殼聚糖紡絲液流變性能改善方法初探

張慶法，孫永軍，杜玉平，李 超(， )

1 研究背景

紡絲液的流變性的好與壞直接影響到紡絲過程中纖維的成型質量。對于殼聚糖紡絲液的流變性有很多人在做相關的研究，并希望尋找一種方法使殼聚糖紡絲液的流變性得到改善，但是至今尚未見到十分有效的方法。

李達、段友順通過對降低甲殼胺溶液表觀粘度的研究，發現甲殼胺紡絲原液中加入三聚氰胺可明顯降低其表觀粘度，不過三聚氰胺的加入對甲殼胺纖維的影響還需要進一步研究[1]。

吳國杰，姚汝華通過對殼聚糖溶液流變性質的研究，發現殼聚糖易溶于稀酸中，殼聚糖的醋酸溶液屬假塑性剪切變稀溶液，其粘度隨溶液濃度的降低、溫度的升高、存放時間的延長、外加鹽氯化鈉量的增加、溶劑pH值的降低而降低，其中濃度和溫度是兩個主要影響因素[2]。

韓懷芬等分別對蝦、蟹殼聚糖溶液在不同濃度、pH值、溫度下對其粘度變化的影響進行了研究，結果表明在溶液中蟹殼聚糖的降解速度比蝦殼聚糖的降解速度快，在相同條件下蝦殼聚糖溶液的粘度要大于蟹殼聚糖溶液的粘度[3]。

楊慶，沈新元，郯志清，郁星，王良軍等研究了殼聚糖/乙酸溶液與聚丙烯腈/硫氰酸鈉溶液的共混性能，采用錐板式旋轉粘度計法對殼聚糖/聚丙烯腈的共混原液的流變性進行了測試，發現殼聚糖/聚丙烯腈共混原液在全程流變過程中都呈現非牛頓性，非牛頓指數小于1，隨著剪切速率的加大，原液呈現剪切變稀現象[4]。

本文在相關研究的基礎上，提出將殼聚糖紡絲液進行均質處理的方法，試圖在不使用添加試劑的情況下，改善其流變性能，這也符合綠色環保的理念。

2 實驗儀器設備

2.1 均質處理器

實驗中，使用均質處理器對殼聚糖紡絲液進行研磨處理，達到均質的效果。處理器主要由定子和轉子兩部分組成，定子與轉子之間的間距可調。當殼聚糖紡絲液從定子與轉子之間的空隙中流過時，轉子的高速旋轉使其受到剪切力的作用，從而實現了對紡絲液的均質處理。轉子的旋轉速度會影響殼聚糖紡絲液受均質的程度。

2.2 毛細管流變儀

毛細管流變儀是目前發展得最成熟、最典型、因而應用最廣泛的聚合物熔體流變測量儀。根據測量原理的不同，毛細管流變儀可分為恒速型流變儀和恒壓型流變儀，通常用的毛細管流變儀多為恒速型。毛細管流變儀的構造如圖1所示：

毛細管流變儀的核心部分為一套精致的毛細管，具有不同的長徑比(通常有L/D=10/1、20/1、30/1、40/1等)；料筒周圍為恒溫加熱套，內有電熱絲；料筒內物料的上部為液壓驅動的柱塞。物料在柱塞高壓作用下從毛細管擠出，由此測量材料的流變性。

圖1 毛細管流變儀基本構造

毛細管流變儀通過測量聚合物流體在流動時承受的壓力和剪切速率，計算流體的表觀粘度，并通過變速裝置改變柱塞的剪切速率，以便測量不同剪切速率下流體的表觀粘度，用以表征流體的流變性。當柱塞以某一設定的剪切速率對殼聚糖紡絲液進行剪切時，壓力傳感器就會測出紡絲液所具有的壓力，然后通過壓力值計算出物料受到的剪切應力，而后根據公式可得在此剪切速率下殼聚糖紡絲液的表觀粘度ηa=σw/γw ，其中σw為剪切應力，γw為剪切速率。

2.3 旋轉粘度計

旋轉粘度計是用于測量流體靜態表觀粘度的儀器。用該粘度計對液體進行粘度測量時，轉子由電機帶動在液體中作恒速旋轉，同時液體會產生作用在轉子上的粘性力矩。液體的粘度越大，該粘性力矩也越大；反之，液體的粘度越小，該粘性力矩也越小。該作用在轉子上的粘性力矩由傳感器檢測出來，經計算機處理后可得出被測液體的粘度。

3 實驗方法及結果

運用膠體磨對濃度為4%的紡絲液進行強剪切均質處理，并在處理過程中將樣品分組，進行不同速度下的研磨均質實驗，由于條件限制，本實驗只在850 rpm和1700 rpm兩個速度下對紡絲液進行了均質處理，結果如下：

3.1 均質速度對紡絲液粘度的影響

首先用不同的速度對濃度為4%的殼聚糖紡絲原液進行均質處理，研究均質對于殼聚糖紡絲原液靜態表觀粘度的影響，粘度測量溫度為17℃，粘度比較見圖2。

從圖2可以發現均質處理會使濃度為4%的殼聚糖紡絲液的表觀粘度明顯地降低，當均質速度為850 rpm時，所得殼聚糖紡絲液表觀粘度比未經均質處理的紡絲液粘度低24.5% ， 在均質速度為1700 rpm的情況下，殼聚糖紡絲液的表觀粘度下降幅度為36.1% 。

圖2 均質處理對4%殼聚糖溶液靜態表觀粘度的影響

3.2 均質速度對紡絲液剪切粘度變化的影響

將不同均質速度下處理的濃度為4%的殼聚糖紡絲液用R-T2000流變儀在30℃的溫度下進行流變性測量，比較各種紡絲原液在受到剪切作用時，動態表觀粘度的變化，數據比較見圖3。

圖3 不同均質速度處理的殼聚糖紡絲液流變性能比較

圖3表明，在剪切速率小于2000 mm/s時，與未經過均質處理的殼聚糖紡絲液相比較，均質處理過的紡絲液在相同剪切速率的情況下，所表現出的動態表觀粘度會有變大的趨勢，在剪切速率大于2000 mm/s時，均質處理對于殼聚糖動態表觀粘度的影響作用不大，實際紡絲過程中，噴絲頭噴絲的速度在150 mm/s 左右，均質處理對于殼聚糖紡絲過程中動態表觀粘度的影響比較明顯。

4 結論

均質處理會使得殼聚糖紡絲液的靜態表觀粘度降低，且粘度的降低幅度隨均質處理速度的增加而增加。同時，均質處理在一定范圍內會使得殼聚糖紡絲液的動態表觀粘度升高。由于殼聚糖紡絲液比較容易降解，所以在生產實踐中，均質處理可以作為一種改變紡絲液動態表觀粘度的方法，將已經因降解而粘度降低的紡絲液進行均質處理以獲得動態表觀粘度相對穩定的紡絲液。

[1] 李達，段友順.降低甲殼胺溶液表觀粘度的研究[J].化纖與紡織技術, 2009，(4):9—12.

[2] 吳國杰，姚淑華.殼聚糖溶液流變學性質的研究[J].華南理工大學學報，1997，25(10):62—66.

[3] 韓懷芬，錢俊青.蝦、蟹殼聚糖溶液粘度變化的研究[J].科技通報，1998，14(6):441—445.

[4] 楊慶，沈新元，郯志清，郁星，王良軍.聚丙烯腈與殼聚糖紡絲原液的流變性能研究[J].金山油化纖，2005，(4):15—20.