纳米硫酸钡/再生纤维素共混纤维制备及性能研究

刘津玮，刘优昌

(青岛市纤维纺织品监督检验研究院，山东 青岛 266071)

纳米硫酸钡/再生纤维素共混纤维制备及性能研究

刘津玮，刘优昌

(青岛市纤维纺织品监督检验研究院，山东 青岛 266071)

文章以粘胶纺丝液为基体溶液，纳米硫酸钡为添加剂，利用共混法，经湿法纺丝制备了一种新型复合纤维并研究了共混复合纤维的细度、横纵向形态结构、机械力学性能、导电性能、耐水洗性能等指标。研究结果表明：纳米硫酸钡可以均匀地分布在纤维内部及表面，且纳米硫酸钡的加入对共混纤维的导电性、力学性能等影响较小，其耐水洗性较好。

粘胶纤维；纳米硫酸钡；共混法；复合纤维；性能指标

1 引言

硫酸钡，又名重晶石，是一种无色无味的斜方晶系晶体或白色无定型粉末。它可用来做吸收X射线的材料，但考虑到大颗粒状普通硫酸钡对X射线的吸收不明显，而且不易于与浆料均匀混合，现采用纳米级硫酸钡来做研究，由于纳米材料具有明显的纳米效应，如量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应等[1,2]，这可以增大物质表面积，相比于普通硫酸钡对X射线的光电吸收程度有了大幅增加[3]。因此本文选用纳米硫酸钡来做添加剂，而不采用普通硫酸钡。另外，粘胶纤维又称“人造棉”，具有一些与天然棉纤维类似的特殊性质，如抗静电、吸湿性好、易染色、易于纺织加工，制成织物穿着舒适、花色鲜艳等[4]。

纳米硫酸钡/再生纤维素共混纤维是一种新型的复合纤维，可保持各组分独特的性能，而且在原有材料独特性能的基础，通过相互之间的“协同作用” ，弥补单一材料的缺点，展现出单一组分材料所不具有的新性能。本文着重研究两种材料共混复合纤维的机械力学性能、导电性能等各项性能指标。通过研究各项指标为进一步探究复合纤维的防X射线功能性研究打下理论基础。

2 共混纤维制备

2.1 实验原料与试剂

纳米硫酸钡粉末(平均粒径小于100 nm)，粘胶纺丝液，氢氧化钠(分析纯)，浓硫酸(分析纯)，无水硫酸钠(分析纯)，硫酸锌(分析纯)。

2.2 实验设备

一套粘胶原液制备机、纺丝机、二浴槽、集束机、后处理工艺机、添加剂加入设备；KS-180EI超声波清洗机；JJ-1电子搅拌器。

2.3 制备工艺

纳米硫酸钡/再生纤维素共混纤维简单制备工艺流程如下：

浆粕→浸渍→压榨→粉碎→老成→黄化→溶解→混合→过滤→脱泡→纺丝→牵伸→切断→精练→烘干。

纳米硫酸钡乳液的制备：将一定量的纳米硫酸钡粉体和含量占溶液0.5%的十二烷基苯磺酸钠(分散剂)加入到定量的水中混合搅拌20 min，随后超声分散30 min，得到分散均匀的纳米硫酸钡乳液。

粘胶纺丝液的制备：以纤维素浆粕为原料，用纺丝原液制备机经过浸渍、压榨、粉碎、老成、黄化和溶解制得粘胶纺丝液。

纺丝原液的制备：将已制备的纳米硫酸钡乳液按硫酸钡在整个溶液中所占质量分数10%、20%、25%添加到粘胶纺丝液中混合均匀，随后经过熟成、脱泡、过滤，制得纺丝原液。

纺丝成型：采用湿法纺丝，经纺丝机将纺丝原液在15 g/L的硫酸锌、230 g/L的硫酸钠、110 g/L的硫酸组成的凝固浴纺丝成型，凝固浴温度为50℃。

3 共混纤维性能研究

3.1 细度

纤维的细度对纤维的性能有重要的影响，不仅影响纤维伸长、刚柔性、断裂强度、弹性及形变的均一性，同时也影响着织物风格以及纤维和织物的形成过程和用途。纤维纺纱工艺除与纤维的长度、卷曲性等有密切关系外，与纤维的细度也有着很大的关系。纤维的细度越细，纺出的成纱强度越高，另外，细度对纺成纱线的条干不匀率也有显著的影响，纤维细度越细，成纱的条干越好，条干不匀率越低，形成的纱线质量越好。

3.1.1 试验材料

常规粘胶纤维、纳米硫酸钡含量分别占10%、20%、25%的共混纤维。

3.1.2 试验方法

中断切断称重法：利用Y171型纤维切断器切断纤维长度为10 mm，电子天平称重，根据细度定义计算纤维细度。

3.1.3 结果与分析

由表1中可以看出，随着纳米硫酸钡含量的增加，细度有略微增大的趋势，可推测在加入不同含量的纳米硫酸钡之后，由喷丝口喷丝时纤维发生了不同程度的挤出后胀大现象，导致成形纤维的细度不一致，且添加的纳米硫酸钡含量越高，纤维胀大程度越大。

表1 不同纳米硫酸钡含量的共混纤维的细度

3.2 横截面及纵向形态结构

3.2.1 试验准备

用哈氏切片器制作共混纤维的横向切片，由双面胶固定在载玻片上，喷金处理；纵向形态观测将纤维束整理平整，同样由双面胶固定于载玻片上，喷金处理。采用JSM-840型扫描电镜观测共混纤维的横、纵向形态。

3.2.2 结果与分析

图1中所选为纳米硫酸钡含量占10%的共混纤维的横截面图片，由横截面图片可知，横截面是不规则多边形，具有一定的抗弯能力，其中白点为纳米硫酸钡粒子，较均匀地分布在再生纤维素基体中。

图1 纤维横截面放大5000倍形态

图2中为纳米硫酸钡含量占10%的共混纤维的纵向形态图片，由纵向形态可以看出纤维表面有不规则的凹槽，这有利于纤维的吸湿、放湿和导湿，但会对纤维的光泽和刚度等性能产生一定的影响；纤维基本没有卷曲，白色纳米硫酸钡颗粒均匀分布于纤维表面。

3.3 纤维力学性能

纤维的断裂强度、断裂伸长与纤维的可纺性有着密切的关系。在其他条件一定时，一定范围内纤维强度越高纺出的纱线强度越高，纤维的强度是纤维品质的重要指标之一。在通常情况下，纤维的伸长率愈大，纤维抵抗外力破坏的能力愈强，其制品也越柔软，纤维伸长率是衡量纤维性能的又一重要指标。

3.3.1 试验准备

粘胶纤维具有良好的吸湿性能，且吸湿后强力明显下降，在研究纤维的力学性能时需对纤维吸湿后的力学性能进行测试，常规粘胶纤维、纳米硫酸钡含量占10%的共混纤维、纳米硫酸钡含量占20%的共混纤维、纳米硫酸钡含量占25%的共混纤维四种纤维需分别放于水中进行24 h湿处理。利用LLY-06E型电子式单纤维强力仪测试四种纤维在干态和湿态下的断裂强力。

3.3.2 结果与分析

由表2中可以看出，共混纤维的湿强小于其干强，与纯粘胶纤维一致，并且在一定范围内，随着纳米硫酸钡含量的增加，干湿强度及断裂伸长率都越来越小。这可能由于硫酸钡的加入削弱了分子间的作用力，使得纤维的力学性能降低，这可以从两个方面做出解释：一是无机纳米粒子用量增大，粒子过于接近，银纹组合成大的裂纹；二是纳米粒子增多的同时，颗粒与颗粒之间易发生团聚现象，而这种团聚粒子表面的缺陷，则会引起基体材料损伤从而易产生应力集中，在外力作用时，团聚粒子会产生相互滑移而使体系性能变差。

表2 纤维干湿强度对比

3.4 纤维导电性能

纤维的导电性用比电阻来表征，这是纤维电学性能的一个重要指标，对预测纤维的可纺性能有着重要的作用。纤维在纺纱过程中，不可避免地在纤维与纤维，纤维与纺纱机器之间因摩擦而产生静电，如果静电电荷不及时散去，在纤维表面积聚，就会产生纤维粘连和纤维绕辊的现象，不利于纺纱的顺利加工。

3.4.1 试验设备

LCK-306电子式纤维比电阻测试仪，提前开机预热；电子天平。

3.4.2 样品准备

导电性试验：需分别称取15 g纯粘胶纤维，纳米硫酸钡含量占10%的共混纤维，纳米硫酸钡含量占20%的共混纤维，纳米硫酸钡含量占25%的共混纤维供实验用。

3.4.3 结果与分析

由表3中数据可以看出常规纤维的比电阻值要大于添加纳米硫酸钡的共混纤维的比电阻值，说明随着纳米硫酸钡的加入纤维的导电性得到了一定的改善，这有利于纺纱中产生的静电的及时散出。

表3 纤维比电阻

3.5 共混纤维耐水洗性

共混纤维的耐水洗性反映的是再生纤维素与无机纳米硫酸钡粒子之间的结合牢度，若耐水洗性能好，则纤维素与纳米硫酸钡粒子的结合能力强，纳米硫酸钡粒子不易因洗涤而造成太多的流失，也避免了造成纳米硫酸钡功能缺失，保证了共混纤维功能性的延续。

3.5.1 试验设备

高温电炉，附有温度调节器，可保持温度(725±25)℃；烘箱，附有恒温控制装置，允许误差±2℃；电子天平，最小分度值0.001 g。

3.5.2 测试方法

对共混纤维进行不同次数的洗涤，在同一洗涤次数时做出5组平行样(称取每组质量之后求其平均值，以此将误差缩小到最低)，将洗涤后的纤维烘干称取重量，随之在高温电炉中(725±25)℃下灼烧，称取残留物重量，因纤维中只有硫酸钡在高温下不分解，其他有机成分燃烧为水、二氧化碳等,残留物即是硫酸钡，最后计算洗涤不同次数后的残留物含量。

其中：A为残留纳米硫酸钡的含量(%)，坩埚的重量a0(g)，烘干后坩埚和剪碎纤维的总重a1(g)，坩埚和灼烧后残留物的总重量a2(g)。

3.5.3 结果与分析

从表4中数据可以看出，纳米硫酸钡/再生纤维素共混纤维随着洗涤次数的增加，其共混纤维中剩余纳米硫酸钡含量降低，在观测纤维的纵向形态时，可以看到部分纳米硫酸钡颗粒分布于纤维的表面，所以在洗涤时不可避免地会因为摩擦造成纳米硫酸钡颗粒的脱落。但结果表明在洗涤不同次数后纤维中纳米硫酸钡含量的变化很小，说明纳米硫酸钡和纤维素分子之间结合能力强，保证了共混纤维的防X射线功能的长久性。

表4 不同洗涤次数下共混纤维中纳米硫酸钡含量

4 结论

4.1 通过对纤维的形态及结构观察可得，从同一个喷丝头喷出的纤维的细度不一样，观察共混纤维的横截面和纵向形态，可看到纤维表面有凹槽，纳米硫酸钡颗粒较均匀地分散在纤维中。

4.2 通过对纤维的导电性、力学性能进行测试可得，与常规粘胶纤维相比，在一定范围内都有一定的下降，但不影响后续纺纱工艺的顺利进行。

4.3 对共混纤维的耐水洗性进行测试，结果表明共混纤维中纳米硫酸钡的牢固性较好，具有很好的耐水洗性。

[1] Gryaznov V G，Trusov I. I. Size Effects in Micromechanics of Nanocrystals[J].Progress in Materials Science，1993，(37)：289—401.

[2] 张立德，牟秀美．纳米材料和纳米结构[M]．北京：科学出版社，2001.

[3] 刘吉华，许东彬，辛寅昌.利用CT扫描仪分析不同类型BaSO4对X射线的衰减规律[J].山东师范大学学报，2007，22(2)：66—68.

[4] 王培政.阻燃粘胶纤维性能研究[D].青岛：青岛大学，2005.

The Preparation and Performance Study of Nano Barium Sulfate/Regenerated Cellulose Blend Fibers

LiuJinwei,LiuYouchang

(Qingdao Institute of Textile Fiber Supervision and Inspection, Qingdao 266071, China)

Viscose spinning solution as matrix, nano barium sulfate as additive, using the method of blending, one new type of composite fiber was prepared by wet spinning to study the fineness of the blend composite fibers, transverse longitudinal morphology, mechanical properties, electrical conductivity and washing durability. The research results show that the nano barium sulfate can be evenly distributed in fiber interior and surface, and it has less effects on the conductive and mechanical properties of blend fibers, the composite fiber has good washing durability.

viscose fiber; nano barium sulfate; blending method; composite fiber; performance indicators

2017-01-02

刘津玮(1986—)，男，山东淄博人，工程师。

TS102.6

B

1009-3028(2017)01-0005-04