烷基糖苷在阻燃粘膠纖維上的應(yīng)用研究
馬 印1,曲 嫻1,狄友波1,2
(1.品德實業(yè)(太原)有限公司,山西 太原030031;2.燕山大學(xué) 亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點實驗室,河北秦皇島066004)
摘要:采用烷基糖苷(APG)作為阻燃材料的分散劑,加入粘膠膠液中,用以制備阻燃粘膠纖維,并與常規(guī)阻燃粘膠纖維的性能指標(biāo)進(jìn)行對比研究。經(jīng)SEM,紅外光譜及取向度測試對2種阻燃粘膠纖維分析檢測。結(jié)果表明:以APG作為阻燃材料分散劑制備的粘膠纖維,其阻燃材料在紡絲過程中與纖維素共聚形成互相嵌套的交聯(lián)網(wǎng),纖維的結(jié)晶區(qū)比常規(guī)阻燃纖維明顯增加;結(jié)晶取向度比常規(guī)阻燃粘膠纖維有了顯著提高;纖維的干濕強(qiáng)力比常規(guī)阻燃粘膠纖維提高了17%以上;成絲阻燃劑用量減少了20%,極限氧指數(shù)可達(dá)29。
關(guān)鍵詞:烷基糖苷;阻燃粘膠纖維;結(jié)晶取向度;強(qiáng)力;阻燃性
中圖分類號:TQ649 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1006-7264(2010)11-0034-04
粘膠纖維是以天然纖維素為基本原料,經(jīng)纖維素磺酸酯溶液紡制而成的再生纖維素纖維,在各類化學(xué)纖維中,粘膠纖維是最早投入工業(yè)化生產(chǎn)的品種[1]。其有著良好的吸濕性,光滑涼爽、舒適透氣,再加上環(huán)保又易于回收,使其在紡織行業(yè)的應(yīng)用日趨廣泛。隨著各種功能型纖維的研究和開發(fā),粘膠纖維的阻燃研究工作也被密切關(guān)注。由于目前阻燃粘膠纖維主要采用共混法來實現(xiàn),而此法生產(chǎn)的纖維中,阻燃劑與成纖大分子缺乏化學(xué)結(jié)合,耐久性較差,手感與強(qiáng)力也受到了影響,大大降低了其服用性能。原因是阻燃劑在產(chǎn)品中分散性差,難以與融體混合均勻,紡絲時易游離出來,造成紡絲困難,影響產(chǎn)品的阻燃效果及紡絲的物理性能剛。為此,研究人員對阻燃材料的分散及纖維后整理進(jìn)行了各種試驗研究。
在粘膠纖維成絲前的溶液中加入APG作為阻燃材料的分散劑,利用粘膠纖維母液中大分子基團(tuán)與阻燃材料分子及APG活性基團(tuán)進(jìn)行共聚交聯(lián)反應(yīng),在紡絲過程中互相嵌套,形成交聯(lián)網(wǎng),從而增加分子鏈間結(jié)合性,使粘膠纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到改變,增大粘膠纖維的結(jié)晶區(qū),從而提高其力學(xué)強(qiáng)度及柔韌性。
1試劑和儀器
1.1實驗材料
APG(中國日用化學(xué)工業(yè)研究院);粘膠纖維紡絲液(成都華明公司);常規(guī)阻燃粘膠纖維對照樣(成都華明公司);氮磷系阻燃劑(華興化工)。
1.2實驗儀器
紡絲設(shè)備(成都華明公司);單纖維強(qiáng)力儀(YGOOID型,常州華紡紡織儀器有限公司);場發(fā)射掃描電鏡(JSM-6700F型,日本電子);聲速取向測量儀(SCY-111型,東華大學(xué)材料學(xué)院);紅外光譜儀(FTIR-1730型,美國PE公司)。
2試驗方法
2.1工藝流程
粘膠母液+阻燃材料→消泡→紡絲→水洗→脫硫→水洗→烘干→切斷
2.2操作方法
1)將阻燃材料按2%~5%膠液質(zhì)量分?jǐn)?shù)直接加入紡絲母液中,攪拌使其均勻,裝入器皿中,抽真空進(jìn)行消泡處理,時間50 min~60 min;通過酸性凝固浴進(jìn)行噴絲、塑化拉伸成形;將成絲用40℃~45℃水清洗2遍,采用NaOH進(jìn)行脫硫處理,用量為樣品重的3%~10%,溫度40℃~45℃;將脫硫后的長絲用40℃~45℃水清洗2遍,烘干,切成51 mm長度,作為常規(guī)阻燃粘膠纖維備用。
2)將阻燃材料以APG為分散劑制成分散液,并均質(zhì)攪拌。按2%~5%膠液質(zhì)量分?jǐn)?shù)加入紡絲母液中,攪拌使其均勻,裝入器皿中抽真空進(jìn)行消泡處理,處理方法和過程同上。
2.3檢測方法
使用掃描電鏡對粘膠纖維表征結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測;使用紅外光譜儀分別對幾種粘膠纖維樣品結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測;使用取向測量儀分別對幾種粘膠纖維樣品進(jìn)行取向度測試;使用單纖強(qiáng)力儀分別對幾種粘膠纖維樣品的干濕強(qiáng)力進(jìn)行檢測;依據(jù)GB/T5454-1997標(biāo)準(zhǔn)對制備的阻燃纖維進(jìn)行極限氧指數(shù)測定。
3結(jié)果與討論
3.1烷基多糖苷與粘膠纖維的結(jié)構(gòu)特性
烷基多糖苷,簡稱APG,是以淀粉或葡萄糖和天然脂肪醇為基本原料,經(jīng)化學(xué)合成得到的一種新型非離子型表面活性劑。它是由葡萄糖的半縮醛羥基和脂肪醇羥基,在強(qiáng)酸催化下,失去—分子水而得到的產(chǎn)物網(wǎng)。APG兼有非離子和陰離子兩類表面活性劑的特性。APG的親水性來自糖環(huán)上的多個羥基,與水形成的氫鍵比較牢固,且有別于醇醚鍵中單純依靠氧原子與水所形成的氫鍵。因此,APG不具有濁點,水稀釋后也無凝膠產(chǎn)生。APG不僅表面活性高、配伍性好,并且無毒、無刺激性、易生物降解、對環(huán)境友好。在濃的強(qiáng)酸、強(qiáng)堿和電解質(zhì)中,仍有良好的溶解性和相溶性[5~7]。
粘膠纖維屬于纖維素纖維,分子結(jié)構(gòu)基本上是(C6H1005,)纖維素大分子,聚合度在200以上,稱為α—纖維素。在大分子上都含有大量的羥基親水基團(tuán)。普通粘膠纖維的結(jié)晶度只有30%~40%,其化學(xué)結(jié)構(gòu)是由很多D—吡喃式葡萄糖彼此以β—(1,4)苷鍵連接起來的線性高分子化合物,由含碳44.44%,氫6.17%和氧49.39%3種元素組成。由于生產(chǎn)過程中易受到氧化作用,纖維中羥基和醛基的含量較高網(wǎng)。纖維素大分子之間,纖維素和水分子之間,或纖維素大分子內(nèi),都可以形成氫鍵。氫鍵的存在對纖維的反應(yīng)性能及機(jī)械性能都有重要的影響。如纖維和纖維之間形成氫鍵結(jié)合,可以使纖維具有一定的強(qiáng)度唧。依據(jù)“相似相溶”原理,APG作為阻燃材料的分散劑,在粘膠紡絲中優(yōu)于其他表面活性劑。
3.2新制阻燃粘膠纖維的結(jié)構(gòu)變化
使用SEM掃描電鏡對兩種阻燃粘膠纖維的形貌特征進(jìn)行對比分析,結(jié)果如圖1所示。
由圖1可以看出,纖維的截面發(fā)生了明顯的變化,常規(guī)阻燃粘膠纖維內(nèi)部空隙較大,無定形區(qū)多,而以APG分散阻燃材料后制備的阻燃粘膠纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密,結(jié)晶區(qū)增大,且可看到,結(jié)構(gòu)中結(jié)合了眾多的絨毛狀材料,分布均勻。這說明,APG在紡絲過程中與粘膠大分子及阻燃材料互相結(jié)合而形成一種致密結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)的形成對提高粘膠纖維的強(qiáng)力與韌性有著明顯的影響。
3.3改進(jìn)前后粘膠纖維的紅外檢測
采用紅外光譜儀對常規(guī)阻燃粘膠纖維及新制阻燃粘膠纖維樣品進(jìn)行紅外光譜檢測,并對照標(biāo)準(zhǔn)圖譜進(jìn)行分析比較(見圖2)。
圖2中2#、3#樣品在1000 cm-l~700 cm-1處出現(xiàn)了明顯的連續(xù)特征峰,指紋區(qū)吸收峰的數(shù)目及形狀明顯區(qū)別于1#普通粘膠纖維;797 cm-1為磷化物的伸縮振動峰;2#與3#樣品在2970 cm-1和1476 cm-1有新的吸收峰,表示甲基存在增多;915 cm-1,849 cm-l,796 cm-1和677 cm-l等處為阻燃劑的吸收峰,這說明阻燃劑已經(jīng)結(jié)合到了纖維上。
3.4改進(jìn)前后阻燃粘膠纖維的取向度變化
采用聲速取向測量儀對常規(guī)阻燃粘膠纖維及新制阻燃粘膠纖維樣品進(jìn)行取向值測試,結(jié)果如表1所示。
由表1可以看出,采用紡絲液中加入APG后制備的阻燃粘膠纖維取向因子平均值有了明顯的提高。這是由于在膠液中加入表面活性劑后,一方面延緩了硫酸向纖維內(nèi)部或氫氧化鈉從纖維內(nèi)部向凝固浴的擴(kuò)散度,使中和浸長增加,可使纖維的皮層增加,從而提高纖維結(jié)構(gòu)的均勻度,改善纖維的物理機(jī)械性能[10];另一方面,APG的活性基團(tuán)在噴絲和牽伸過程中與粘膠大分子發(fā)生共聚交聯(lián)反應(yīng),相互嵌套,纖維分子鏈之間的結(jié)合增強(qiáng),纖維在拉伸成型時,分子沿著拉伸方向發(fā)生取向和結(jié)晶,大分子緊密規(guī)則地排列起來,無定形區(qū)減少,結(jié)晶區(qū)增加,使原先的線型分子變成網(wǎng)狀分子,從而提高了強(qiáng)度。
3.5改進(jìn)前后的粘膠纖維強(qiáng)力變化
采用單纖強(qiáng)力儀對2種阻燃粘膠纖維的干濕強(qiáng)力進(jìn)行對比,結(jié)果如表2所示。
由表2可以看出,加入APG后改進(jìn)生產(chǎn)的粘膠纖維強(qiáng)度較常規(guī)阻燃粘膠纖維有明顯的提高,其中干強(qiáng)比常規(guī)阻燃粘膠纖維提高了17%,濕強(qiáng)提高了19%。這是因為粘膠纖維分子量相對較低,纖維濕態(tài)斷裂是以氫鍵斷裂、分子間滑移為主要破壞形式,常規(guī)阻燃纖維因是在膠液中直接加入阻燃劑,阻燃劑分子與纖維大分子不能有效結(jié)合,噴絲后,大多共混鑲嵌于纖維中,從而導(dǎo)致纖維強(qiáng)力下降;而加入APG作分散劑后,活性基團(tuán)在噴絲和牽伸過程中與大分子結(jié)合,與粘膠纖維大分子及阻燃材料形成交聯(lián)網(wǎng),纖維分子鏈之間的結(jié)合增強(qiáng),使粘膠纖維的分子鏈更加協(xié)同抵抗外力的破壞,并且使纖維材料結(jié)構(gòu)發(fā)生有序變化,減少了大分子結(jié)構(gòu)的不均勻性,有利于消除薄弱環(huán)節(jié),從而提高了粘膠纖維的力學(xué)強(qiáng)度。
3.6改進(jìn)前后的阻燃粘膠纖維極限氧指數(shù)對比
將2種阻燃纖維制成6 mm×3 mm×70 mm的辮狀纖維束,每個樣品制備5個纖維束,在適當(dāng)?shù)难酰壤曼c燃纖維束,記錄燃燒50 mm長的時間。根據(jù)GB/T5454-1997標(biāo)準(zhǔn)確定纖維的極限氧指數(shù)值,結(jié)果如圖3所示。
由圖3可以看出,在相同阻燃劑用量時,以APG作為阻燃材料分散劑制備的阻燃纖維測得的極限氧指數(shù)值比常規(guī)阻燃粘膠纖維要高。常規(guī)阻燃粘膠纖維在膠液中加入阻燃劑用量為5%時,極限氧指數(shù)值為28,達(dá)到纖維阻燃標(biāo)準(zhǔn);而以APG作為阻燃材料分散劑制備的粘膠纖維在阻燃劑用量為4%時,纖維的極限氧指數(shù)值則為29,已達(dá)到了阻燃標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,若以產(chǎn)成纖維中用量計算,比常規(guī)制得的阻燃纖維用量降低了20%。
4結(jié)論
通過上述實驗得出:在粘膠紡絲過程中,以APG為分散劑對阻燃材料進(jìn)行分散乳化,可使噴絲后制成的阻燃纖維取向度發(fā)生改變,比常規(guī)阻燃粘膠纖維有了顯著提高。阻燃材料在紡絲過程中與纖維素共聚形成互相嵌套的交聯(lián)網(wǎng),纖維的結(jié)晶區(qū)比常規(guī)阻燃纖維明顯增加。干濕強(qiáng)度提高了17%以上,改善了阻燃粘膠纖維的服用性能。成絲阻燃劑用量比常規(guī)阻燃粘膠纖維降低了200/0,極限氧指數(shù)可達(dá)29。
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