NMMO法竹纖維拉伸強度的影響因素探討

黃 錦 鋒

(1．福建宏遠集團有限公司，福建 泉州 362000；2.福建省再生纖維素纖維重點實驗室，福建 泉州 362000；3. 福建省纖維素纖維工程技術研究中心，福建 泉州 362000)

纖維素是最豐富的可再生有機材料，具有突出的性質和眾多有價值的應用，但由于其具有氫鍵結合的部分結晶結構而不能熔化或溶于常規(guī)溶劑。纖維素纖維的生產(chǎn)主要基于粘膠纖維生產(chǎn)技術，該技術通過亞穩(wěn)態(tài)可溶性纖維素衍生物(纖維素黃原酸酯)來生產(chǎn)，過程伴隨著環(huán)境有害副產(chǎn)物的產(chǎn)生[1]。銅銨工藝是一種生產(chǎn)再生纖維素產(chǎn)品的經(jīng)典途徑，但也面臨環(huán)境污染問題[2]。N-甲基嗎啉-N-氧化物(NMMO)技術[3-5]是一種相對簡單、節(jié)能和環(huán)保的生產(chǎn)再生纖維素纖維的方法，生產(chǎn)的再生纖維素纖維通用名稱為Lyocell 纖維。自20世紀70年代以來，研究人員對纖維素在NMMO中的溶脹、溶解、凝固和成形進行了一系列的基礎研究[6～10]。

Lyocell竹纖維是以天然竹纖維素為原料，在質量分數(shù)為87%的NMMO水溶液中溶解，再經(jīng)紡絲、拉伸、水洗、烘干而制得的一種再生纖維素纖維。Lyocell竹纖維不僅具有滌綸等合成纖維的高強度、挺度好等優(yōu)點，還具有天然纖維素纖維的吸濕、保濕等優(yōu)點[11-12]。由于Lyocell竹纖維包含了合成纖維及天然纖維素纖維的優(yōu)點，因而越來越受到人們的青睞。作者以竹漿粕為原料、NMMO水溶液為溶劑、沒食子酸正丙酯為抗氧劑，采用濕法紡絲工藝制備竹纖維，主要探討了竹纖維素含量、竹漿粕聚合度和抗氧劑添加量等因素對竹纖維素纖維拉伸強度的影響，并通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)對纖維表面形貌進行觀察分析。

1 實驗

1.1 原料及試劑

竹漿粕：甲種纖維素質量分數(shù)大于等于95%，四川天竹竹資源開發(fā)有限公司產(chǎn)；NMMO水溶液：質量分數(shù)為50%，工業(yè)級，江蘇聯(lián)潤化工有限公司產(chǎn)；沒食子酸正丙酯：抗氧劑，工業(yè)級，上海易蒙斯化工科技有限公司產(chǎn)。

1.2 NMMO法制備再生竹纖維素纖維

1.2.1 原液的制備

將竹漿粕(聚合度為450～950)與蒸發(fā)后的NMMO水溶液(質量分數(shù)為75%)混合，加入適量沒食子酸正丙酯(質量分數(shù)0～0.5%)，在水力碎漿機中充分混合均勻。竹漿粕在漿粥儲槽中充分溶脹后，在真空度為-0.09 MPa和溶解溫度為110 ℃的條件下溶解，制得竹纖維素質量分數(shù)為11%～15%的紡絲原液。

1.2.2 竹纖維素纖維的制備

竹纖維素/NMMO原液經(jīng)脫泡、過濾后，在原液溫度為95 ℃、凝固浴質量分數(shù)為25%和凝固浴溫度為40 ℃條件下紡絲，絲束經(jīng)拉伸、切斷、水洗、上油、烘干后，取樣備用。

1.3 分析與測試

拉伸強度：采用常州市第一紡織設備有限公司YG004型單纖強度儀測定單纖拉伸強度。纖維夾持長度10 mm，拉伸速率為50 mm/min，每個試樣測試30次，取平均值。

表面微觀形貌：將竹纖維置于液氮中淬冷1～3 min，取出試樣迅速脆斷，然后放入冷凍干燥機干燥；將干燥后的膜片置于高真空蒸發(fā)器中，在纖維表面噴金預處理，然后放入FE-SEM中進行表面微觀形貌觀測。

聚合度：根據(jù)紡織行業(yè)標準FZ/T 50010.3—2011測定竹漿粕及再生竹纖維素纖維的平均聚合度。

2 結果與討論

2.1 竹纖維素含量對纖維拉伸強度的影響

在竹漿粕聚合度為670及抗氧劑質量分數(shù)為0.3%不變的條件下，采用不同竹纖維素含量的紡絲原液制備竹纖維素纖維。從圖1可以看出，紡絲原液竹纖維素質量分數(shù)從11%增加至15%時，竹纖維的拉伸強度也隨之增加，從1.54 cN/dtex增大至2.46 cN/dtex，這是由于紡絲原液中竹纖維素含量增大時，纖維素分子鏈在單位空間內(nèi)的數(shù)目增多，單位空間內(nèi)纖維素高分子網(wǎng)絡密度增多，增加了相鄰微胞之間的纏繞[13]，有利于纖維素分子鏈間形成分子間的氫鍵。

圖1 紡絲原液竹纖維素含量對竹纖維拉伸強度的影響Fig.1 Effect of bamboo cellulose content of spinning dope on tensile strength of bamboo fiber

2.2 竹漿粕聚合度對纖維拉伸強度的影響

在紡絲原液竹纖維素質量分數(shù)為12%及抗氧劑質量分數(shù)為0.3%不變的條件下，采用不同聚合度的竹漿粕制備竹纖維素纖維。從圖2可以看出，纖維的拉伸強度隨著竹漿粕的聚合度的增大而增加，竹漿粕聚合度由450增大至940，竹纖維拉伸強度由1.26 cN/dtex增大至2.8 cN/dtex，這是由于竹漿粕聚合度越高，其分子鏈較長，纖維素分子鏈上羥基數(shù)量越多，分子間的相互作用點增多，形成的分子間氫鍵數(shù)量越多，而且纖維素分子鏈越長，相互間的纏結作用越強，纖維結構越牢固，因而纖維拉伸強度增大。

圖2 竹漿粕聚合度對竹纖維拉伸強度的影響Fig.2 Effect of polymerization degree of bamboo slurry on tensile strength of bamboo fiber

2.3 抗氧劑添加量對纖維拉伸強度的影響

在保持竹漿粕聚合度為670和紡絲原液竹纖維素質量分數(shù)為12%不變的條件下，探討了抗氧劑添加量對纖維拉伸強度的影響。由圖3可以看出，隨著抗氧劑添加量的增加，竹纖維的拉伸強度也隨之增大，抗氧劑質量分數(shù)從0增加至0.5%時，纖維的拉伸強度由1.54 cN/dtex增大至1.82 cN/dtex，這主要是因為抗氧劑用量增大可以更為有效地終止纖維素氧化性末端基的氧化反應，抑制纖維素的氧化降解，使纖維素大分子鏈增長[14]，同時抗氧劑還可以絡合漿粕中的高價金屬離子而降低纖維素的氧化降解。

圖3 抗氧劑含量對竹纖維拉伸強度的影響Fig.3 Effect of antioxidant content on tensile strength of bamboo fiber

2.4 纖維表觀形貌

選取在竹漿粕聚合度為670，竹纖維素質量分數(shù)為12%，抗氧劑質量分數(shù)為0.3%的條件下制備的竹纖維試樣，觀測其表面微觀形貌。從圖4可以看出：竹纖維表面出現(xiàn)溝槽和裂縫等缺陷，這主要是由于濕法紡絲容易出現(xiàn)皮芯結構，在皮芯交替處容易引起應力集中，拉伸過程中受力后形成溝槽和裂縫等缺陷[15]。同時，纖維表面分裂出細小的微纖維，這主要是因為采用NMMO制備的纖維具有較高的軸向取向度，微原纖間的橫向結合力較弱，在濕態(tài)下纖維的高度膨化更加減弱了這種結合力，而這種結合力的減弱使纖維皮層纖維脫落 ，殘留的皮層纖維縱向開裂 ，形成較長的不均勻的原纖茸毛。

圖1 竹纖維表面的FE-SEM照片F(xiàn)ig.1 FE-SEM images of bamboo fiber surface

3 結論

a. 采用NMMO水溶液為溶劑，竹漿粕為原料，沒食子酸正丙酯為抗氧劑，通過濕法紡絲制備了竹纖維素纖維。隨著竹纖維素含量的增加、竹漿粕聚合度的增大和抗氧化劑添加量的增加，竹纖維的拉伸強度呈上升趨勢。

b. 采用FE-SEM對竹纖維素纖維表面觀察分析，發(fā)現(xiàn)竹纖維原纖化明顯，表面出現(xiàn)明顯的溝槽和裂縫等缺陷。