棉漿粕/NMMO·H2O溶液的流變性能研究

楊秀琴，鄭玉成，劉運(yùn)青

(1.河南工程學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院，河南 鄭州 450007; 2.中紡院綠色纖維股份公司,河南 新鄉(xiāng) 453011)

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棉漿粕/NMMO·H2O溶液的流變性能研究

楊秀琴1，鄭玉成2，劉運(yùn)青1

(1.河南工程學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院，河南 鄭州 450007; 2.中紡院綠色纖維股份公司,河南 新鄉(xiāng) 453011)

棉漿粕 N-甲基嗎啉-N-氧化物 流變性能 剪切黏度 剪切速率 非牛頓指數(shù) 黏流活化能

棉花屬一年生喬本植物，具有生長周期短，產(chǎn)量高等優(yōu)勢(shì)，是可再生性綠色環(huán)保紡織品原材料，棉漿粕主要由棉纖維中不能直接用于織造的棉短絨制備而成，其主要成分是棉纖維素，是再生纖維素纖維的主要原料，而棉短絨中纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)90%以上，是粘膠纖維生產(chǎn)的主要原料，但因粘膠生產(chǎn)易造成水、大氣等環(huán)境污染，故尋找纖維素良溶劑，以及綠色環(huán)保的生產(chǎn)方法越來越受到人們的重視[1]。孫玉山等[2-3]認(rèn)為N -甲基嗎啉-N-氧化物(NMMO)試劑因其低毒和高回收性，能很好地溶解纖維素，可得到成纖性能良好的纖維素溶液。吳翠玲等[4]對(duì)纖維素/NMMO·H2O 溶液體系的流變性能進(jìn)行了研究，纖維素/NMMO·H2O溶液表觀活化能(?Eη)較低，適宜的加工溫度為90～120 ℃。國外J.F. Blachot[5]研究了纖維素/NMMO·H2O 溶液體系的結(jié)晶性能和流變性能，研究結(jié)果表明纖維素溶液在明顯的牛頓區(qū)之后是典型的假塑區(qū)，在熔點(diǎn)以下結(jié)晶速率緩慢。作者以NMMO·H2O為溶劑，制備棉漿粕/NMMO·H2O溶液，研究了在85～100 ℃溫度下棉漿粕/NMMO·H2O溶液的流變性能，以期為棉纖維素的溶液紡絲提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料及試劑

棉漿粕：聚合度602.3，甲種纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為96.1%，河北唐山三友集團(tuán)東光漿粕有限責(zé)任公司生產(chǎn)；NMMO：純度大于等于97%，上海廣拓化學(xué)有限公司產(chǎn)。

1.2 儀器

Brookfield DV-Ⅱ型黏度計(jì):美國Brookfield公司制造；FA2204B電子天平:上海精密科學(xué)儀器有限公司制造；XPF-550C顯微鏡:上海蔡康光學(xué)儀器有限公司制；HH-S水浴鍋:鞏義市英峪儀器廠制；SYC-15B恒溫水浴:南京桑力電子設(shè)備廠制。

1.3 試劑制備

1.3.1 NMMO·H2O試劑的制備

將一定質(zhì)量的NMMO試劑用蒸餾水溶解制成含水率13.3%的NMMO·H2O試劑，溶解溫度控制在80 ℃。

1.3.2 棉漿粕/NMMO·H2O溶液的制備

將一定質(zhì)量的粉碎后的棉漿粕溶解于含水率13.3%的NMMO·H2O試劑中，分別配成棉漿粕質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%，5%，6%，7%，8%的棉漿粕/NMMO·H2O溶液，在85 ℃的水浴鍋中使棉漿纖維素完全溶解。

1.4 棉漿粕/NMMO·H2O溶液的流變性能

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對(duì)溶液體系黏度的影響

圖1 不同溫度下棉漿粕/NMMO·H2O溶液的關(guān)系曲線Fig.solution at different temperature

2.2 棉漿粕濃度對(duì)溶液體系黏度的影響

圖2 不同濃度的棉漿粕/NMMO·H2O溶液的關(guān)系曲線Fig. solution with different concentration

2.3 非牛頓指數(shù)(n)

圖3 不同溫度下棉漿粕/NMMO·H2O溶液的關(guān)系曲線Fig.solution at different temperature

表1 不同溫度下棉漿粕/NMMO·H2O溶液的nTab.1 n of cotton pulp/NMMO·H2O solution at different temperature

由表1可知，棉漿粕/NMMO·H2O 溶液體系n小于1，說明該溶液體系為假塑性流體。同時(shí)隨棉漿粕濃度的增加溶液體系的n減小，表明棉漿粕濃度越高體系的非牛頓性越顯著，同時(shí)在棉漿粕濃度一定時(shí)，隨溶液體系溫度的升高n減小，說明體系在測(cè)試溫度范圍內(nèi)溫度升高非牛頓性增強(qiáng)，溫度越高假塑性流體特征越明顯，越偏離牛頓流體特征。這是因?yàn)槿芤后w系隨棉漿粕濃度的增加體系中大分子個(gè)數(shù)增加，大分子鏈間的纏結(jié)點(diǎn)數(shù)增多，分子間作用力較強(qiáng)，纏結(jié)點(diǎn)解開速率大于重建速率，非牛頓性隨棉漿粕濃度增加而增大；而當(dāng)體系濃度一定時(shí)溫度升高，纖維素大分子各運(yùn)動(dòng)單元的運(yùn)動(dòng)能力增強(qiáng)，大分子鏈段及分子間碰撞幾率增大，分子間相互作用力增加，體系的非牛頓性增強(qiáng)，n減小。

2.4 棉漿粕/NMMO·H2O溶液的?Eη

?Eη是描述材料黏度-溫度依賴性的量度，?Eη越大則溫度對(duì)黏度的影響越大。棉漿粕/NMMO·H2O溶液在不同溫度下，表現(xiàn)出不同的黏流特征。

根據(jù)Andrade方程[9]：

η=Aexp?Eη/RT

(1)

式中：A為常數(shù)；T為絕對(duì)溫度；R為氣體常數(shù)。

對(duì)式(1)兩邊取自然對(duì)數(shù)有式(2)

lnη=lnA+?Eη/RT

(2)

以lnη對(duì)1/T作圖，直線的斜率即為?Eη。

由圖4的lgη-1/T關(guān)系曲線，直線擬合求斜率可得棉漿粕質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%， 6%，7%，8%溶液體系?Eη分別為64.49，64.49，57.93，41.94 kJ/mol，即隨溶液體系中棉漿粕濃度的增加體系?Eη有下降趨勢(shì)，即隨棉漿粕濃度的增大棉漿粕/NMMO·H2O溶液的黏-溫敏感性減小。在棉漿粕/NMMO·H2O溶液作紡絲液時(shí)，隨棉漿粕濃度增大，溶液體系黏度受溫度影響變小，溶液用于紡絲受限條件減小。

圖4 不同濃度的棉漿粕/NMMO·H2O溶液的lgη-1/T關(guān)系曲線Fig.4 Plots of lgη-1/T for cotton pulp/NMMO·H2O solution with different concentration

3 結(jié)論

c. 對(duì)于棉漿粕/NMMO·H2O溶液體系，在85～100 ℃時(shí)，n均小于1,且n隨棉漿粕濃度增加、體系溫度升高而減小，非牛頓特征更加明顯。

d. 隨棉漿粕濃度的增加，棉漿粕/NMMO·H2O溶液?Eη減小，溶液體系黏-溫敏感性減小。

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?國內(nèi)外動(dòng)態(tài)?

儀征化纖超仿棉纖維成套技術(shù)達(dá)國際先進(jìn)水平

2015年12月3日，從儀征化纖有限公司傳出消息，由該公司組織實(shí)施的“超仿棉(聚酰胺酯)纖維成套技術(shù)”項(xiàng)目，日前通過了中石化科技部組織的專家組鑒定。專家組認(rèn)為，該項(xiàng)目有原始創(chuàng)新性，整體技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平。

滌綸面料易起球，純棉衣服易變形，儀征化纖在全球首創(chuàng)的聚酰胺酯纖維兼具了棉與滌綸的優(yōu)良特性，又彌補(bǔ)了缺點(diǎn)。2013年，該項(xiàng)目被列為中石化“十條龍”科技攻關(guān)項(xiàng)目，深度開展了超仿棉(聚酰胺酯)纖維技術(shù)開發(fā)及市場推廣活動(dòng)。

該項(xiàng)目深入研究了聚酰胺酯聚合反應(yīng)機(jī)理，開發(fā)了聚酰胺酯聚合、紡絲及后加工技術(shù)，首創(chuàng)了新型合成配方，研制了關(guān)鍵專用設(shè)備，形成了超仿棉(聚酰胺酯)聚合和短纖維生產(chǎn)成套技術(shù)，建成了200 t/d聚酰胺酯工業(yè)示范裝置，成功實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化穩(wěn)定生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，滿足后加工要求。聚酰胺酯申請(qǐng)了CAS號(hào)。項(xiàng)目實(shí)施過程中，申請(qǐng)發(fā)明專利9項(xiàng)，實(shí)用新型專利1項(xiàng)。

另外，該項(xiàng)目注冊(cè)了聚酰胺酯纖維“儀綸”商標(biāo)，形成了聚酰胺酯短纖維中國化學(xué)纖維工業(yè)協(xié)會(huì)和紡織行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

(通訊員 鄭寧來)

Rheological behavior of cotton pulp/NMMO·H2O solution

Yang Xiuqin1, Zheng Yucheng2, Liu Yunqing1

(1.SchoolofMaterialsandChemicalEngineering,HenanInstituteofEngineering,Zhengzhou450007; 2.GreenFiberCorporationofChinaTextileAcademy,Xinxiang453011)

cotton pulp; N-methylmorpholine-N-oxide; rheological behavior; shear viscosity; shear rate; non-Newtonian index; viscous flow activation energy

2015- 07-27； 修改稿收到日期：2015-11-25。

楊秀琴(1967—)，女，碩士，副教授，研究方向?yàn)楦叻肿硬牧虾铣膳c改性。E-mail：yangxiuqin-1297@163.com。

河南工程學(xué)院輕化工程技術(shù)研究中心計(jì)劃項(xiàng)目(GCZX2013003)。

TQ352.4

A

1001- 0041(2016)01- 0035- 04