硅藻土改性粘胶纤维植物吸附层制备及性能

郭 君

（北京山水之光园林工程有限公司，北京100161）

随着城市经济的发展，城市园林绿化越来越被重视。但严重的环境污染，也使得城市园林绿化面临着严峻的问题，一是城市土壤中包含大量的重金属；二是在土壤中会产生部分有害气体，如甲醛、氨气等气体，进而给城市园林植物的生长带来一定的影响。为解决以上问题，从学术研究方面，李文强[1]、王勋亮[2]等提出通过对硅藻土进行改性，进而验证了硅藻土在重金属吸附方面的性能；林海蛟[3]则提出通过硅藻土改性黏胶纤维，进而得到可吸附甲醛等有害气体的纺丝；钱建忠[4]等则提出用白色硅藻土改性粘胶纤维制备家纺面料，且制备的面料用符合儿童的使用标准。通过以上研究看出，硅藻土在重金属和有害气体吸附方面表现出良好的性能。因此，基于以上思路，本试验结合园林植物种植的相关要求，提出用硅藻土改性粘胶纤维，然后用湿法纺织工艺得到可用于植物栽培的重金属和有害气体吸附层覆盖在土壤表面，并通过试验对硅藻土改性粘胶纤维吸附层的性能进行验证。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

本试验所用材料和仪器见表1和表2。

表1 试验主要材料Table 1 Main test materials

表2 试验主要仪器Table 2 Main test instruments

1.2 试验方案

1.2.1 试验思路

硅藻土改性粘胶纤维的植物吸附层制备是以传统纤维素粘胶生产工艺为基础，将硅藻土和粘胶纺丝液在JB90-D型搅拌机的作用下充分混合。通过过滤、脱泡、熟成等工序,达到纺丝要求。将混合硅藻土粘胶纺丝液过滤后送至st0099智能纺丝机中纺制成丝。共混纺丝液通过凝固浴时，会发生固化反应，且部分再生，得到再生纤维。经过拉伸后，进行二次凝固浴，再生纤维再次塑化拉伸。切断后在经过水洗、脱硫、上油和烘干处理，得到硅藻土改性粘胶纤维植物吸附层。

上述制备过程复杂且具有局域性，因此本研究直接使用较为稳定的碱纤维素。直接将硅藻土颗粒混入纺丝液中，用JB90-D搅拌器高速搅拌使之混合均匀。将混合均匀后的共混液在st0099型智能纤维纺丝机中过滤、脱泡、熟成、纺丝。

1.2.2 制备步骤

（1）粘胶原液的制备

粘胶原液的制备分为三步：①利用纤维素与碱的相互作用生成加成化合物；②将加成化合物进一步醇化，得到碱纤维素；③碱纤维素与二硫化碳反应，生成纤维素磺酸脂。以上步骤可用以下化学方程式表示[5-7]：

磺化反应的顺序为无定形区→结晶区表面→结晶区内部。该反应对碱纤维素的超分子结构产生一定影响，可提高纤维素的溶解性。磺化反应为可逆的放热反应，因此在低温对磺化反应更有利。纤维素主要成分为：纤维素磺酸酯、氢氧化钠和水。纤维素磺酸酯可溶解于稀碱溶液 ，且在溶解过程中不断发生膨化、分解和扩散。该溶解过程的实质为无限膨胀的过程。

（2） 共混纺丝液的制备

将1g硅藻土溶解于纤维素原液中，将混合溶液输送至后溶解机中充分搅拌；混合均匀后静置一段时间。为避免粘胶溶液较大颗粒在纺丝过程中堵塞喷丝孔，出现弱节使纤维强度下降，需要先对纺丝溶液进行过滤。为避免气泡对纺丝过程产生影响，出现纺丝断头，在后续工程中引起缠辊现象，需要对纺丝溶液进行脱泡操作。为使粘胶质量均匀，需要对纺丝溶液进行熟成，增加粘胶溶液的稳定程度。熟成度可直接对纺丝成型过程中，粘胶纤维成型的速度以及成品纤维的性能产生影响，是用于衡量粘胶品质的重要指标。

（3） 纺丝成形

纺丝成形采用凝固浴固化成形和拉伸工艺。粘胶纤维素进入凝固浴后，纤维素磺酸酯在凝固浴的作用下同时发生凝固和分解。粘胶中的碱在硫酸和硫酸盐共同作用下被中和，分解凝固被析出纤维素磺酸酯。凝固浴配比和具体工艺参数如表3。

表3 凝固浴配比与纺丝工艺主要参数Table 3 Ratio of coagulation bath and main parameters of spinning process

1.3 性能测试

1.3.1 纤维横截面表面形态测试

纤维进行切片后置于提前滴好甘油的载玻片上，将盖玻片覆于其上并用镊子轻压盖玻片，以除去盖玻片下的气泡。将处理好的试件置于显微镜下观察、拍照。对纤维切面进行离子喷金镀膜，观察表面形态。

1.3.2 纤维力学性能测试

用YG001B型电子单纤维强力仪对试样进行纤维力学性能测试，试样长度为10.00mm,预加张力为200cN,测试次数为30次。

1.3.3 吸附有害气体性能测试

自行设计1.5L上端装有导气管的保干器，用导气管的上端通入一定量甲醛和氨。分别在保干器中装入硅藻土粘胶纤维和纯粘胶纤维，以此作为吸收剂。静置一段时间后，对保干器内甲醛和氨气浓度变化进行测定，计算出对应的吸收量。具体步骤为：将5g硅藻土粘胶纤维和普通粘胶纤维分别置于保干器内；通过导气管通入超过国家标准限量数十倍的甲醛和氨，在室温下静置5h，测定干燥器内甲醛和氨的浓度，计算吸附率[8-10]。

2 结果与讨论

2.1 纤维横截面表面形态

图1 和图2分别为普通粘胶纤维、硅藻土粘胶纤维的横截面图。从图可知，普通粘胶纤维和硅藻土粘胶纤维截面的边缘都表现出不规则的锯齿状。普通纤维扫描纵向图表面比较光滑，硅藻土粘胶纤维面内布满了孔隙，纵向有沟槽，粘胶内部和表面都分布着很多纳米级的硅藻土微粒。根据截面图说明，经共混纺织制备出硅藻土粘胶纤维具备良好的吸附性和透气性。

图1 普通粘胶纤维横截面图Fig.1 Cross section of ordinary viscose fiber

图2 硅藻土粘胶纤维横截面图Fig.2 Cross section of diatomite viscose fiber

2.2 纤维力学性能测试结果

表4 为普通粘胶纤维和硅藻土粘胶纤维的基本力学指标。由表4可知，以普通纤维为对照，硅藻土粘胶纤维在常温干态和湿态的情况下断裂强度和断裂伸长率较小。也就是经过硅藻土改性后的纤维力学性能更加稳定。硅藻土的加入导致纤维内部结构产生了一定变化，使粘胶纤维断裂强度和伸长率都有所降低。

表4 普通粘胶纤维和硅藻土粘胶纤维的基本力学指标Table 4 Basic mechanical indexes of ordinary viscose fiber and diatomite viscose fiber

2.3 吸附层吸附有害气体试验

表5 为普通粘胶纤维和硅藻土粘胶纤维对甲醛、氨的吸收率。由表5可知，硅藻土粘胶纤维对有害气体的吸收量明显比普通粘胶纤维高，即硅藻土粘胶纤维能够有效吸收有害气体。经过硅藻土粘胶纤维吸收后，甲醛和氨的浓度分别为0.22mg/m3和0.11mg/m3，接近国家规定的有害气体限量标准。而普通粘胶纤维对有害气体的吸收效果不明显。证明硅藻土粘胶纤维对有害气体的吸附性能良好。

表5 不同粘胶纤维对甲醛、氨的吸收率Table 5 Absorption rate of common viscose fiber to formaldehyde and ammonia

3 结论

（1）硅藻土粘胶纤维和普通粘胶纤维截面边缘皆为不规则的锯齿状，但硅藻土粘胶纤维较普通纤维外缘轮廓更清晰，锯齿状明显，沟壑较深。

（2）电镜扫描结果表明，硅藻土粘胶纤维内部结构中，硅藻土与纤维并未有分离情况出现，说明经共混后成功制备出硅藻土粘胶纤维。

（3）以普通纤维作为对照，硅藻土粘胶纤维在常温干态和湿态情况下，断裂强度和断裂伸长率皆相对较小，证实经硅藻土改性后，对粘胶力学性能有所影响。

（4）硅藻土改性粘胶纤维能有效吸附甲醛、氨等有害气体。经硅藻土改性粘胶纤维吸附后，甲醛和氨含量为0.22 mg/m3和0.11mg/m3，接近国家规定的有害气体限量标准，证实硅藻土粘胶纤维具备良好的有害气体吸附性能。