李曉俊,朱慶松,孫玉山
(中國紡織科學(xué)研究院生物源纖維制造技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100025)
離子液體是指由陰陽離子組成的、在室溫或低溫呈液態(tài)的有機(jī)鹽,在為數(shù)眾多的不同結(jié)構(gòu)性能的離子液體中[1],適于纖維素纖維制備的幾種咪唑型離子液體先后被提出,如:氯化1-丁基-3-甲基咪唑([BMIM]Cl)[2-3],氯 化 1-烯 丙 基-3-甲 基 咪唑([AMIM]Cl)[4],氯化 1-乙基-3-甲基咪唑[5],1-乙基-3-甲基咪唑醋酸鹽([EMIM]Ac)[6],1-乙基-3-甲基咪唑二烷基磷酸鹽[7]等。相對于N-甲基嗎啉-N-氧化物(NMMO),離子液體在結(jié)構(gòu)與性能上具有可調(diào)控性,更好的熱性能和化學(xué)穩(wěn)定性,因此其作為纖維素的溶劑具有很多優(yōu)勢,可隨離子液體的調(diào)控和選擇,實(shí)施不同的纖維素溶解和紡絲工藝,得到不同凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)的纖維素纖維。
已有一些關(guān)于其對纖維素溶解性、流變性的研究和少量關(guān)于紡絲和纖維結(jié)構(gòu)性能的研究[8]。通過[BMIM]Cl溶劑體系干濕法[9]紡絲以及[EMIM]Ac溶劑體系濕法[10]和干濕法[11]紡絲再生的纖維素纖維,其強(qiáng)度基本隨著結(jié)晶度和取向度的增加而得到改善,由于這兩種離子液體結(jié)構(gòu)性能上的差異,其紡絲工藝過程及其再生纖維的結(jié)構(gòu)與性能有明顯區(qū)別[5],但是相關(guān)機(jī)制研究尚很欠缺。
本文通過纖維素在[BMIM]Cl和[EMIM]Ac 2種溶劑體系的干濕法紡絲,制備得到不同氣隙、紡絲速度、牽伸比條件下的再生纖維素纖維,由于纖維素的強(qiáng)氫鍵結(jié)構(gòu)特征,在再生纖維的過程中,纖維的力學(xué)性能和孔隙同時(shí)形成并保持。通過對再生纖維強(qiáng)度、纖度、伸長、濕摩擦?xí)r間、孔尺寸及其取向分布等的表征,探討工藝變化和溶劑差異對其擠出、拉伸、凝固成型過程的影響機(jī)制,以期闡明離子液體溶劑和工藝的調(diào)控對于制備不同結(jié)構(gòu)與性能纖維素纖維的影響,為后續(xù)應(yīng)用開發(fā)奠定基礎(chǔ)。
不銹鋼溶解紡絲機(jī)(容積3 L),中國紡織科學(xué)研究院;Laborlux 12 POL型偏光顯微鏡,德國Leitz公司;XD-1型纖維細(xì)度儀、纖維強(qiáng)伸儀,上海新纖儀器有限公司;濕摩擦卷繞機(jī),中國紡織科學(xué)研究院;同步X射線散射儀,北京同步輻射裝置(BSRF)1W2A小角散射站。
離子液體[BMIM]Cl、[EMIM]Ac,由中國紡織科學(xué)研究院提供;纖維素漿粕,平均聚合度(DP)分別為520、400,由新鄉(xiāng)化纖股份有限公司提供。
稱取360.0 g[BMIM]Cl放置于不銹鋼溶解釜中,加熱到72℃,成為淡黃色透明液體;稱取40 g干燥過的纖維素,混入液化的[BMIM]Cl中,通過攪拌使其成為均勻的漿粥狀,然后在真空條件下,逐漸升高溫度,期間每小時(shí)取樣1次,通過偏光顯微鏡觀察纖維素的溶解進(jìn)程,直至纖維素溶解完全,最終溫度達(dá)到128℃。
溶解后,將溶液在一定壓力下通過計(jì)量泵輸送,經(jīng)過37孔×0.15 mm的噴絲板擠出,經(jīng)過氣隙中的拉伸,然后進(jìn)入到凝固浴中,并進(jìn)一步通過洗浴后卷繞收集。為充分除去殘余溶劑,將纖維在純凈水中浸泡5次,每次2 h。凝固浴為[BMIM]Cl的水溶液濃度為10%。凝固浴溫度為(28±1)℃。卷繞速度隨擠出速度變化,并在不同速度下取樣。
將試樣放入3 L不銹鋼溶解釜中,以離子液體[EMIM]Ac為溶劑,分別采用平均聚合度為520、400的纖維素漿粕,按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%混合制漿,在攪拌和真空的作用下,逐漸升高溫度至85℃,保持溫度繼續(xù)溶解約2 h,通過偏光顯微鏡觀察直至纖維素溶解完全。然后按照1.2所述過程進(jìn)行干濕法紡絲實(shí)驗(yàn)。以純凈水為凝固浴,出絲經(jīng)過牽伸、凝固成型、洗滌、干燥后,收集備用。同時(shí)記錄相應(yīng)氣隙下絲條的出絲速率和牽伸速率。
采用XD-1型纖維細(xì)度儀和XQ-1型纖維強(qiáng)伸儀測定纖維的線密度、斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率,夾持距離為2 cm。對于每一樣品,重復(fù)測定20次,取平均值。
根據(jù)參考文獻(xiàn)[11]所述方法,采用濕摩擦值來評價(jià)纖維的抗原纖化性能。濕摩擦值是指在濕態(tài)條件下對纖維進(jìn)行一定張力下的摩擦,直至斷裂所用的時(shí)間。濕摩擦值越大,表明纖維的抗原纖化能力越好。測試中采用轉(zhuǎn)輥的直徑為12 cm,轉(zhuǎn)動線速度為4 m/min,砝碼質(zhì)量為27 g,測試樣品的長度保持30 cm,質(zhì)量保持(0.0200±0.0005)g,纖維預(yù)加應(yīng)力為40.5×10-3cN/dtex,轉(zhuǎn)輥上用全棉府綢包繞,并不斷加濕。
在北京同步輻射裝置(BSRF)1W2A小角散射站進(jìn)行不同纖維樣品的小角X射線散射(SAXS)測試,儲存環(huán)能量為2.5 GeV,入射X射線的波長為0.154 nm,束流約為180 mA。采用Mar165型二維電荷耦合面探測器接收散射光,其探測圓面的直徑為165 mm,分辨率為2048像素×2048像素,像素尺寸為79 μm,樣品與檢測器間距離為2.74 m。纖維樣品統(tǒng)一截取為長約5 cm,寬約6 mm,厚約0.5 mm的梳理整齊的束狀,豎直固定在樣品架的中心位置。測試得到的二維SAXS數(shù)據(jù)首先采用軟件Fit2D轉(zhuǎn)化為一維數(shù)據(jù)曲線,然后扣除儀器背景并進(jìn)行歸一處理,得到散射強(qiáng)度J(q)和散射矢量q關(guān)系式,即:J(q)~q關(guān)系,其中q=4πsinθ/λ,2θ為散射角,λ波長為0.154 nm。
再生纖維素纖維中的孔隙通常為狹長的針形,并近似沿著纖維軸向排列,隨著孔隙沿纖維軸向取向程度的不同,其散射光在SAXS赤道方向上產(chǎn)生一定角度的分布。
散射光散射強(qiáng)度與散射矢量之間的關(guān)系可由Guinier關(guān)系式[12](式1)表示,并可用來描述纖維中孔隙在纖維截面上的均方旋轉(zhuǎn)半徑Rg。
采用Guinier作圖進(jìn)行逐次切線法[12]來計(jì)算孔隙的旋轉(zhuǎn)半徑Rgi和均方旋轉(zhuǎn)半徑Rg。
孔隙的長度L及其取向分布BФ采用方位角掃描數(shù)據(jù)的Ruland方法[13]來估算,方位角曲線采用高斯擬合后計(jì)算其峰的半高寬Bfwhm,并按照式(2)計(jì)算積分寬度Bobs。
然后按照式(3)擬合得到孔隙的長度L及其取向分布BФ。
孔隙的平均體積V按照式(4)計(jì)算。
2.1.1 [BMIM]Cl溶劑干濕紡纖維素纖維力學(xué)性能
隨著紡絲溫度的適當(dāng)提高,適宜的出絲速度有所提高。表1示出不同紡絲溫度、出絲速度和牽伸倍率條件下再生纖維樣品的強(qiáng)度、線密度及濕摩擦測試結(jié)果。從表1可看出,隨著牽伸倍率的增加,纖維的強(qiáng)度升高,而濕摩擦?xí)r間則降低。牽伸倍率增加有效帶動了溶劑化纖維素大分子及其聚集區(qū)域沿拉伸方向的流動和取向,并在凝固過程中保持下來;取向在逐漸增強(qiáng)的同時(shí),帶來了纖維素長鏈沿拉伸方向的聚集效應(yīng),促進(jìn)了微原纖、大原纖結(jié)構(gòu)的形成,因而在濕態(tài)摩擦力的作用下易原纖化,濕摩擦?xí)r間降低。
表1 [BMIM]Cl體系紡絲工藝及其纖維性能Tab.1 Spinning process and fiber properties of[BMIM]Cl/cellulose solution
將樣品1、2與樣品3、4相比較可看出,隨著出絲速度增加,纖維的強(qiáng)度近似處于相同的區(qū)間但略有降低,而濕摩擦?xí)r間趨于降低,反映出擠出速度增加帶來的法向應(yīng)力增加和擠出脹大效應(yīng),甚至是竹節(jié)、打旋等不穩(wěn)定出絲現(xiàn)象,不利于纖維力學(xué)性能的有效提高。
2.1.2 [BMIM]Cl纖維孔結(jié)構(gòu)
由于紡絲溫度的提高,出絲的黏度降低,形變能力增強(qiáng),盡管牽伸比保持較高并且還略高于較低紡絲溫度的1號、2號樣品,但紡絲張力應(yīng)是降低的,體現(xiàn)在3號、4號孔隙的均方旋轉(zhuǎn)半徑只有4個(gè)尺寸分布。而1號、2號則保持更為細(xì)化的5個(gè)尺寸的分布,如圖1所示。因?yàn)橹挥休^大的張力才能在凝固過程中細(xì)化孔隙的尺寸分布,顯然較低溫度紡絲的1號、2號具有較大的紡絲張力。表2示出[BMIM]Cl體系再生纖維的孔尺寸及取向分布。
圖1 樣品1、2、3、4號的孔尺寸及分布Fig.1 Pore size and distribution of sample 1,2,3,4
如表2所示,3號、4號孔隙的均方旋轉(zhuǎn)半徑、長度、體積和取向分布總體要大于1號、2號,并且3號、4號樣品孔隙中較大尺寸孔隙的占比要顯著高于1號、2號樣品,3號、4號樣品孔隙中較小尺寸孔隙的尺寸要遠(yuǎn)小于1號、2號樣品(如圖1所示),反映出凝固雙擴(kuò)散過程對于3號、4號這種較弱張力下成型的絲束具有更大的影響,不利于其致密、均勻結(jié)構(gòu)和較高力學(xué)性能指標(biāo)的形成。
表2 [BMIM]Cl體系再生纖維的孔尺寸及取向分布Tab.2 Pore size and orientation distribution of cellulose fibers regenerated from[BMIM]Cl
隨著牽伸比增加,3號、4號樣品中不同尺寸孔隙的均方旋轉(zhuǎn)半徑都相應(yīng)增大,且尺寸趨于均勻分布,反映出其樣品成型時(shí)截面上的整體形變都有所增強(qiáng);孔隙的均方旋轉(zhuǎn)半徑從小尺寸到大尺寸增加的幅度逐漸增大(如圖1所示),反映出紡絲過程中牽伸力在各個(gè)單絲細(xì)流截面上由最外層向最內(nèi)層逐漸衰減傳遞的變化過程。
隨著牽伸比增加,1號、2號樣品在20 nm以下均方半徑的孔隙尺寸基本保持不變,在25 nm以上均方半徑的孔隙尺寸明顯增加;中值約20 nm旋轉(zhuǎn)半徑的孔隙數(shù)量相對增加,其他尺寸的孔隙數(shù)量則保持不變或相對減少,尺寸分布進(jìn)一步趨于均勻;1號、2號樣品在6 nm左右均方半徑尺寸的孔隙數(shù)量基本保持不變。結(jié)果表明,由于凝固效應(yīng)較為充分,牽伸力在各個(gè)單絲細(xì)流截面上由最外層向內(nèi)層傳遞的時(shí)候,難以觸及細(xì)流截面的中心最深處,紡絲張力主要由中外層承擔(dān),因而隨著牽伸比增加,其最小尺寸孔隙的數(shù)量基本保持。
隨著牽伸比的增加,1、2號樣品與3號、4號樣品孔隙的體積都相對增大,但是后者增大的幅度較大(如表2所示),反映出后者拉伸比的增加更加有效地促進(jìn)了其雙擴(kuò)散的進(jìn)行。這是因?yàn)榧徑z線形變的增加和細(xì)化增大了其與凝固浴的接觸面積,這對于后者凝固效應(yīng)不太充分條件下凝固效率的改善作用更加突出,但由于其紡絲張力較小,再生纖維素纖維在凝固成型過程中各個(gè)微原纖間的抱合作用受雙擴(kuò)散阻礙較大,而孔隙的形成受再生纖維素取向的束縛較弱,因而孔隙的尺寸顯著增大。
隨著牽伸比的增加,1、2號樣品與3、4號樣品孔隙長度與取向分布的變化規(guī)律則截然相反。由于1、2號樣品成型時(shí)的出絲速度相對較慢,溫度相對較低,取向效應(yīng)相對較強(qiáng),出絲的凝固也相對充分,當(dāng)牽伸比進(jìn)一步增加時(shí),單絲直徑減少,雙擴(kuò)散速度雖有所增大,但孔隙尺寸的變化相對不大,中間層的重排和取向則更為強(qiáng)化,因而促使孔隙長度反而有所減少,孔隙的取向分布則變寬。3號、4號樣品在牽伸比增加時(shí),仍以整體形變?nèi)∠驗(yàn)橹饕兓J?,孔隙與纖維取向趨于同時(shí)、同向發(fā)展,因而孔隙長度和取向隨纖維素大分子一起伸展和增加。
2.2.1 [EMIM]Ac溶劑干濕紡纖維素纖維力學(xué)性能
采用DP520的纖維素漿粕,通過在較大間隙、較低出絲速度下的紡絲實(shí)驗(yàn),得到了較高牽伸倍率的纖維樣品,如表3所示。由表可知,所得纖維的強(qiáng)度相對[BMIM]Cl體系的再生纖維顯著降低,而斷裂伸長和濕摩擦?xí)r間則顯著增加,反映出纖維的成型未能實(shí)現(xiàn)有效取向,纖維中的原纖結(jié)構(gòu)很少,因而該工藝適于制備具有優(yōu)異抗原纖化性能的纖維素纖維。濕摩擦?xí)r間隨氣隙增加和牽伸倍率降低而顯著增加,反映出絲束在氣隙中松弛過程增加、形變速率降低有利于緩解取向效應(yīng),降低原纖結(jié)構(gòu)的形成,從而提升其抗原纖化性能。
采用DP400的纖維素漿粕,通過在較小間隙、較大出絲速度下的紡絲實(shí)驗(yàn),得到了較高牽伸倍率的纖維樣品,如表4所示。相對于DP520所得纖維,其強(qiáng)度約提高50%,伸長率約減少50%,濕摩擦?xí)r間則減少2~3個(gè)數(shù)量級,反映出較低聚合度的纖維素在拉伸時(shí)得到了有效取向,在提升強(qiáng)度的同時(shí),帶來了較明顯的原纖結(jié)構(gòu)。與[BMIM]Cl溶劑干濕紡所得纖維相比,其較低的強(qiáng)度應(yīng)主要?dú)w因于相對較低的聚合度和取向度。
表3 [EMIM]Ac/DP520體系紡絲工藝及其纖維性能Tab.3 Spinning process and fiber properties of[EMIM]Ac/DP520 system
表4 [EMIM]Ac/DP400體系紡絲工藝及其纖維性能Tab.4 Spinning process and fiber properties of[EMIM]Ac/DP400 system
2.2.2 [EMIM]AC纖維孔結(jié)構(gòu)
通過對DP520和DP400纖維素(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%)原液的紡絲樣品做SAXS測試和數(shù)據(jù)處理,得到了如表5和圖2、3所示的結(jié)果。
表5 [EMIM]Ac/DP400和[EMIM]Ac/DP520體系再生纖維素纖維的孔尺寸及取向分布Tab.5 Pore size and orientation distribution of cellulose fibers spun from[EMIM]Ac/DP400 system and[EMIM]Ac/DP520 system
由表5可知,DP400原液制備出的樣品平均孔徑較小,孔隙取向分布較窄,反映出流變拉伸取向效果較好,由拉伸力驅(qū)動、縛結(jié)分子傳遞的結(jié)構(gòu)重排較小、取向排列相對較好。隨著拉伸比的增大,孔隙的尺寸進(jìn)一步減少,孔隙的取向分布進(jìn)一步變窄。
相對于DP400原液所得纖維,由DP520原液所得纖維的平均孔徑和孔取向相對較大,反映出其拉伸成型過程中的取向和紡絲張力同時(shí)較弱,這與其較低的纖維強(qiáng)度和較大的斷裂伸長相一致。
圖2示出[EMIM]AC/DP520體系再生纖維素樣品5、6、7的孔徑分布。由圖中曲線可知,DP520原液制備的纖維樣品其孔隙分布隨拉伸作用變化不大,反映出原液細(xì)流中溶劑化大分子的聚集態(tài)隨拉伸形變的變化不大,縛結(jié)分子的縛結(jié)作用強(qiáng)于拉伸力主導(dǎo)的流變作用,出絲細(xì)流的細(xì)化是以不破壞其內(nèi)部縛結(jié)聚集態(tài)較大尺寸區(qū)域間的滑動細(xì)化過程。
圖3示出[EMIM]AC/DP400體系再生纖維素纖維樣品8和9的孔徑分布。由圖中曲線可知,由DP400原液制備的樣品孔隙分布隨拉伸作用的增強(qiáng)而趨于平均,且孔隙的尺寸變化不大。反映出隨著拉伸作用的增強(qiáng),形變速率的增大帶動了較小孔隙數(shù)量的增加和較大孔隙數(shù)量的減少,纖維結(jié)構(gòu)趨于更加均勻和致密。
圖2 樣品5、6、7號的孔徑分布Fig.2 Pore size distribution of sample 5,6,7
圖3 樣品8號和9號的孔徑分布Fig.3 Pore size distribution of sample 8,9
通過以上對比分析可知,孔徑及其取向主要由溶劑種類、擠出脹大程度、拉伸應(yīng)力、取向效應(yīng)、聚合度高低等因素所決定,而孔隙長度主要由溶劑種類決定,即[BMIM]Cl溶劑較大黏度帶來的促定型效應(yīng)增強(qiáng)了大分子的解纏取向效果,帶來顯著的原纖結(jié)構(gòu)及其伴生的大孔隙長度。
通過纖維素在[BMIM]Cl和[EMIM]Ac溶劑體系中的干濕法紡絲實(shí)驗(yàn),成功制備出了高強(qiáng)型、高抗原纖化型和普通型3種典型結(jié)構(gòu)性能特征的再生纖維素纖維。
以[BMIM]Cl為溶劑,由于其較大的黏度,適當(dāng)降低擠出速度可減緩出絲的擠出脹大效應(yīng),適當(dāng)提高牽伸倍率可形成較大的纖維取向,二者都使得再生纖維中孔隙的均方半徑降低、長度增加、孔取向分布變窄,同時(shí)所得再生纖維的纖度較低、強(qiáng)度優(yōu)異。
以[EMIM]Ac為溶劑,采用較低聚合度纖維素(DP400)的原液通過較小氣隙中的拉伸可實(shí)現(xiàn)大分子的有效取向,促使纖維中孔隙的平均半徑降低、取向分布變窄,從而制備出力學(xué)性能中等、結(jié)構(gòu)較為致密的再生纖維素纖維。
以[EMIM]Ac為溶劑,采用較高聚合度纖維素(DP520)的原液在較低的出絲速度和較大的氣隙下,通過減少擠出脹大、增加絲束拉伸和松弛的時(shí)間,可實(shí)現(xiàn)絲束在拉伸中的高倍牽伸,由于取向效應(yīng)微弱,所得纖維中孔隙的尺寸分布、取向分布以及纖維的強(qiáng)度隨工藝變化不大,但纖維的抗原纖化性能十分優(yōu)異。
致謝:感謝中國科學(xué)院高能物理研究所李志宏研究員、默廣研究員在纖維的SAXS測試和數(shù)據(jù)處理中給予的支持和幫助!
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