间点增加而不断上升。普通粘胶纤维力学性能变化最大的区间在150～300h，而阻燃粘胶纤维变化速率最大的区间在50～150h。

参考文献：

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[2] 朱正锋，齐大鹏，蔡丽丽，等.阻燃粘胶纤维的性能研究[J].中原工学院学报，2010,21(4):37-40.

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[8] 于伟东，储才元.纺织物理[M].上海：中国纺织大学出版社，2001:76.

(责任编辑：康锋)

收稿日期：2015-08-28

作者简介：林燕萍(1982-)，女，四川泸州人，讲师，硕士，主要从事功能性服装设计与工艺的研究。

中图分类号：TS102.51

文献标志码：A

文章编号：1009-265X(2016)03-0005-05

Effect of Solar Irradiation on the Performance of Viscose Fibers

LINYanping

(Jiangxi Institute of Fashion Technology, Nanchang 330201, China)

Abstract：Analyze the influence of irradiation on performance of viscose fibers by carrying out irradiation treatment for ordinary viscose fibers and flame retardant viscose fibers with simulated sunlight. Researches show that the relative average molecular weight, degree of polymerization of fiber, limiting oxygen index, crystallinity and thermal properties of viscose fibers are all decreased after irradiation treatment. What’s more, the decreasing amounts of all performances of flame retardant viscose fiber are larger than those of ordinary viscose fiber except thermo-gravimetric quality survival rate. The breaking strength of the fibers was constantly falling with the increase in irradiation time increasing while the elongation at break continuously rises with the increase in irradiation time. The maximum intervals of performance change rate of ordinary viscose fibers and flame retardant viscose fibers are 150～300h and 50～150h respectively.

Key words：viscose fiber; solar irradiation; molecular structure; thermal properties; mechanical properties