日光輻照對粘膠纖維性能的影響

林燕萍

(江西服裝學院，南昌　330201)

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日光輻照對粘膠纖維性能的影響

林燕萍

(江西服裝學院，南昌330201)

摘要：通過模擬日光對普通粘膠纖維和阻燃粘膠纖維進行輻照處理，分析輻照對粘膠纖維性能的影響。結果表明：經過輻照處理，纖維的相對平均分子量、聚合度、極限氧指數、結晶度及熱學性能均有不同程度的下降；除熱失重質量殘存率外，阻燃粘膠纖維各項性能的下降幅度均高于普通粘膠纖維；纖維的斷裂強度隨著輻照時間的增加不斷下降，而斷裂伸長率隨著輻照時間的增加而不斷上升；普通粘膠纖維與阻燃粘膠纖維力學性能變化速率的最大區間分別在150～300h與50～150h。

關鍵詞：粘膠纖維；日光輻照；分子結構；熱學性能；力學性能

0　引　言

粘膠纖維是開發利用較早的人造纖維，具有吸收回潮、清爽光滑及易上色等顯著優點，備受廣大消費者的喜愛[1]。近年來，隨著技術的不斷發展，不同種類的功能性粘膠纖維相繼被開發出來，其中最受關注的是阻燃粘膠纖維[2]。阻燃粘膠纖維由于極限氧指數較高，能夠有效阻燃，廣泛應用于高檔家居面料及特殊防護織物。本文通過模擬日光輻照，分析粘膠纖維在日光條件下的使用性能，為開發抗日光輻照織物提供一定的參考依據。

1　實　驗

1.1實驗材料

普通粘膠纖維及阻燃粘膠纖維(纖維規格：1.36dtex/33mm，吉林化纖股份有限公司，其中阻燃粘膠纖維屬于磷系阻燃粘膠纖維)、丙酮(膠州市富田化工有限公司)、濃硫酸(質量分數為98%，河南省新鄉市中原有機化工有限責任公司)，以上化學試劑均為分析純。

1.2實驗儀器

T60標準光源箱(D65國際標準人工日光：色溫為6500K，功率為18W，深圳市天友利標準光源有限公司)、Innov-X Delta DPO2000便攜式手持光譜儀(北京斯普瑞設備有限公司)、NDJ-1旋轉粘度計(上海滬粵明科學儀器有限公司)、CPA224S賽多利斯萬分之一電子天平(德國賽多利斯集團)、K-R2406S-極限氧指數儀(蘇州凱特爾儀器設備有限公司)、XQ-1型纖維強伸度儀(常州第二紡織儀器廠有限公司)、GDSJ-80小型恒溫恒濕試驗箱(北京恒泰豐科試驗設備有限公司)、CT-C熱風循環烘箱(常州市常溪干燥設備有限公司)、NETZSCH STA409PC同步熱分析儀(德國耐馳儀器制造有限公司)、XRD-7000型X射線衍射儀(島津公司)。

1.3實驗方法

1.3.1日光輻照處理

按照1∶15的浴比，將普通粘膠纖維及阻燃粘膠纖維投入丙酮溶液中，在丙酮溶液中浸泡30min。利用丙酮除去普通粘膠纖維及阻燃粘膠纖維的表面油劑及雜質(本文實驗中普通粘膠纖維及阻燃粘膠纖維均經丙酮溶液處理)。將經過丙酮溶液浸泡后的普通粘膠纖維及阻燃粘膠纖維取出，在通風陰涼處晾干后，放置到GDSJ-80小型恒溫恒濕試驗箱，在105℃下干燥至恒重。稱取普通粘膠纖維及阻燃粘膠纖維各10g，每種纖維共稱取6份。

將稱取好的普通粘膠纖維及阻燃粘膠纖維分別放置到T60標準光源箱中，設置T60標準光源箱為D65標準光源，使用Innov-X Delta DPO2000便攜式手持光譜儀測試纖維周圍的光照強度，測試結果為2900 lux，光照強度非常接近自然太陽光的輻照強度，可以用D65標準光源模擬自然太陽光。將普通粘膠纖維及阻燃粘膠纖維在溫度20℃，相對濕度為65%的環境中分別放置50、150、300、500、750h，在每個實驗點分別取出1份待用。

1.3.2聚合度的測試

分別稱取未經模擬日光輻照處理和經輻照處理50、150、300、500、750h的普通粘膠纖維及阻燃粘膠纖維各0.5g，投入濃硫酸中，使用玻璃棒不斷攪動，直至普通粘膠纖維及阻燃粘膠纖維完全溶解在濃硫酸中，配成普通粘膠纖維及阻燃粘膠纖維質量分數為1%的硫酸溶液。依據GB/T 1632—1993《聚合物稀溶液粘數和特性粘數測定》，在溫度為30℃的恒溫水浴中使用NDJ-1旋轉粘度計測試普通粘膠纖維及阻燃粘膠纖維的粘度η[3]，通過以上每種處理方式，對普通粘膠纖維及阻燃粘膠纖維測試3次，取其平均值并計算特性粘度[η][4]，計算方法見式(1)。根據式(2)及式(3)計算普通粘膠纖維及阻燃粘膠纖維的平均相對分子量Mη和平均聚合度DPη[5-6]。

(1)

(2)

DPη=Mη/238

(3)

式中：[η]表示特性粘度，ηsp表示增比粘度，ηr表示相對粘度，c表示溶液濃度。

1.3.3極限氧指數測試

使用K-R2406S-極限氧指數儀，依據GB/T5454—1997《紡織品 燃燒性能試驗 氧指數法》測試未經模擬日光輻照處理和經輻照處理50、150、300、500、750h的普通粘膠纖維及阻燃粘膠纖維的極限氧指數。實驗條件：溫度為20℃，相對濕度為50%；氣體供給流量在10L/min，輸入壓力為0.3MPa，工作壓力為0.1MPa。

1.3.4X衍射儀分析

將未經模擬日光輻照處理和經輻照處理750h的普通粘膠纖維及阻燃粘膠纖維剪成碎末狀，制作成纖維碎末壓片。使用島津XRD-7000型X射線衍射儀對普通粘膠纖維及阻燃粘膠纖維進行掃描測試。測試條件：Cu靶，Ni濾波，Kα射線波長為0.154nm，掃描范圍為5°～45°，掃描速度為2°/min。

1.3.5熱重分析

將未經日光輻照處理和經輻照處理750h的普通粘膠纖維及阻燃粘膠纖維剪成碎末狀，使用NETZSCH STA409PC同步熱分析儀，在氮氣保護條件下測試，并分別測得未經日光輻照處理和經輻照處理750h的普通粘膠纖維及阻燃粘膠纖維的熱重曲線，升溫速率為20℃/min，實驗測試溫度范圍為室溫至600℃。

1.3.6力學性能測試

將模擬日光輻照處理的各個實驗時間點的普通粘膠纖維及阻燃粘膠纖維，放置到GDSJ-80小型恒溫恒濕試驗箱中，在溫度20℃、相對濕度65%環境下平衡24h。使用XQ-1型纖維強伸度儀，測定各個實驗時間點普通粘膠纖維及阻燃粘膠纖維的斷裂強度及斷裂伸長率。XQ-1型纖維強伸度儀實驗參數：纖維拉伸夾持長度為10mm，纖維拉伸速度為20mm/min，纖維的初始張力為0.2cN。每個實驗時間點的普通粘膠纖維及阻燃粘膠纖維測試100根，排除異常測試結果，取平均值。測試纖維濕態強度時，將纖維放置到蒸餾水中浸泡3min后取出，按上述實驗參數進行測試。

2　結果與討論

2.1聚合度及極限氧指數

聚合度及極限氧指數相關指標測試結果如表1所示。從表1可以明顯看出，經過模擬日光輻照處理50、150、300、500、750h后，普通粘膠纖維及阻燃粘膠纖維的相對平均分子量、聚合度與極限氧指數均有不同程度的下降。模擬日光輻照處理750h時，普通粘膠纖維及阻燃粘膠纖維的相對平均分子量、聚合度下降幅度分別為23.6%與31.1%，而極限氧指數的下降幅度分別為17.4%和28.2%。從上述計算結果可知，模擬日光輻照處理對阻燃粘膠纖維的影響更大，下降幅度分別比普通粘膠纖維高7.5%與10.8%。這是由于光量子的能量高于纖維素大分子間化學鍵結合力，當光量子在纖維中的能量積累達到一定程度時，造成纖維內部電子的能級躍遷，產生羰基化合物，使得粘膠纖維中的長鏈斷裂，從而造成纖維的平均相對分子量與聚合度的下降。而對阻燃粘膠纖維而言，由于該阻燃粘膠纖維屬于磷系阻燃粘膠，當光量子的能量積累偏磷酸與粘膠纖維分相嚴重，致使阻燃粘膠纖維的平均相對分子量與聚合度的下降幅度高壓平均粘膠纖維。而極限氧指數，由于輻照致使的能量積累，使得偏磷酸與纖維分子分相，致使聚偏磷酸難以有效聚合形成非燃性液態膜而隔絕空氣，使得極限氧指數的下降幅度大于普通粘膠纖維。

表1聚合度及極限氧指數相關指標測試結果

輻照時間/h普通粘膠相對平均分子量聚合度極限氧指數/%阻燃粘膠相對平均分子量聚合度極限氧指數/%015422464818.412471252429.85014922662718.112185651229.515014089859217.611566848628.730012994854616.910448243927.450012257051516.19567640224.575011781049515.28591839121.4

2.2X衍射

圖1　粘膠纖維X衍射曲線注：X衍射曲線從上到下依次是：未經日光輻照處理的普通粘膠纖維，經日光輻照750h處理的普通粘膠纖維，未經日光輻照處理的阻燃粘膠纖維，經日光輻照750h處理的普通粘膠纖維。

使用分峰軟件對所測纖維的X衍射曲線進行分峰，并計算分峰曲線的積分面積。利用式(4)[7]計算粘膠纖維的結晶度。由計算可得，輻照處理前后普通粘膠纖維及阻燃粘膠纖維的結晶度分別為36.2%、26.5%和30.4%、19.6%，分別下降了8.7%和10.8%。由此可知，經過日光輻照處理，粘膠纖維的結晶度下降，無定型比例增加，這也是纖維極限氧指數下降的原因。

(4)

其中：Cr表示纖維結晶度，Sa表示纖維的無定形峰的面積，Sc表示結晶峰的面積。

2.3熱重分析

未經模擬日光輻照處理和經輻照處理750h的普通粘膠纖維及阻燃粘膠纖維的TG曲線如圖2所示。從圖2可以明顯看出，輻照處理前后，普通粘膠纖維及阻燃粘膠纖維的TG曲線的走勢大致保持相同。這是由于輻照處理前后纖維的分子結構的晶型并未發生改變，經過輻照處理，纖維的結晶度降低，纖維的無定型區增加，使得纖維大分子結構的穩定性降低，因而在輻照處理后，纖維的質量殘存率明顯降低。

TG曲線可以分為4個階段進行分析，分別是0～120℃、120～300℃、300～360℃與360～600℃。第1階段的質量下降主要原因是由于纖維內部的結合水與吸附水的揮發引起的；第2階段的質量下降則是由于纖維素分子中葡萄糖基開始脫水引起的；第3階段的質量下降是由于纖維結構中糖甙鍵等大分子鏈段開始斷裂和滑移，該過程也是纖維吸收的主要階段；第4階段則是纖維為了保持內部分子結構的穩定而結構趨于芳環化。從圖2中可以看出，輻照前后阻燃粘膠纖維的質量殘存率19.72%與18.01%，而普通粘膠的質量殘存率分別為12.97%與11.55%。從上述數據可知，阻燃粘膠纖維的質量殘存率下降幅度高于普通粘膠纖維，但殘存率依然高于普通粘膠纖維，這是由于阻燃粘膠纖維中的阻燃劑在高溫情況下，會脫水而促使左旋葡萄糖裂解而進一步脫水生成偏磷酸，從而聚合成穩定性較強的聚偏磷酸以保持結構的穩定性[8]。

圖2　粘膠纖維TG曲線注：TG曲線從上到下依次是：未日光輻照經處理的阻燃粘膠纖維，經日光輻照750h處理的普通粘膠纖維，未日光輻照經處理的普通粘膠纖維，經日光輻照750h處理的普通粘膠纖維。

2.4力學性能

模擬日光輻照處理的各個實驗時間點的普通粘膠纖維及阻燃粘膠纖維力學性能測試結果如表2所示(表2中未經模擬日光輻照處理的粘膠纖維標記為經模擬日光輻照處理0h)。分別作斷裂強度與斷裂伸長率與日光輻照時間關系曲線如圖3所示。從圖3可以明顯看出，隨著日光輻照時間的增加，普通粘膠纖維及阻燃粘膠纖維斷裂強度不斷下降，而斷裂伸長率不斷增加。這是由于日光的輻照處理使得纖維的聚合度下降，從而導致纖維的均端末方距下降，進而使得纖維的力學性能下降，同時由于輻照原因，致使纖維的結晶度下降，無定型區增加，大分子結構的穩定性受到破壞，也是造成纖維力學性能下降的一個重要原因。

對斷裂強度和斷裂伸長率與輻照時間的關系曲線進行擬合，得式(5)—式(12)。對式(5)—式(12)求導，可知普通粘膠纖維的斷裂強度與斷裂伸長率變化速率最大的區間在150～300h，而阻燃粘膠纖維的斷裂強度與斷裂伸長率變化速率最大的區間在50～150h。這是由于阻燃劑的加入使得阻燃粘膠纖維的聚合度與結晶度低于本身低于普通粘膠纖維，而阻燃粘膠纖維中的磷系阻燃劑在輻照的情況下，更容易與空氣中的氧氣發生氧化反應，因此分子結構鏈段的破壞需要的能量更小。同時，從擬合公式可以推導出，在濕態情況下，纖維的力學性能變化幅度高于在干態條件下，這是由于在水分子的溶脹作用，纖維大分子間的分子間作用力削弱，更容易發生分子鏈間的相對滑移。

(5)

(6)

+16.6218

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

y8=-15.3757x2+0.0566x+30.5651

(12)

其中：x為日光輻照時間，h；y1為普通粘膠纖維干態斷裂強度，cN·dtex-1；y2為普通粘膠纖維濕態斷裂強度，cN·dtex-1；y3為阻燃粘膠纖維干態斷裂強度，cN·dtex-1；y4為阻燃粘膠纖維濕態斷裂強度，cN·dtex-1；y5為普通粘膠纖維干態斷裂伸長率，%；y6為普通粘膠纖維濕態斷裂伸長率，%；y7為阻燃粘膠纖維干態斷裂伸長率，%；y8為阻燃粘膠纖維濕態斷裂伸長率，%。

表2粘膠纖維力學性能相關測試結果

輻照時間/h普通粘膠斷裂強度/(cN·dtex-1)斷裂伸長率/%干態濕態干態濕態阻燃粘膠斷裂強度/(cN·dtex-1)斷裂伸長率/%干態濕態干態濕態02.31.217.225.41.80.821.330.3502.11.118.227.11.60.722.933.11501.80.920.329.91.10.426.538.93001.20.524.636.30.80.330.344.35000.80.327.539.70.60.233.648.77500.50.229.842.50.30.136.451.8

圖3　粘膠纖維力學性能曲線注：a-干態普通粘膠纖維；b-干態阻燃粘膠纖維；c-濕態普通粘膠纖維；d-濕態阻燃粘膠纖維；

3　結　論

a) 普通粘膠纖維及阻燃粘膠纖維經過日光輻照處理，纖維的相對平均分子量、聚合度、極限氧指數、結晶度及熱學性能均有不同程度的下降，且阻燃粘膠纖維的相對平均分子量、聚合度、極限氧指數及結晶度下降幅度高于普通粘膠纖維，而熱學性能的質量殘存率下降幅度低于普通粘膠纖維。

b) 在實驗范圍內，普通粘膠纖維及阻燃粘膠纖維的斷裂強度隨著日光輻照時間的增加不斷下降，而斷裂伸長率隨著輻照時間點增加而不斷上升。普通粘膠纖維力學性能變化最大的區間在150～300h，而阻燃粘膠纖維變化速率最大的區間在50～150h。

參考文獻：

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(責任編輯：康鋒)

收稿日期：2015-08-28

作者簡介：林燕萍(1982-)，女，四川瀘州人，講師，碩士，主要從事功能性服裝設計與工藝的研究。

中圖分類號：TS102.51

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X(2016)03-0005-05

Effect of Solar Irradiation on the Performance of Viscose Fibers

LINYanping

(Jiangxi Institute of Fashion Technology, Nanchang 330201, China)

Abstract：Analyze the influence of irradiation on performance of viscose fibers by carrying out irradiation treatment for ordinary viscose fibers and flame retardant viscose fibers with simulated sunlight. Researches show that the relative average molecular weight, degree of polymerization of fiber, limiting oxygen index, crystallinity and thermal properties of viscose fibers are all decreased after irradiation treatment. What’s more, the decreasing amounts of all performances of flame retardant viscose fiber are larger than those of ordinary viscose fiber except thermo-gravimetric quality survival rate. The breaking strength of the fibers was constantly falling with the increase in irradiation time increasing while the elongation at break continuously rises with the increase in irradiation time. The maximum intervals of performance change rate of ordinary viscose fibers and flame retardant viscose fibers are 150～300h and 50～150h respectively.

Key words：viscose fiber; solar irradiation; molecular structure; thermal properties; mechanical properties