NMMO法竹纤维拉伸强度的影响因素探讨

2020-05-20黄锦锋

合成纤维工业 2020年2期

黄锦锋

(1．福建宏远集团有限公司，福建泉州 362000；2.福建省再生纤维素纤维重点实验室，福建泉州 362000；3. 福建省纤维素纤维工程技术研究中心，福建泉州 362000)

纤维素是最丰富的可再生有机材料，具有突出的性质和众多有价值的应用，但由于其具有氢键结合的部分结晶结构而不能熔化或溶于常规溶剂。纤维素纤维的生产主要基于粘胶纤维生产技术，该技术通过亚稳态可溶性纤维素衍生物(纤维素黄原酸酯)来生产，过程伴随着环境有害副产物的产生[1]。铜铵工艺是一种生产再生纤维素产品的经典途径，但也面临环境污染问题[2]。N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)技术[3-5]是一种相对简单、节能和环保的生产再生纤维素纤维的方法，生产的再生纤维素纤维通用名称为Lyocell 纤维。自20世纪70年代以来，研究人员对纤维素在NMMO中的溶胀、溶解、凝固和成形进行了一系列的基础研究[6～10]。

Lyocell竹纤维是以天然竹纤维素为原料，在质量分数为87%的NMMO水溶液中溶解，再经纺丝、拉伸、水洗、烘干而制得的一种再生纤维素纤维。Lyocell竹纤维不仅具有涤纶等合成纤维的高强度、挺度好等优点，还具有天然纤维素纤维的吸湿、保湿等优点[11-12]。由于Lyocell竹纤维包含了合成纤维及天然纤维素纤维的优点，因而越来越受到人们的青睐。作者以竹浆粕为原料、NMMO水溶液为溶剂、没食子酸正丙酯为抗氧剂，采用湿法纺丝工艺制备竹纤维，主要探讨了竹纤维素含量、竹浆粕聚合度和抗氧剂添加量等因素对竹纤维素纤维拉伸强度的影响，并通过场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)对纤维表面形貌进行观察分析。

1 实验

1.1 原料及试剂

竹浆粕：甲种纤维素质量分数大于等于95%，四川天竹竹资源开发有限公司产；NMMO水溶液：质量分数为50%，工业级，江苏联润化工有限公司产；没食子酸正丙酯：抗氧剂，工业级，上海易蒙斯化工科技有限公司产。

1.2 NMMO法制备再生竹纤维素纤维

1.2.1 原液的制备

将竹浆粕(聚合度为450～950)与蒸发后的NMMO水溶液(质量分数为75%)混合，加入适量没食子酸正丙酯(质量分数0～0.5%)，在水力碎浆机中充分混合均匀。竹浆粕在浆粥储槽中充分溶胀后，在真空度为-0.09 MPa和溶解温度为110 ℃的条件下溶解，制得竹纤维素质量分数为11%～15%的纺丝原液。

1.2.2 竹纤维素纤维的制备

竹纤维素/NMMO原液经脱泡、过滤后，在原液温度为95 ℃、凝固浴质量分数为25%和凝固浴温度为40 ℃条件下纺丝，丝束经拉伸、切断、水洗、上油、烘干后，取样备用。

1.3 分析与测试

拉伸强度：采用常州市第一纺织设备有限公司YG004型单纤强度仪测定单纤拉伸强度。纤维夹持长度10 mm，拉伸速率为50 mm/min，每个试样测试30次，取平均值。

表面微观形貌：将竹纤维置于液氮中淬冷1～3 min，取出试样迅速脆断，然后放入冷冻干燥机干燥；将干燥后的膜片置于高真空蒸发器中，在纤维表面喷金预处理，然后放入FE-SEM中进行表面微观形貌观测。

聚合度：根据纺织行业标准FZ/T 50010.3—2011测定竹浆粕及再生竹纤维素纤维的平均聚合度。

2 结果与讨论

2.1 竹纤维素含量对纤维拉伸强度的影响

在竹浆粕聚合度为670及抗氧剂质量分数为0.3%不变的条件下，采用不同竹纤维素含量的纺丝原液制备竹纤维素纤维。从图1可以看出，纺丝原液竹纤维素质量分数从11%增加至15%时，竹纤维的拉伸强度也随之增加，从1.54 cN/dtex增大至2.46 cN/dtex，这是由于纺丝原液中竹纤维素含量增大时，纤维素分子链在单位空间内的数目增多，单位空间内纤维素高分子网络密度增多，增加了相邻微胞之间的缠绕[13]，有利于纤维素分子链间形成分子间的氢键。

图1 纺丝原液竹纤维素含量对竹纤维拉伸强度的影响Fig.1 Effect of bamboo cellulose content of spinning dope on tensile strength of bamboo fiber

2.2 竹浆粕聚合度对纤维拉伸强度的影响

在纺丝原液竹纤维素质量分数为12%及抗氧剂质量分数为0.3%不变的条件下，采用不同聚合度的竹浆粕制备竹纤维素纤维。从图2可以看出，纤维的拉伸强度随着竹浆粕的聚合度的增大而增加，竹浆粕聚合度由450增大至940，竹纤维拉伸强度由1.26 cN/dtex增大至2.8 cN/dtex，这是由于竹浆粕聚合度越高，其分子链较长，纤维素分子链上羟基数量越多，分子间的相互作用点增多，形成的分子间氢键数量越多，而且纤维素分子链越长，相互间的缠结作用越强，纤维结构越牢固，因而纤维拉伸强度增大。

图2 竹浆粕聚合度对竹纤维拉伸强度的影响Fig.2 Effect of polymerization degree of bamboo slurry on tensile strength of bamboo fiber

2.3 抗氧剂添加量对纤维拉伸强度的影响

在保持竹浆粕聚合度为670和纺丝原液竹纤维素质量分数为12%不变的条件下，探讨了抗氧剂添加量对纤维拉伸强度的影响。由图3可以看出，随着抗氧剂添加量的增加，竹纤维的拉伸强度也随之增大，抗氧剂质量分数从0增加至0.5%时，纤维的拉伸强度由1.54 cN/dtex增大至1.82 cN/dtex，这主要是因为抗氧剂用量增大可以更为有效地终止纤维素氧化性末端基的氧化反应，抑制纤维素的氧化降解，使纤维素大分子链增长[14]，同时抗氧剂还可以络合浆粕中的高价金属离子而降低纤维素的氧化降解。

图3 抗氧剂含量对竹纤维拉伸强度的影响Fig.3 Effect of antioxidant content on tensile strength of bamboo fiber

2.4 纤维表观形貌

选取在竹浆粕聚合度为670，竹纤维素质量分数为12%，抗氧剂质量分数为0.3%的条件下制备的竹纤维试样，观测其表面微观形貌。从图4可以看出：竹纤维表面出现沟槽和裂缝等缺陷，这主要是由于湿法纺丝容易出现皮芯结构，在皮芯交替处容易引起应力集中，拉伸过程中受力后形成沟槽和裂缝等缺陷[15]。同时，纤维表面分裂出细小的微纤维，这主要是因为采用NMMO制备的纤维具有较高的轴向取向度，微原纤间的横向结合力较弱，在湿态下纤维的高度膨化更加减弱了这种结合力，而这种结合力的减弱使纤维皮层纤维脱落，残留的皮层纤维纵向开裂，形成较长的不均匀的原纤茸毛。