黃 錦 鋒

(1．福建宏遠(yuǎn)集團(tuán)有限公司，福建 泉州 362000；2.福建省再生纖維素纖維重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 泉州 362000；3. 福建省纖維素纖維工程技術(shù)研究中心，福建 泉州 362000)

纖維素是最豐富的可再生有機(jī)材料，具有突出的性質(zhì)和眾多有價(jià)值的應(yīng)用，但由于其具有氫鍵結(jié)合的部分結(jié)晶結(jié)構(gòu)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(shù)，該技術(shù)通過(guò)亞穩(wěn)態(tài)可溶性纖維素衍生物(纖維素黃原酸酯)來(lái)生產(chǎn)，過(guò)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(wèn)題[2]。N-甲基嗎啉-N-氧化物(NMMO)技術(shù)[3-5]是一種相對(duì)簡(jiǎn)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L(zhǎng)yocell 纖維。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，研究人員對(duì)纖維素在NMMO中的溶脹、溶解、凝固和成形進(jìn)行了一系列的基礎(chǔ)研究[6～10]。

Lyocell竹纖維是以天然竹纖維素為原料，在質(zhì)量分?jǐn)?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(qiáng)度、挺度好等優(yōu)點(diǎn)，還具有天然纖維素纖維的吸濕、保濕等優(yōu)點(diǎn)[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(diǎn)，因而越來(lái)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(méi)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(duì)竹纖維素纖維拉伸強(qiáng)度的影響，并通過(guò)場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)對(duì)纖維表面形貌進(jìn)行觀察分析。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料及試劑

竹漿粕：甲種纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于等于95%，四川天竹竹資源開(kāi)發(fā)有限公司產(chǎn)；NMMO水溶液：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%，工業(yè)級(jí)，江蘇聯(lián)潤(rùn)化工有限公司產(chǎn)；沒(méi)食子酸正丙酯：抗氧劑，工業(yè)級(jí)，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(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%)混合，加入適量沒(méi)食子酸正丙酯(質(zhì)量分?jǐn)?shù)0～0.5%)，在水力碎漿機(jī)中充分混合均勻。竹漿粕在漿粥儲(chǔ)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(zhì)量分?jǐn)?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(guò)濾后，在原液溫度為95 ℃、凝固浴質(zhì)量分?jǐn)?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(cè)試

拉伸強(qiáng)度：采用常州市第一紡織設(shè)備有限公司YG004型單纖強(qiáng)度儀測(cè)定單纖拉伸強(qiáng)度。纖維夾持長(zhǎng)度10 mm，拉伸速率為50 mm/min，每個(gè)試樣測(cè)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(jī)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(yù)處理，然后放入FE-SEM中進(jìn)行表面微觀形貌觀測(cè)。

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

2 結(jié)果與討論

2.1 竹纖維素含量對(duì)纖維拉伸強(qiáng)度的影響

在竹漿粕聚合度為670及抗氧劑質(zhì)量分?jǐn)?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(zhì)量分?jǐn)?shù)從11%增加至15%時(shí)，竹纖維的拉伸強(qiáng)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(shí)，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(luò)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(duì)竹纖維拉伸強(qiáng)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(duì)纖維拉伸強(qiáng)度的影響

在紡絲原液竹纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%及抗氧劑質(zhì)量分?jǐn)?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(qiáng)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(qiáng)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(zhǎng)，纖維素分子鏈上羥基數(shù)量越多，分子間的相互作用點(diǎn)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(zhǎng)，相互間的纏結(jié)作用越強(qiáng)，纖維結(jié)構(gòu)越牢固，因而纖維拉伸強(qiáng)度增大。

圖2 竹漿粕聚合度對(duì)竹纖維拉伸強(qiáng)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(duì)纖維拉伸強(qiáng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%不變的條件下，探討了抗氧劑添加量對(duì)纖維拉伸強(qiáng)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(qiáng)度也隨之增大，抗氧劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0增加至0.5%時(shí)，纖維的拉伸強(qiáng)度由1.54 cN/dtex增大至1.82 cN/dtex，這主要是因?yàn)榭寡鮿┯昧吭龃罂梢愿鼮橛行У亟K止纖維素氧化性末端基的氧化反應(yīng)，抑制纖維素的氧化降解，使纖維素大分子鏈增長(zhǎng)[14]，同時(shí)抗氧劑還可以絡(luò)合漿粕中的高價(jià)金屬離子而降低纖維素的氧化降解。

圖3 抗氧劑含量對(duì)竹纖維拉伸強(qiáng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%，抗氧劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的條件下制備的竹纖維試樣，觀測(cè)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(jié)構(gòu)，在皮芯交替處容易引起應(yīng)力集中，拉伸過(guò)程中受力后形成溝槽和裂縫等缺陷[15]。同時(shí)，纖維表面分裂出細(xì)小的微纖維，這主要是因?yàn)椴捎肗MMO制備的纖維具有較高的軸向取向度，微原纖間的橫向結(jié)合力較弱，在濕態(tài)下纖維的高度膨化更加減弱了這種結(jié)合力，而這種結(jié)合力的減弱使纖維皮層纖維脫落 ，殘留的皮層纖維縱向開(kāi)裂 ，形成較長(zhǎng)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(jié)論

a. 采用NMMO水溶液為溶劑，竹漿粕為原料，沒(méi)食子酸正丙酯為抗氧劑，通過(guò)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(qiáng)度呈上升趨勢(shì)。

b. 采用FE-SEM對(duì)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。