戊二醛交聯(lián)改性再生纖維素纖維的研究

徐德增，李 丹，徐 磊

(大連工業(yè)大學(xué)紡織與材料工程學(xué)院，遼寧大連116034)

戊二醛交聯(lián)改性再生纖維素纖維的研究

徐德增，李 丹，徐 磊

(大連工業(yè)大學(xué)紡織與材料工程學(xué)院，遼寧大連116034)

以氯化1-丁基-3-甲基咪唑離子液體為溶劑對(duì)木質(zhì)纖維素進(jìn)行溶解并紡絲，得到再生纖維素纖維，再使用戊二醛對(duì)再生纖維素纖維進(jìn)行交聯(lián)改性，研究其交聯(lián)改性條件對(duì)再生纖維素纖維力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明:經(jīng)戊二醛交聯(lián)后，再生纖維素纖維的斷裂強(qiáng)度有明顯的提高;在戊二醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%，反應(yīng)溫度為50℃，反應(yīng)時(shí)間為30 min的交聯(lián)條件下，所得再生纖維素纖維的斷裂強(qiáng)度為3.2 cN/dtex。

纖維素 再生纖維素纖維 離子液體 戊二醛 交聯(lián) 力學(xué)性能

近年來(lái)，隨著煤、石油等不可再生資源的短缺，尋找可再生資源以替代原有資源變得迫在眉睫，纖維素的開(kāi)發(fā)與利用日益引起人們的關(guān)注。天然纖維素分子間和分子內(nèi)存在大量的氫鍵，因此纖維素的加工較為困難［1］。離子液體的出現(xiàn)有望成為纖維素的綠色溶劑，其對(duì)纖維素有著優(yōu)良的溶解能力［2－7］，而且不易揮發(fā)，熱穩(wěn)定性好。戊二醛作為織物的抗皺整理劑，有著其特有優(yōu)勢(shì)［8］，戊二醛溶液中含有相等數(shù)量的半水合物，二水合物和環(huán)狀半縮醛。1個(gè)戊二醛分子和2個(gè)醛基，可以和纖維素大分子上的羥基形成半縮醛和縮醛，從而提高織物的回復(fù)性能。因此，作者使用離子液體氯化1-丁基-3-甲基咪唑(［Bmim］Cl)溶解纖維素，制備再生纖維素纖維，并使用戊二醛對(duì)再生纖維素纖維進(jìn)行交聯(lián)，研究了戊二醛用量、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度對(duì)再生纖維素纖維力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

木質(zhì)纖維素:聚合度620，市售;［Bmim］Cl:實(shí)驗(yàn)室自制;戊二醛:質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%，分析純，上海化學(xué)試劑有限公司提供。

1.2 再生纖維素纖維的制備

稱取一定質(zhì)量的木質(zhì)纖維素加入到盛有離子液體的三口燒瓶中，置于油浴鍋中，加熱攪拌8 h，配置成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的溶液。經(jīng)過(guò)濾、減壓脫泡后，根據(jù)干濕法紡絲成形工藝制備纖維素纖維，凝固浴為離子液體和水的混合液［9］，經(jīng)拉伸、水洗、干燥后，得到再生纖維素纖維。

1.3 纖維的交聯(lián)處理

分別配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，4%，6%，8%的戊二醛溶液，將再生纖維素纖維浸沒(méi)于戊二醛溶液中，在不同溫度下進(jìn)行交聯(lián)，分別研究不同的交聯(lián)劑濃度、反應(yīng)溫度以及反應(yīng)時(shí)間下纖維素纖維強(qiáng)度的變化。

1.4 分析測(cè)試

采用萊州市電子儀器有限公司的LLY-06電子單纖維強(qiáng)力儀分別測(cè)定不同交聯(lián)程度纖維的強(qiáng)力。測(cè)量參數(shù)為預(yù)加張力0.05 cN，夾持長(zhǎng)度10 mm，速度20 mm/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 交聯(lián)劑的濃度

不同濃度的戊二醛對(duì)纖維素纖維的斷裂強(qiáng)度均有比較明顯的影響。從圖1可以看出，隨著戊二醛濃度的增加，再生纖維素纖維的斷裂強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢(shì)。這是因?yàn)槲於┚哂袃蓚€(gè)活潑醛基，具有很高的活性。戊二醛濃度的增加，使再生纖維素纖維分子鏈上的羥基與其醛基充分反應(yīng)，分子鏈段間的作用力增強(qiáng)，交聯(lián)度增加，所以纖維力學(xué)性能提高。當(dāng)交聯(lián)劑戊二醛用量增加到一定值后，交聯(lián)點(diǎn)密度過(guò)大，限制了分子間的滑動(dòng)，從而宏觀上表現(xiàn)出纖維力學(xué)性能有所下降，隨著交聯(lián)劑戊二醛用量繼續(xù)增大，殘存于纖維中未反應(yīng)的交聯(lián)劑起到了類(lèi)似于惰性材料的作用，也會(huì)使得纖維力學(xué)性能降低。當(dāng)交聯(lián)劑戊二醛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，交聯(lián)的再生纖維素纖維斷裂強(qiáng)度達(dá)到最大值，為3.2 cN/dtex。

圖1 交聯(lián)劑濃度對(duì)再生纖維素纖維斷裂強(qiáng)度的影響Fig.1 Effect of crosslinking agent concentration on breaking strength of regenerated cellulose fiber

2.2 交聯(lián)反應(yīng)溫度

由圖2可看出，隨著反應(yīng)溫度的提高，再生纖維素纖維的力學(xué)性能逐漸增加。這是因?yàn)闇囟鹊奶岣呤沟迷偕w維素分子運(yùn)動(dòng)速度增加，促進(jìn)了反應(yīng)的進(jìn)行，所以適當(dāng)?shù)纳邷囟饶軌蛱岣叻磻?yīng)速率和反應(yīng)物質(zhì)的流動(dòng)性，提高交聯(lián)反應(yīng)的速度。但交聯(lián)反應(yīng)的速度有一定的限度，當(dāng)溫度達(dá)到一定值時(shí)，增加反應(yīng)溫度對(duì)纖維力學(xué)性能的影響不明顯，改性后的纖維斷裂強(qiáng)度在50℃附近出現(xiàn)最大值，在該溫度下的交聯(lián)效果最好。

圖2 交聯(lián)反應(yīng)溫度對(duì)再生纖維素纖維斷裂強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of crosslinking temperature on breaking strength of regenerated cellulose fiber

2.3 交聯(lián)反應(yīng)時(shí)間

從圖3可以看出，隨著交聯(lián)時(shí)間的增加，再生纖維素纖維的斷裂強(qiáng)度明顯增加，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為30 min時(shí)，纖維斷裂強(qiáng)度達(dá)到最大值，隨著反應(yīng)時(shí)間的繼續(xù)增加，纖維斷裂強(qiáng)度反而有所減低，隨后趨于平穩(wěn)。這是因?yàn)榻宦?lián)反應(yīng)剛開(kāi)始時(shí)，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，纖維素分子鏈上的羥基與交聯(lián)劑戊二醛的醛基結(jié)合增多，分子之間的作用力增大，進(jìn)而纖維力學(xué)性能有所增加。隨著反應(yīng)的繼續(xù)，分子間的交聯(lián)鏈數(shù)增加，形成大量的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，纖維間的交聯(lián)點(diǎn)密度增加，拉伸時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中，使纖維變脆，導(dǎo)致纖維力學(xué)性能下降。

圖3 交聯(lián)反應(yīng)時(shí)間對(duì)再生纖維素纖維斷裂強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of crosslinking time on breaking strength of regenerated cellulose fiber

3 結(jié)論

a.交聯(lián)后的再生纖維素纖維斷裂強(qiáng)度有明顯的提高，并且隨著戊二醛濃度的增加呈現(xiàn)先增大后減小，而后變化趨于平緩的趨勢(shì)。

b.交聯(lián)后的再生纖維素纖維斷裂強(qiáng)度在50℃附近出現(xiàn)最大值，溫度過(guò)高或者過(guò)再生纖維素纖維的改性效果都不明顯。

c.隨著交聯(lián)反應(yīng)時(shí)間的增加，再生纖維素纖維的斷裂強(qiáng)度增加，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為30 min時(shí)，斷裂強(qiáng)度達(dá)到最大值，之后隨著反應(yīng)時(shí)間的繼續(xù)增加，斷裂強(qiáng)度有所減低，隨后趨于平穩(wěn)。

d.最佳的交聯(lián)條件為戊二醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%，溫度為50℃，時(shí)間為30 min，在該條件下的再生纖維素纖維的斷裂強(qiáng)度達(dá)3.2 cN/dtex。

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Crosslinking modification of regenerated cellulose fiber by glutaraldehyde

Xu Dezeng，Li Dan，Xu Lei
(College of Textile and Materials Engineering，Dalian Polytechnic University，Dalian116034)

Lignocellulose was dissolved using 1-butyl-3-methylimidazolium chloride ionic liquid as the solvent and spun into regenerated cellulose fiber，which was subjected to crosslinking modification in presence of glutaraldehyde.The effects of crosslinking modification conditions on the mechanical properties of regenerated cellulose fiber were studied.The results showed that the breaking strength of regenerated cellulose fiber was greatly improved after crosslinking modified with glutaraldehyde.The breaking strength of regenerated cellulose fiber was 3.2 cN/dtex when the crosslinking conditions were as followed:glutaraldehyde mass fraction 4%，reaction temperature 50℃ and time 30 min.

cellulose;regenerated cellulose fiber;ionic liquid;glutaraldehyde;crosslinking;mechanical properties

TQ341.9

A

1001-0041(2012)04-0027-03

2011-11-09;修改稿收到日期:2012-06-08。

徐德增(1954—)，男，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾滦透叻肿硬牧显诨瘜W(xué)纖維改性方面的應(yīng)用。E-mail:xudz@dlpu.edu.cn。