新型中空黏膠纖維的結(jié)構(gòu)與性能

毛　月　王　妮　劉麗芳　施楣梧

1. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院(中國)2. 總后勤部軍需裝備研究所(中國)

新型中空黏膠纖維的結(jié)構(gòu)與性能

毛月1王妮1劉麗芳1施楣梧2

1. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院(中國)2. 總后勤部軍需裝備研究所(中國)

摘要：測試了一種新型中空黏膠纖維的回潮率、拉伸性能、形態(tài)結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，并與其他3種常見的再生纖維素纖維——普通黏膠纖維、莫代爾纖維及萊賽爾纖維進(jìn)行對比。結(jié)果表明：中空黏膠纖維的回潮率為12.38%，干、濕態(tài)斷裂強(qiáng)度分別為2.54 cN/dtex和1.62 cN/dtex，干、濕態(tài)斷裂伸長率則分別為14.49%、16.67%。采用掃描電子顯微鏡觀察中空黏膠纖維的表面和橫截面形態(tài)發(fā)現(xiàn)：中空黏膠纖維的表面形態(tài)與普通黏膠纖維相同，而橫截面呈明顯的中空結(jié)構(gòu)。X射線衍射測試結(jié)果得出：中空黏膠纖維的結(jié)晶度為31.73%。傅里葉變換紅外光譜顯示：中空黏膠纖維表現(xiàn)出纖維素II的結(jié)構(gòu)特征，與其他3種再生纖維素纖維類似。

關(guān)鍵詞：中空黏膠纖維；回潮率；結(jié)構(gòu)；性能；結(jié)晶度；纖維素II

纖維素是自然界中一種儲量非常豐富的原料，如棉、漢麻、黃麻等就包含大量的纖維素。在化工行業(yè)，纖維素已被用于生產(chǎn)化學(xué)纖維中的再生纖維，包括黏膠纖維、銅氨纖維，以及一些采用其他方法生產(chǎn)的再生纖維素纖維[1]。

目前，有關(guān)再生纖維素的相關(guān)研究多數(shù)都集中在對再生纖維素纖維生產(chǎn)方法的優(yōu)化與功能化方面，以滿足人們?nèi)找嬖鲩L的需求和新材料的發(fā)展。已經(jīng)研發(fā)生產(chǎn)出一些特殊的再生纖維素纖維，如適合消防服用的阻燃黏膠纖維[2-3]，衛(wèi)生用抗菌再生纖維素纖維[4]，Viloft[5-6]纖維，以及具有極好的溫度調(diào)節(jié)功能的Outlast[7-8]黏膠纖維。對于中空黏膠纖維而言，一方面，其纖維的中空部分可以保持靜止空氣，可作為保溫材料代替木棉[9-10]或聚酯纖維[11-12]；另一方面，通過在中空部分添加功能性材料，可開發(fā)一些具有特殊功能的黏膠纖維。盡管這些再生纖維素纖維擁有基本相同的化學(xué)組成[13]，但不同的生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)條件會造成纖維結(jié)構(gòu)或性能上的差異。

為了更好地了解和應(yīng)用中空黏膠纖維，本文對中國產(chǎn)新型中空黏膠纖維的結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行了測試，并與其他3種再生纖維素纖維——普通黏膠纖維、莫代爾纖維及萊賽爾纖維進(jìn)行對比分析。

1試驗

1.1材料

試驗所測試分析的4種纖維——中空黏膠纖維、普通黏膠纖維、莫代爾纖維及萊賽爾纖維均由蘇州恒光化纖有限公司提供，4種纖維的具體規(guī)格如表1所示。

表1　纖維品種及規(guī)格參數(shù)

1.2測試

根據(jù)文獻(xiàn)[14]，采用Y 802型恒溫烘箱及電子天平測定纖維的回潮率?；爻甭实木唧w計算式如式(1)所示。

(1)

式中：W——纖維的回潮率；

G——纖維原質(zhì)量；

G0——纖維干質(zhì)量；

根據(jù)文獻(xiàn)[15]，采用XQ-2型纖維強(qiáng)伸度儀測試?yán)w維的力學(xué)性能。

采用JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡觀察纖維的表面和橫截面形態(tài)結(jié)構(gòu)。

采用D/MAX-2550PC型X射線衍射儀測試?yán)w維的結(jié)晶度。

采用Nicolet Nexus 6700型紅外分光光度儀對纖維進(jìn)行傅里葉變換紅外光譜(FTIR)測試，掃描范圍為4 000～500 cm-1。

2結(jié)果與討論

2.1回潮率

纖維回潮率的測試結(jié)果如圖1所示。

圖1　4種纖維的回潮率

由圖1可知，中空黏膠纖維的回潮率相對較低，為12.38%，僅比萊賽爾纖維的回潮率稍高，這說明中空黏膠纖維的吸濕性是4種纖維中相對較差的。紡織材料的吸濕性是一個重要參數(shù)，影響纖維的其他性能，如影響纖維的密度及力學(xué)、熱學(xué)和光學(xué)性能等，并且還會對纖維的生產(chǎn)和使用穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。一般而言，除了化學(xué)組成外，纖維的回潮率或吸水性能也取決于纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)、分子排列、結(jié)晶度及纖維表層孔徑的大小。許多學(xué)者研究了再生纖維素纖維的吸濕性，發(fā)現(xiàn)再生纖維素纖維的回潮率介于10.00%～16.00%[16-17]之間。由圖1可知，4種被測再生纖維素纖維的回潮率介于11.71%～14.19%之間，基本上與前人的研究相吻合。由于4種再生纖維素纖維的化學(xué)組成相同，親水基團(tuán)的數(shù)量、強(qiáng)度無明顯差異，使得纖維回潮率的差異并不明顯。某種程度而言，纖維形態(tài)和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)上的差異會導(dǎo)致其吸濕性能的細(xì)微差別。

2.2力學(xué)性能

纖維的力學(xué)性能測試結(jié)果如表2所示。

表2　4種纖維的力學(xué)性能測試結(jié)果

由表2可知，在干態(tài)下，中空黏膠纖維的斷裂強(qiáng)度低于普通黏膠纖維，初始模量高于普通黏膠纖維，而萊賽爾纖維的斷裂強(qiáng)度和初始模量均最高；4種纖維中，中空黏膠纖維的斷裂伸長率低于普通黏膠纖維，接近于莫代爾纖維，而萊賽爾纖維的斷裂伸長率最小。較之干態(tài)，濕態(tài)下4種纖維的斷裂強(qiáng)度和初始模量均有不同程度的下降，對應(yīng)的斷裂伸長率則有所增大。通過對干態(tài)和濕態(tài)條件下纖維力學(xué)性能的對比發(fā)現(xiàn)，萊賽爾纖維在濕態(tài)下具有更好的力學(xué)性能穩(wěn)定性。一般而言，當(dāng)纖維擁有更高的結(jié)晶度和取向度時，其力學(xué)性能也越好。

2.3形態(tài)結(jié)構(gòu)

4種纖維的表面與橫截面形態(tài)結(jié)構(gòu)分別如圖2和圖3所示。

(a) 中空黏膠纖維

(b) 普通黏膠纖維

(c) 莫代爾纖維

圖2　4種纖維的表面形態(tài)

(a) 中空黏膠纖維

(b) 普通黏膠纖維

(c) 莫代爾纖維

圖3　4種纖維的橫截面形態(tài)結(jié)構(gòu)

由圖2可知，中空黏膠纖維和普通黏膠纖維的表面形態(tài)相似，均存在溝槽結(jié)構(gòu)，而莫代爾纖維和萊賽爾纖維的表面則很光滑。這與文獻(xiàn)[18]的研究結(jié)果一致。由圖3(a)可以看出，中空黏膠纖維的橫截面為橢圓形，纖維壁較薄，纖維存在明顯的中空結(jié)構(gòu)，可保持大量的靜止空氣。因此，中空黏膠纖維可應(yīng)用于保溫隔熱領(lǐng)域。由圖3(b) ～圖3(d)可以看出，普通黏膠纖維的橫截面為鋸齒形，莫代爾纖維和萊賽爾纖維的橫截面則為圓形。不同的生產(chǎn)工藝可賦予纖維不同的橫截面形態(tài)。

2.4結(jié)晶度

采用X射線衍射儀測試?yán)w維的結(jié)晶度，4種纖維的X射線衍射圖和結(jié)晶度測試結(jié)果分別如圖4和表3所示。

圖4　4種纖維的X射線衍射譜圖

纖維類型結(jié)晶度/%中空黏膠纖維31.73普通黏膠纖維36.75莫代爾纖維26.05萊賽爾纖維42.18

2.5FTIR測試

4種纖維的FTIR圖如圖5所示。

A——莫代爾纖維;　B——普通黏膠纖維;C——萊賽爾纖維;　D——中空黏膠纖維圖5　4種纖維的FTIR圖

由于4種纖維的FTIR曲線類似，所以只選取中空黏膠纖維的FTIR圖，并標(biāo)記各特征峰的位置，如圖6所示。

圖6　中空黏膠纖維FTIR圖及其特征峰位置

根據(jù)紅外光譜圖中的特征吸收峰，可判斷其化學(xué)鍵類型，并定性分析纖維的化學(xué)組成，具體結(jié)果如表4 所示。

由圖5和圖6可以看出，纖維的紅外光譜曲線在893 cm-1和1 423 cm-1處顯示出特征峰，表明纖維素II結(jié)構(gòu)的存在。4種纖維在1 430 cm-1和1 111 cm-1處都不存在特征峰，根據(jù)文獻(xiàn)[23]所進(jìn)行的研究，這是由于纖維素II結(jié)構(gòu)起主導(dǎo)作用引起的。另外，文獻(xiàn)[23]還表明，對于纖維素Ⅰ、纖維素II和無定形區(qū)而言，其特征峰所處的位置略有差異。根據(jù)圖6，對于中空黏膠纖維而言，在1 423 cm-1處有非常明顯的特征峰，這是纖維素II與無定形區(qū)所處的位置。如果纖維中含有大量的纖維素 Ⅰ 結(jié)構(gòu)，則原本位于1 420 cm-1處的特征峰將轉(zhuǎn)移到1 430 cm-1處[24]。而位于1 158、1 263和1 316 cm-1處的特征峰，則表明纖維擁有明顯的纖維素II結(jié)構(gòu)，這與XRD顯示的結(jié)果相吻合。

3結(jié)論

黏膠是最早工業(yè)化生產(chǎn)的化學(xué)纖維。目前，關(guān)于黏膠纖維的研究主要集中在黏膠纖維的功能化和新生產(chǎn)方法方面，如用直接溶解法及其他的生產(chǎn)工藝生產(chǎn)高效、低污染的再生纖維素纖維。本文對新型中空黏膠纖維的基本結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了測試，并與普通黏膠纖維、莫代爾纖維及萊賽爾纖維進(jìn)行對比。研究結(jié)果表明：中空黏膠纖維的回潮率為12.38%，其干態(tài)斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率分別為2.54 cN/dtex 和14.49%，且其斷裂強(qiáng)度是4種纖維中最小的；在濕態(tài)條件下，中空黏膠纖維的斷裂強(qiáng)度下降，而斷裂伸長率則上升。通過掃描電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，中空黏膠纖維的橫截面存在明顯的中空結(jié)構(gòu)，而纖維縱向存在有明顯的溝槽。X射線衍射譜圖表明，中空黏膠纖維具有纖維素II結(jié)構(gòu)，其結(jié)晶度為31.73%。中空黏膠纖維的傅里葉變換紅外光譜圖表明，纖維具有纖維素II結(jié)構(gòu)，與X射線衍射的測試結(jié)果一致。

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Structure and properties of novel hollow viscose fiber

MaoYue1，WangNi1，LiuLifang1，ShiMeiwu2

1. College of Textiles，Donghua University，Shanghai/China2. The Quartermaster Research Institute of the General Logistics Department of the PLA, Beijing/China

Abstract:The moisture regain， tensile properties，and both morphological and aggregation structure of hollow viscose fiber were tested, and 3 other conventional regenerated cellulose fibers, i.e. conventional viscose fiber, modal fiber and lyocell fiber were compared. The results showed that the moisture regain of the hollow viscose fiber was 12.38%. The dry and wet breaking tenacities were 2.54 cN/dtex and 1.62 cN/dtex, while the breaking elongations in dry and wet were 14.49% and 16.67% respectively. The results of surface morphology and cross-section tested by scanning electron microscope showed that the hollow section obviously existed in the hollow viscose fiber and the surface morphology was the same with the conventional viscose fiber. Finally, crystallinity of hollow viscose fiber was 31.73% tested by X-ray diffraction, and the FTIR spectra of the fiber exhibited the characteristic of cellulose II, similar with the other 3 tested fiber.

Key words:hollow viscose fiber； moisture regain； structure； property； crystallinity； cellulose II