脂肪胺聚氧乙烯醚/聚丙烯酰胺/粘膠共混纖維及其性能

王　兵，張宜明，鄭燕坪，林　義，尚書勇（.宜賓學院博士后創新實踐基地，四川宜賓644007；.四川大學紡織研究所，四川成都60065）

脂肪胺聚氧乙烯醚/聚丙烯酰胺/粘膠共混纖維及其性能

王兵1，張宜明1，鄭燕坪2，林義2，尚書勇1
（1.宜賓學院博士后創新實踐基地，四川宜賓644007；2.四川大學紡織研究所，四川成都610065）

采用不同的添加物與粘膠原液進行共混紡絲，探討了添加物及其濃度、組成和分子量等參數對纖維可紡性、纖度和力學性能的影響，制備了可紡性好、纖度較小、斷裂強度較高、斷裂伸長率較低的粘膠纖維，并通過正交試驗驗證了該工藝參數.結果顯示：當所選用添加劑為脂肪胺聚氧乙烯醚/聚丙烯酰胺（PAE/PAM）、PAE/PAM濃度為3％、PAE/PAM比為1/1、PAM分子量為2 500萬時，可得粘膠原液可紡性好、纖維纖度為286 dtex、斷裂強度為2.16CN·dtex-1、斷裂伸長率為15.1％的粘膠纖維，與普通粘膠纖維相比較，其纖度降低了9.78％，斷裂強度提高了11.9％，斷裂伸長率降低了15.6％.

粘膠纖維；纖度；可紡性；斷裂強度；斷裂伸長率

Wang B,Zhang YM,Zheng YP,etal.Preparation and Properties of Polyoxyethylene Alkyl Amine/Polyacrylamide/Vis?cose Blend Fibers[J].Journalof Yibin University,2015,15（6）：6-9.

粘膠纖維是一種歷史悠久、技術成熟、產量巨大、用途廣泛的再生纖維素纖維，與合成纖維相比，具有原料來源廣泛，吸濕透氣性好、染色性好、穿著舒適、不易產生靜電、生物降解性能優良和不會污染環境的特點[1]，自問世以來在國際市場上一直以優異的性能而具有較強競爭力，深受世人喜愛.但其斷裂強度較低、尺寸穩定性不足、服用性能較差等缺點，在一定程度上限制了粘膠纖維的使用[2].盡管以粘膠纖維中強度較高的Polynosic纖維和Modal纖維等為代表的高濕模量類纖維先后研發成功，其干濕強度和尺寸穩定性等都得到了很大的提高，但在紡速、勾結強度、耐磨和耐折性能、斷裂伸長率等方面存在一定的缺陷而不適宜與合成纖維混紡[3].再有，我國在溶劑回收、設備制造、成本投入、環境保護等方面與國外尚有一定的差距，很多大規模工業化生產和應用的關鍵技術尚未攻克[4].因此，就如何提高普通粘膠纖維的強度而不影響其它性能成為當前急需解決的問題.

近年來，國內外許多研究者在這方面做了大量的工作，如將低分子量的纖維素漿粕改為純度高、雜質少、分子量高的纖維素漿粕、改溶劑為有機溶劑或其它無機溶劑[5]、改變凝固浴中金屬離子濃度或添加金屬離子、延長絲條在凝固浴中的停留時間[6]、接枝改性纖維[7]等一系列措施來增強粘膠纖維的強度，其主要體現在改變傳統原料、溶劑、凝固浴、后整理和紡絲工藝參數等方面[8].從近年來綜合實踐應用方面來看，上述研究工作大多生產工藝復雜，且價格昂貴，不利于現代化工業生產.

因此，考慮普通粘膠纖維的技術可行性和商業經濟性，分別將脂肪胺聚氧乙烯醚（PAE）、聚丙烯酰胺（PAM）、PAE/PAM的堿性溶液與紡絲粘膠原液（紡絲原液）混合在一起進行注射紡絲，在不改變紡絲原液可紡性能和適當降低纖維斷裂伸長率的條件下提高粘膠纖維的斷裂強度，著重分析PAE/PAM含量和成分的變化對共混紡粘膠纖維各項性能的影響，以找出最佳的混紡比，為粘膠纖維的產品開發和生產實踐提供參考.

1　實驗

1.1實驗原料

PAM、PAE和NaOH均為工業品，來自成都科龍化學試劑廠.木漿粘膠原液由四川某公司提供，其性能參數：NaOH 5.6％，α-纖維素8.9％，酯化度49％，溫度52℃，10％NH4Cl熟成度值11m l，粘度（落球粘度）48 s，黃色液體.

1.2工藝路線

（1）在52℃下，先配制PAM、PAE、PAE/PAM濃度均為5％的溶液，該溶液中NaOH濃度為5.6％.（2）將（1）中所得溶液經注射系統打入紡絲系統中，再經混合、過濾、脫泡后進行紡絲和后處理，其工藝流程示意圖1所示：

圖1　PAE/PAM/粘膠共混纖維工藝流程圖

1.3性能表征

性能測試均需在實驗用標準大氣，即溫度（20± 2）℃，相對濕度（65±2）％條件下平衡24 h，并在此條件下進行測試.纖維的纖度采用中段切斷法測定，纖維的斷裂強度和斷裂伸長率采用YG001A型纖維電子強力儀測定.

2　結果與討論

2.1單因素分析與討論

2.1.1添加物影響

在紡絲共混原液中，當添加物PAE、PAM和PAE/PAM濃度均為3％（相對粘膠原液中α-纖維素的質量百分比）、PAE/PAM質量比為1/1、PAM分子量為2 500萬的條件下，參照空白樣標準，實驗結果如表1所示.

表1　添加物對粘膠纖維性能的影響

由表1可知，添加物為PAE、PAM和PAE/PAM時，粘膠原液的可紡性均較好.這主要是由于少量PAE、PAM和PAE/PAM等高分子物質的添加對紡絲原液過濾性能和粘度變化影響較少的緣故.

再有，相比空白樣纖維，添加物為PAE、PAM和PAE/PAM時所得纖維的纖度有一定程度的降低，分別降低了0.95％、9.46％和9.78％.這是因為PAE、PAM、PAE/PAM的加入，不僅導致紡絲原液中堿纖維素濃度降低外，還因PAE、PAM與堿纖維素大分子之間的相互作用較原液中堿纖維素與堿纖維素大分子之間的相互作用有一定差異的緣故，導致原液在紡絲凝固過程中，部分PAE或PAM從紡絲原液中脫離出來，再有PAM在堿性原液中存在一定的水解反應[9]，提高了PAM在堿性溶液中的溶解度，以上三個方面的原因均降低了纖維中高分子物質的含量，有利于粘膠纖維的纖度下降.

另外，較空白樣纖維，添加物為PAE、PAM和PAE/PAM時所得纖維斷裂強度依次增加，分別增加了2.07％、5.7％和11.92％；同時，其斷裂伸長率也依次得到了一定程度的降低，分別降低了8.94％、13.41％和10.06％，其主要原因是PAE的分散作用和PAM主鏈上的酰胺基團發生水解后與纖維素大分子上的羥基基團相互作用，形成了局域空間網狀結構[10]，改善了纖維的皮芯層結構，提高了纖維結構的均勻性所致.

此外，由表1可知，使用PAE/PAM共混改性粘膠纖維所得纖維的綜合性能較單獨使用PAE、PAM所得纖維的性能更佳，這主要是PAE與PAM協同作用的原因，PAE作為分散劑具有改善原液的過濾性能，提高了PAM在粘膠原液中的均勻度的作用；而PAM由于分子鏈中含有多種官能團，不僅可與纖維上的羥基產生分子間的相互作用，而且PAM與PAM之間和PAM與纖維間形成了氫鍵，具有提高纖維斷裂強度、改善纖維斷裂伸長率的作用.

2.1.2濃度影響

在紡絲共混原液中，當添加物為PAE/PAM、PAE/PAM質量比為1/1，PAM分子量為2 500萬的條件下，改變紡絲共混原液中PAE/PAM濃度，實驗結果如表2所示.

表2　PAE/PAM濃度對PAE/PAM/粘膠纖維性能的影響

由表2可知：隨添加物PAE/PAM濃度增加，紡絲原液可紡性逐漸降低，粘膠纖維的纖度逐漸降低，斷裂強度先提高后降低，斷裂伸長率逐漸減少.

粘膠原液可紡性降低主要是由于PAE/PAM在紡絲原液中的作用不同所產生的.當PAE/PAM濃度較低（1％～3％）時，PAE分散作用占優，有利于提高粘膠原液的均勻度，增強粘膠原液的可紡性.當PAE/PAM濃度較高（4％～6％）時，PAM對堿纖維素絮凝作用占優，在此范圍內，隨PAE/PAM濃度增加，PAM絮凝作用逐漸增強，當PAE/PAM濃度達到5％后，雖然PAE的分散作用也得到了一定程度提高，但PAM含量增大使其紡絲液粘度極大地增加，可導致粘膠原液過濾困難；另外，由于化學結構不同，PAM是柔性鏈，且為高分子量，而纖維素是半剛性鏈，由于“大合作效應”，分子量很大而引起相容性的顯著變化，和“熵不溶性”可能使混合體系出現相分離，導致紡絲原液中粒子直徑增大，出現粘膠原液過濾困難、噴絲頭堵住和絲條斷頭等可紡性較差的現象[11-12].

粘膠纖維纖度降低主要是由于部分PAM水解和粘膠原液在紡絲過程中由液相向固相轉變的進程中，部分PAE和PAM從原液中脫離出來進入了紡絲凝固浴中，導致所得粘膠纖維中有效高分子濃度降低，從而出現了纖維纖度從318 dtex降低到277 dtex的現象.

纖維斷裂強度和斷裂伸長率變化的原因主要是PAM與纖維之間的氫鍵結合的差異所產生的[13].當PAE/PAM濃度較低時，隨PAE/PAM濃度增加，PAE濃度增大，利于PAM與堿纖維素的分散均勻，增加了PAM分子鏈上酰胺基團、部分PAM水解產生的羥基、胺基與纖維羥基之間的相互作用[14]，加大了粘膠纖維的空間網絡結構，從而提高了纖維的斷裂強度，降低了纖維的斷裂伸長率；當PAE/PAM濃度進一步增大時，PAM的絮凝作用增大，同時也增大了柔性高分子PAM與PAM之間的作用機率，降低了紡絲原液的均勻性，提高了纖維的緊度，導致纖維脆性增大，容易出現斷裂強度明顯下降，纖維斷裂伸長率顯著降低的現象.從表2可知，僅當PAE/PAM濃度為3％時，此時的紡絲原液可紡性好，所得纖維具有纖度較小、斷裂強度較大和斷裂伸長率較低的特點.

2.1.3物質比影響

當其它紡絲條件不變時，改變紡絲共混原液中PAE/PAM質量比，實驗結果如表3所示.

表3　PAE/PAM質量比對PAE/PAM/粘膠纖維性能的影響

由表3可知：隨添加物PAE/PAM質量比增大，紡絲原液可紡性逐漸提高，纖度顯著增加，斷裂強度先增加后減少，斷裂伸長率逐漸增大.這主要由于在粘膠纖維共混原液中，PAM分子鏈是柔軟的，其高分子鏈容易綣曲成球形，未水解的PAM分子在溶液容易綣曲成一團，分子鏈上的活性基團不能充分伸展[15]；而部分發生水解的PAM容易展開起到吸附和絮凝作用.當PAE/PAM質量比較低時，PAE濃度較小，分散作用有限，在共混原液系統中容易出現固溶膠粒子數和粒子直徑增大的現象，導致原液過濾困難，出現紡絲原液可紡性降低的現象；另一方面，過多的PAM互纏結而導致溶液粘度增大，所得成品纖維容易發生較大范圍內的局部空間網絡交聯而導致紡絲原液的可紡性降低[16]，致使所得纖維發硬，脆性增大，出現纖維斷裂強度和斷裂伸長率較低的現象，降低了纖維的力學性能.隨PAE/PAM質量比增加，PAE濃度增大，PAM濃度降低，PAE的分散作用增強，PAM的絮凝作用減弱，PAM與纖維素之間的作用得到適當降低，原液中膠粒之間的團聚現象逐漸得到改善，紡絲原液的均勻性提高；隨PAE/PAM質量比進一步加大；當PAE/PAM質量比大于1/1時，溶液中能起到空間交聯結構的PAM不夠，導致纖維強度降低和斷裂伸長率增大.因此，僅當PAE/PAM質量比為1/1時，所得纖維性能最佳.

2.1.4PAM分子量影響

當其它紡絲條件不變時，改變紡絲共混原液中PAM分子量，實驗結果如表4所示.

表4　PAM分子量對PAE/PAM/粘膠纖維性能的影響

由表4可知：隨著PAM分子量增加，粘膠原液可紡性幾乎沒有變化，而粘膠纖維的纖度逐漸增加，但增加程度較小，斷裂強度顯著提高，斷裂伸長率逐漸減少.

可紡性較好的原因主要是：當PAE/PAM濃度為3％，PAM分子量在600萬～2 500萬范圍內變化時，雖PAM水解程度存在一定的差異，容易出現交聯點數量不同的現象，但尚未達到形成交聯體聚合物的條件，此時紡絲原液的流動性和粘度變化依舊較小，仍在紡絲原液可紡性較好的變化范圍內.

纖維纖度變化的原因，主要是紡絲原液在凝固浴中從液相凝固為固相的過程中，部分分子量較小的PAM較分子量較大的PAM與原液中纖維素的相互作用點少、作用力較低而容易脫離出來所致.而纖維斷裂強度和斷裂伸長率的變化主要是PAM與纖維素之間結合的差異引起的[17]，在紡絲原液的堿性條件下，隨著PAM分子量增加，PAM主鏈上酰胺基團數量增加，酰胺基水解為羧酸基的數量和程度均增加，由于電荷的作用使其分子鏈比較伸展[18]，與纖維素分子鏈上的羥基作用點增加，有利于PAM與纖維之間的作用力增大和部分空間網絡結構的形成，從而也有利于纖維斷裂強度的提高和斷裂伸長率減少.

2.2正交試驗

在以上單因素實驗的基礎上，添加物為PAE/PAM，以添加物濃度、添加物質量比和PAM分子量為因子，以斷裂強度為目標，采用L9（34）正交實驗優化共混粘膠纖維工藝條件，實驗結果見表5.

表5　正交試驗結果與分析

經正交試驗設計表5分析可知，影響纖維斷裂強度和斷裂伸長率的主次順序一致，依次為PAE/PAM濃度、PAE/PAM質量比、PAM分子量.從纖維斷裂強度和斷裂伸長率二方面綜合考慮，共混粘膠原液紡絲的最佳方案為A2、B2、C3，證實了上述單因素實驗的最佳參數，在選用PAE/PAM添加物的條件下，最佳工藝參數為：PAE/PAM濃度3％、PAE/PAM為1/1、PAM分子量2 500萬，粘膠纖維共混原液可紡性最佳，此時所得纖維的斷裂強度為2.16 CN·dtex-1，斷裂伸長率為15.1％，在此參數下所得纖維的斷裂強度和斷裂伸長率均較好（斷裂伸長率的過高或過低均不利于后端加工的要求），與普通粘膠纖維相比較，其纖度降低了9.78％，斷裂強度提高了11.9％，斷裂伸長率降低了15.6％.

3　結論

PAE/PAM/粘膠纖維是普通粘膠纖維的改性纖維，它具有PAM的高吸濕性和纖維素纖維的特點，并且改善了普通粘膠纖維一直難于解決的強度過低和伸長率較高的缺點，在粘膠纖維原有的基礎上面，增添了粘膠纖維的品種.

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（編校：王露）

Preparation and Propertiesof Polyoxyethylene Alkyl Am ine/Polyacrylam ide/Viscose Blend Fibers

WANGBing1,ZHANGYiming1,ZHENGYanping2,LIN Yi2,SHANGShuyong1
（1.Innovation and Practice Base forPostdoctors,Yibin University,Yibin,Sichuan 644007,China；2.Textile Institute,Sichuan Universi?ty,Chengdu,Sichuan 610065,China）

The viscose fiberswere prepared by blending spinning solutionswith differentadditivesand viscose.Effectsof additive species,concentration,composition andmolecularweighton the fiber spinnability,size andmechanical proper?tieswere discussed and optimized.The fiberswith good spinnability,small size,high breaking strength,and low elonga?tion were prepared,and the process parameterswere verified by orthogonal test.The results show thatunder the condition that the additive was polyoxyethylene alkyl amine/polyacrylamide（PAE/PAM）,concentration of PAE/PAM was 3％, PAE/PAM ratiowas 1/1,PAMmolecularweightwas 25million,the viscosemay have good spinnability and the fiber size was 286 dtex and breaking strength was 2.16 CN·dtex-1,elongation atbreak was 15.1％.Compared with ordinary viscose fiber,itssizewas reduced by 9.78％,breaking strength increased by 11.9％and elongation atbreak decreased by 15.6％.

viscose fiber；size；spinnability；breaking strength；elongation atbreak

TQ342

A

1671-5365（2015）06-006-04

2015-03-16修回：2015-03-19

中國博士后科學基金資助項目（20110491711）；四川省科技廳支撐計劃資助項目（2012GZ0114）；四川省教育廳資助項目（14ZB0287）；宜賓市引進高層次人才資助項目（2010YG02）；宜賓學院重點科研資助項目（2013QD01）

王兵（1978-），男，工程師，博士，研究方向為材料結構與性能

網絡出版時間：2015-03-23 16：48網絡出版地址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/51.1630.Z.20150323.1648.002.html

引用格式：王兵，張宜明，鄭燕坪，等.脂肪胺聚氧乙烯醚/聚丙烯酰胺/粘膠共混纖維及其性能[J].宜賓學院學報,2015,15 （6）：6-9.