硅藻土改性粘膠纖維植物吸附層制備及性能

郭 君

（北京山水之光園林工程有限公司，北京100161）

隨著城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市園林綠化越來越被重視。但嚴(yán)重的環(huán)境污染，也使得城市園林綠化面臨著嚴(yán)峻的問題，一是城市土壤中包含大量的重金屬；二是在土壤中會產(chǎn)生部分有害氣體，如甲醛、氨氣等氣體，進(jìn)而給城市園林植物的生長帶來一定的影響。為解決以上問題，從學(xué)術(shù)研究方面，李文強[1]、王勛亮[2]等提出通過對硅藻土進(jìn)行改性，進(jìn)而驗證了硅藻土在重金屬吸附方面的性能；林海蛟[3]則提出通過硅藻土改性黏膠纖維，進(jìn)而得到可吸附甲醛等有害氣體的紡絲；錢建忠[4]等則提出用白色硅藻土改性粘膠纖維制備家紡面料，且制備的面料用符合兒童的使用標(biāo)準(zhǔn)。通過以上研究看出，硅藻土在重金屬和有害氣體吸附方面表現(xiàn)出良好的性能。因此，基于以上思路，本試驗結(jié)合園林植物種植的相關(guān)要求，提出用硅藻土改性粘膠纖維，然后用濕法紡織工藝得到可用于植物栽培的重金屬和有害氣體吸附層覆蓋在土壤表面，并通過試驗對硅藻土改性粘膠纖維吸附層的性能進(jìn)行驗證。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

本試驗所用材料和儀器見表1和表2。

表1 試驗主要材料Table 1 Main test materials

表2 試驗主要儀器Table 2 Main test instruments

1.2 試驗方案

1.2.1 試驗思路

硅藻土改性粘膠纖維的植物吸附層制備是以傳統(tǒng)纖維素粘膠生產(chǎn)工藝為基礎(chǔ)，將硅藻土和粘膠紡絲液在JB90-D型攪拌機的作用下充分混合。通過過濾、脫泡、熟成等工序,達(dá)到紡絲要求。將混合硅藻土粘膠紡絲液過濾后送至st0099智能紡絲機中紡制成絲。共混紡絲液通過凝固浴時，會發(fā)生固化反應(yīng)，且部分再生，得到再生纖維。經(jīng)過拉伸后，進(jìn)行二次凝固浴，再生纖維再次塑化拉伸。切斷后在經(jīng)過水洗、脫硫、上油和烘干處理，得到硅藻土改性粘膠纖維植物吸附層。

上述制備過程復(fù)雜且具有局域性，因此本研究直接使用較為穩(wěn)定的堿纖維素。直接將硅藻土顆?；烊爰徑z液中，用JB90-D攪拌器高速攪拌使之混合均勻。將混合均勻后的共混液在st0099型智能纖維紡絲機中過濾、脫泡、熟成、紡絲。

1.2.2 制備步驟

（1）粘膠原液的制備

粘膠原液的制備分為三步：①利用纖維素與堿的相互作用生成加成化合物；②將加成化合物進(jìn)一步醇化，得到堿纖維素；③堿纖維素與二硫化碳反應(yīng)，生成纖維素磺酸脂。以上步驟可用以下化學(xué)方程式表示[5-7]：

磺化反應(yīng)的順序為無定形區(qū)→結(jié)晶區(qū)表面→結(jié)晶區(qū)內(nèi)部。該反應(yīng)對堿纖維素的超分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響，可提高纖維素的溶解性。磺化反應(yīng)為可逆的放熱反應(yīng)，因此在低溫對磺化反應(yīng)更有利。纖維素主要成分為：纖維素磺酸酯、氫氧化鈉和水。纖維素磺酸酯可溶解于稀堿溶液 ，且在溶解過程中不斷發(fā)生膨化、分解和擴(kuò)散。該溶解過程的實質(zhì)為無限膨脹的過程。

（2） 共混紡絲液的制備

將1g硅藻土溶解于纖維素原液中，將混合溶液輸送至后溶解機中充分?jǐn)嚢?；混合均勻后靜置一段時間。為避免粘膠溶液較大顆粒在紡絲過程中堵塞噴絲孔，出現(xiàn)弱節(jié)使纖維強度下降，需要先對紡絲溶液進(jìn)行過濾。為避免氣泡對紡絲過程產(chǎn)生影響，出現(xiàn)紡絲斷頭，在后續(xù)工程中引起纏輥現(xiàn)象，需要對紡絲溶液進(jìn)行脫泡操作。為使粘膠質(zhì)量均勻，需要對紡絲溶液進(jìn)行熟成，增加粘膠溶液的穩(wěn)定程度。熟成度可直接對紡絲成型過程中，粘膠纖維成型的速度以及成品纖維的性能產(chǎn)生影響，是用于衡量粘膠品質(zhì)的重要指標(biāo)。

（3） 紡絲成形

紡絲成形采用凝固浴固化成形和拉伸工藝。粘膠纖維素進(jìn)入凝固浴后，纖維素磺酸酯在凝固浴的作用下同時發(fā)生凝固和分解。粘膠中的堿在硫酸和硫酸鹽共同作用下被中和，分解凝固被析出纖維素磺酸酯。凝固浴配比和具體工藝參數(shù)如表3。

表3 凝固浴配比與紡絲工藝主要參數(shù)Table 3 Ratio of coagulation bath and main parameters of spinning process

1.3 性能測試

1.3.1 纖維橫截面表面形態(tài)測試

纖維進(jìn)行切片后置于提前滴好甘油的載玻片上，將蓋玻片覆于其上并用鑷子輕壓蓋玻片，以除去蓋玻片下的氣泡。將處理好的試件置于顯微鏡下觀察、拍照。對纖維切面進(jìn)行離子噴金鍍膜，觀察表面形態(tài)。

1.3.2 纖維力學(xué)性能測試

用YG001B型電子單纖維強力儀對試樣進(jìn)行纖維力學(xué)性能測試，試樣長度為10.00mm,預(yù)加張力為200cN,測試次數(shù)為30次。

1.3.3 吸附有害氣體性能測試

自行設(shè)計1.5L上端裝有導(dǎo)氣管的保干器，用導(dǎo)氣管的上端通入一定量甲醛和氨。分別在保干器中裝入硅藻土粘膠纖維和純粘膠纖維，以此作為吸收劑。靜置一段時間后，對保干器內(nèi)甲醛和氨氣濃度變化進(jìn)行測定，計算出對應(yīng)的吸收量。具體步驟為：將5g硅藻土粘膠纖維和普通粘膠纖維分別置于保干器內(nèi)；通過導(dǎo)氣管通入超過國家標(biāo)準(zhǔn)限量數(shù)十倍的甲醛和氨，在室溫下靜置5h，測定干燥器內(nèi)甲醛和氨的濃度，計算吸附率[8-10]。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維橫截面表面形態(tài)

圖1 和圖2分別為普通粘膠纖維、硅藻土粘膠纖維的橫截面圖。從圖可知，普通粘膠纖維和硅藻土粘膠纖維截面的邊緣都表現(xiàn)出不規(guī)則的鋸齒狀。普通纖維掃描縱向圖表面比較光滑，硅藻土粘膠纖維面內(nèi)布滿了孔隙，縱向有溝槽，粘膠內(nèi)部和表面都分布著很多納米級的硅藻土微粒。根據(jù)截面圖說明，經(jīng)共混紡織制備出硅藻土粘膠纖維具備良好的吸附性和透氣性。

圖1 普通粘膠纖維橫截面圖Fig.1 Cross section of ordinary viscose fiber

圖2 硅藻土粘膠纖維橫截面圖Fig.2 Cross section of diatomite viscose fiber

2.2 纖維力學(xué)性能測試結(jié)果

表4 為普通粘膠纖維和硅藻土粘膠纖維的基本力學(xué)指標(biāo)。由表4可知，以普通纖維為對照，硅藻土粘膠纖維在常溫干態(tài)和濕態(tài)的情況下斷裂強度和斷裂伸長率較小。也就是經(jīng)過硅藻土改性后的纖維力學(xué)性能更加穩(wěn)定。硅藻土的加入導(dǎo)致纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定變化，使粘膠纖維斷裂強度和伸長率都有所降低。

表4 普通粘膠纖維和硅藻土粘膠纖維的基本力學(xué)指標(biāo)Table 4 Basic mechanical indexes of ordinary viscose fiber and diatomite viscose fiber

2.3 吸附層吸附有害氣體試驗

表5 為普通粘膠纖維和硅藻土粘膠纖維對甲醛、氨的吸收率。由表5可知，硅藻土粘膠纖維對有害氣體的吸收量明顯比普通粘膠纖維高，即硅藻土粘膠纖維能夠有效吸收有害氣體。經(jīng)過硅藻土粘膠纖維吸收后，甲醛和氨的濃度分別為0.22mg/m3和0.11mg/m3，接近國家規(guī)定的有害氣體限量標(biāo)準(zhǔn)。而普通粘膠纖維對有害氣體的吸收效果不明顯。證明硅藻土粘膠纖維對有害氣體的吸附性能良好。

表5 不同粘膠纖維對甲醛、氨的吸收率Table 5 Absorption rate of common viscose fiber to formaldehyde and ammonia

3 結(jié)論

（1）硅藻土粘膠纖維和普通粘膠纖維截面邊緣皆為不規(guī)則的鋸齒狀，但硅藻土粘膠纖維較普通纖維外緣輪廓更清晰，鋸齒狀明顯，溝壑較深。

（2）電鏡掃描結(jié)果表明，硅藻土粘膠纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，硅藻土與纖維并未有分離情況出現(xiàn)，說明經(jīng)共混后成功制備出硅藻土粘膠纖維。

（3）以普通纖維作為對照，硅藻土粘膠纖維在常溫干態(tài)和濕態(tài)情況下，斷裂強度和斷裂伸長率皆相對較小，證實經(jīng)硅藻土改性后，對粘膠力學(xué)性能有所影響。

（4）硅藻土改性粘膠纖維能有效吸附甲醛、氨等有害氣體。經(jīng)硅藻土改性粘膠纖維吸附后，甲醛和氨含量為0.22 mg/m3和0.11mg/m3，接近國家規(guī)定的有害氣體限量標(biāo)準(zhǔn)，證實硅藻土粘膠纖維具備良好的有害氣體吸附性能。