紫外线辐照对黏胶纤维降解性能的影响

李琳琳

（江西服装学院，江西南昌 330201）

黏胶纤维从天然木纤维素中提取，具有良好的防紫外线、抗静电、透气、凉爽光滑等特点，对皮肤具有较好的亲和性，被广泛应用在服装、家纺、工程材料中。黏胶纤维由于良好的性能、较低的生产成本与较短的生产周期，应用量日益剧增，但其废弃物的焚烧或掩埋给环境带来巨大的安全隐患。为此，不少研究者都在寻求快捷高效、绿色环保的黏胶纤维降解方法。林燕萍［1-2］分别研究了南北方土壤的自然降解方式与堆肥方式对黏胶纤维的高温、细菌降解效果，结果显示：南方土壤的降解性能优于北方与堆肥，可以高效降解黏胶纤维。曲腾云等［3］利用微生物对黏胶纤维进行降解；李宁［4］利用光和热氧对黏胶纤维进行降解，均得出设置的实验条件对黏胶纤维具有加速降解的功能。

利用紫外线辐照或模拟日光辐照研究光氧作用对黏胶纤维的降解案例也较多［5-6］，但分析真空环境下紫外线辐照对黏胶纤维降解作用的案例较少。从知网目前的检索来看，仅有杨旭分析了在真空环境下高温对阻燃黏胶纤维性能的影响［7］。

本实验研究在真空环境下紫外线辐照对黏胶纤维降解性能的影响。

1 实验

1.1 材料与仪器

材料：普通黏胶纤维（新乡白鹭化纤集团有限责任公司），溴化钾、丙酮（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）。

仪器：Y151 型纤维摩擦系数测定仪（上海标卓科学仪器有限公司），YG747 型通风式快速八篮烘箱（无锡亚博纺织设备公司），YSHS100 型恒温恒湿箱（上海览浩仪器设备有限公司），FA2004B 型电子天平（上海精密科学仪器有限公司），GD26-FTIR-650型傅里叶变换红外光谱仪（天津港东科技股份有限公司），Rigaku MiniFlex 600 型X 射线衍射仪（日本理学电机株式会社），Spectra Rad 型辐照度光谱仪［必达泰克光电科技（上海）有限公司］，INSTRON5590 万型能材料试验机（美国英斯特朗公司），紫外线真空光源箱（自制），ZNN-D6 型六速旋转黏度计（天津亚兴自动化实验仪器厂）。

1.2 黏胶纤维的真空环境辐照

黏胶纤维依次使用丙酮、去离子水清洗，以去除在制备过程中纤维表面残留的杂质与油脂；清洗后的黏胶纤维在105 ℃烘箱中烘干；取一定量黏胶纤维置于紫外线真空光源箱，在室温、辐照度180 W/m2条件下分别辐照一定时间；另取一定量黏胶纤维置于紫外线非真空光源箱，在室温、辐照度180 W/m2条件下分别辐照相同时间。

1.3 测试

吸湿回潮率：称取一定量紫外线辐照前后的黏胶纤维，其质量记作m；置于20 ℃、相对湿度65%的恒温恒湿箱中调湿24 h 后，称其质量记作m′。利用下式计算吸湿回潮率。实验重复10次，取平均值。

聚合度：参考GB/T 1632—1993《聚合物稀溶液黏数和特性黏数测定》与文献［5］测试。实验重复5次，取平均值。

摩擦系数：将试样置于20 ℃、相对湿度65%的恒温恒湿箱中调湿24 h。参照文献［6］制备黏胶纤维辊。在纤维两端各夹100 mg 张力夹，并将其骑跨在黏胶纤维辊上，在30、1 r/min 条件下测试动态与静态摩擦系数。实验重复30次，取平均值。

红外光谱：将烘干的黏胶纤维剪碎，与溴化钾研磨均匀后制成压片，利用红外光谱仪在4 000～400 cm-1测试。

结晶度：将黏胶纤维剪碎后制成纤维末压片，利用X 射线衍射仪进行X 射线衍射测试。测试参数为Cu 靶，电流20 mA，电压30 kV，入射波长0.154 nm，角度5°～45°。参考文献［2］，利用结晶区积分面积与非结晶区积分面积计算结晶度。

力学性能：将黏胶纤维置于20 ℃、相对湿度65%的恒温恒湿箱中调湿24 h；利用万能材料试验机进行断裂强力测试。CRE 拉伸方式，纤维夹持长度20 mm，拉伸速度20 mm/min。

2 结果与讨论

2.1 吸湿回潮率

紫外线辐照时间对黏胶纤维吸湿回潮率的影响见图1。

图1 紫外线辐照时间对黏胶纤维吸湿回潮率的影响

由图1可以看出，黏胶纤维的吸湿回潮率均随着紫外线辐照时间的延长而不断增大。黏胶纤维内部的分子结构由结晶区与非结晶区组成，紫外线的长时间辐照可积累能量，使电子能级跃迁，物质内部分子不同程度的碰撞与振动造成结晶区裂解，向非结晶区转变［8］，提高了纤维的吸湿回潮率。在相同紫外线辐照时间下，在非真空环境中经紫外线辐照的黏胶纤维吸湿回潮率高于在真空环境中处理的黏胶纤维，这是由于在非真空环境中，黏胶纤维在紫外线辐照下发生了光氧降解，氧气在降解过程中降低了黏胶纤维结晶区裂解所需的能量，加剧了结晶区向非结晶区转变，因此，在真空环境中经紫外线辐照的黏胶纤维结晶度高于在非真空环境中处理的黏胶纤维。另外，当紫外线辐照超过120 h 时，在真空环境中辐照的黏胶纤维吸湿回潮率趋于稳定；在非真空环境中辐照的黏胶纤维则持续增加。这也与黏胶纤维结晶度的变化有关，在真空环境中，当紫外线辐照产生的能量不足以裂解黏胶纤维的结晶区时，其结晶区与无定形区比例保持稳定，吸湿回潮率也趋于稳定；而在非真空环境中，由于氧气的作用，黏胶纤维的结晶区不断裂解，无定形区增加，因此吸湿回潮率也持续增加。

2.2 聚合度

由图2可知，黏胶纤维的聚合度均随着紫外线辐照时间的延长而不断降低，且在相同紫外线辐照时间下，在真空环境中辐照处理的黏胶纤维聚合度高于在非真空环境中处理的黏胶纤维；当紫外线辐照超过120 h 时，在真空环境中处理的黏胶纤维聚合度趋于稳定，在非真空环境中处理的黏胶纤维聚合度则持续下降。由文献［9］可知聚合物相对分子质量与聚合度的关系，当黏胶纤维经紫外线辐照后，结晶区裂解，结晶度下降致使相对分子质量下降，从而导致聚合度下降；黏胶纤维聚合度在真空环境与非真空环境中的变化趋势与结晶度变化趋势一致。

图2 紫外线辐照时间对黏胶纤维聚合度的影响

2.3 摩擦系数

由图3可知，黏胶纤维的静态与动态摩擦系数随着紫外线辐照时间的延长而不断增大，且在相同紫外线辐照时间下，在非真空环境中处理的黏胶纤维摩擦系数高于在真空环境中处理的黏胶纤维；当紫外线辐照超过120 h 时，在真空环境中处理的黏胶纤维摩擦系数趋于稳定，在非真空环境中处理的黏胶纤维摩擦系数则持续上升。这是由于紫外线辐照致使纤维结晶区裂解，导致纤维微纤化及纤维表面坑槽增多，引起纤维摩擦系数增加。当紫外线辐照超过120 h 时，在真空环境中处理的黏胶纤维微纤化趋于稳定，因此纤维摩擦系数也趋于稳定。

图3 紫外线辐照时间对黏胶纤维摩擦系数的影响

2.4 红外光谱

从图4中可以看出，黏胶纤维在真空环境与非真空环境中经紫外线辐照处理后，红外光谱与原样波峰走势大致相同。3 440、669 cm-1附近的吸收谱带证明—OH 的存在，3 000 cm-1附近的吸收峰证明—CH3的存在，1 420、1 380 cm-1附近的吸收谱带证明—CH2—与—CH—的存在。1 625、1 064 cm-1附近的吸收谱带证明 CO 与 C—O 的存在，1 736 cm-1附近的吸收谱带证明酮羰基的存在。综上所述，黏胶纤维在真空环境与非真空环境中辐照处理后，分子结构并未改变，仍保持纤维素Ⅱ晶型结构。

图4 紫外线辐照前后黏胶纤维的红外光谱

2.5 结晶度

由图5可知，黏胶纤维在真空环境与非真空环境中经紫外线辐照处理后，特征峰位置仍然在12.5°、20.5°左右，说明紫外线辐照并未改变纤维的分子结构，这与红外光谱分析一致。由图6可知，黏胶纤维的结晶度均随着紫外线辐照时间的延长而降低。当紫外线辐照超过120 h 时，在真空环境中处理的黏胶纤维结晶度趋于稳定，在非真空环境中处理的黏胶纤维结晶度则持续下降。黏胶纤维结晶度的变化趋势验证了吸湿回潮率、聚合度、摩擦系数的变化趋势。

图5 紫外线辐照150 h 时黏胶纤维的X 衍射曲线

图6 紫外线辐照时间对黏胶纤维结晶度的影响

2.6 力学性能

由图7可知，黏胶纤维的断裂强度均随着紫外线辐照时间的延长而降低，在相同的紫外线辐照时间下，在真空环境中辐照处理的黏胶纤维断裂强度高于在非真空环境中辐照处理的黏胶纤维。当紫外线辐照超过120 h 时，在真空环境中处理的黏胶纤维断裂强度趋于稳定，在非真空环境中处理的黏胶纤维断裂强度则持续下降，这与纤维结晶度变化成正相关，由于在结晶区向无定形区的裂解过程中，纤维内部与表面的坑槽均造成了强力弱环，致使纤维力学性能下降。

图7 紫外线辐照时间对黏胶纤维断裂强度的影响

3 结论

黏胶纤维在真空环境与非真空环境中经紫外线辐照后，聚合度、结晶度、力学性能均随辐照时间的延长而降低，吸湿回潮率与摩擦系数则随辐照时间的延长而增加，且在真空环境中处理的黏胶纤维指标的变化幅度小于在非真空环境中处理的黏胶纤维；紫外线辐照前后，黏胶纤维的分子晶型结构保持不变；在辐照度180 W/m2不变的条件下，当紫外线辐照超过120 h 时，在真空环境中处理的黏胶纤维指标趋于稳定，而在非真空环境中处理的黏胶纤维指标持续变化，验证了氧气在紫外线辐照中有助于降解黏胶纤维。