納米硫酸鋇/再生纖維素共混纖維制備及性能研究

劉津瑋，劉優昌

(青島市纖維紡織品監督檢驗研究院，山東 青島 266071)

納米硫酸鋇/再生纖維素共混纖維制備及性能研究

劉津瑋，劉優昌

(青島市纖維紡織品監督檢驗研究院，山東 青島 266071)

文章以粘膠紡絲液為基體溶液，納米硫酸鋇為添加劑，利用共混法，經濕法紡絲制備了一種新型復合纖維并研究了共混復合纖維的細度、橫縱向形態結構、機械力學性能、導電性能、耐水洗性能等指標。研究結果表明：納米硫酸鋇可以均勻地分布在纖維內部及表面，且納米硫酸鋇的加入對共混纖維的導電性、力學性能等影響較小，其耐水洗性較好。

粘膠纖維；納米硫酸鋇；共混法；復合纖維；性能指標

1 引言

硫酸鋇，又名重晶石，是一種無色無味的斜方晶系晶體或白色無定型粉末。它可用來做吸收X射線的材料，但考慮到大顆粒狀普通硫酸鋇對X射線的吸收不明顯，而且不易于與漿料均勻混合，現采用納米級硫酸鋇來做研究，由于納米材料具有明顯的納米效應，如量子尺寸效應、小尺寸效應、表面效應等[1,2]，這可以增大物質表面積，相比于普通硫酸鋇對X射線的光電吸收程度有了大幅增加[3]。因此本文選用納米硫酸鋇來做添加劑，而不采用普通硫酸鋇。另外，粘膠纖維又稱“人造棉”，具有一些與天然棉纖維類似的特殊性質，如抗靜電、吸濕性好、易染色、易于紡織加工，制成織物穿著舒適、花色鮮艷等[4]。

納米硫酸鋇/再生纖維素共混纖維是一種新型的復合纖維，可保持各組分獨特的性能，而且在原有材料獨特性能的基礎，通過相互之間的“協同作用” ，彌補單一材料的缺點，展現出單一組分材料所不具有的新性能。本文著重研究兩種材料共混復合纖維的機械力學性能、導電性能等各項性能指標。通過研究各項指標為進一步探究復合纖維的防X射線功能性研究打下理論基礎。

2 共混纖維制備

2.1 實驗原料與試劑

納米硫酸鋇粉末(平均粒徑小于100 nm)，粘膠紡絲液，氫氧化鈉(分析純)，濃硫酸(分析純)，無水硫酸鈉(分析純)，硫酸鋅(分析純)。

2.2 實驗設備

一套粘膠原液制備機、紡絲機、二浴槽、集束機、后處理工藝機、添加劑加入設備；KS-180EI超聲波清洗機；JJ-1電子攪拌器。

2.3 制備工藝

納米硫酸鋇/再生纖維素共混纖維簡單制備工藝流程如下：

漿粕→浸漬→壓榨→粉碎→老成→黃化→溶解→混合→過濾→脫泡→紡絲→牽伸→切斷→精練→烘干。

納米硫酸鋇乳液的制備：將一定量的納米硫酸鋇粉體和含量占溶液0.5%的十二烷基苯磺酸鈉(分散劑)加入到定量的水中混合攪拌20 min，隨后超聲分散30 min，得到分散均勻的納米硫酸鋇乳液。

粘膠紡絲液的制備：以纖維素漿粕為原料，用紡絲原液制備機經過浸漬、壓榨、粉碎、老成、黃化和溶解制得粘膠紡絲液。

紡絲原液的制備：將已制備的納米硫酸鋇乳液按硫酸鋇在整個溶液中所占質量分數10%、20%、25%添加到粘膠紡絲液中混合均勻，隨后經過熟成、脫泡、過濾，制得紡絲原液。

紡絲成型：采用濕法紡絲，經紡絲機將紡絲原液在15 g/L的硫酸鋅、230 g/L的硫酸鈉、110 g/L的硫酸組成的凝固浴紡絲成型，凝固浴溫度為50℃。

3 共混纖維性能研究

3.1 細度

纖維的細度對纖維的性能有重要的影響，不僅影響纖維伸長、剛柔性、斷裂強度、彈性及形變的均一性，同時也影響著織物風格以及纖維和織物的形成過程和用途。纖維紡紗工藝除與纖維的長度、卷曲性等有密切關系外，與纖維的細度也有著很大的關系。纖維的細度越細，紡出的成紗強度越高，另外，細度對紡成紗線的條干不勻率也有顯著的影響，纖維細度越細，成紗的條干越好，條干不勻率越低，形成的紗線質量越好。

3.1.1 試驗材料

常規粘膠纖維、納米硫酸鋇含量分別占10%、20%、25%的共混纖維。

3.1.2 試驗方法

中斷切斷稱重法：利用Y171型纖維切斷器切斷纖維長度為10 mm，電子天平稱重，根據細度定義計算纖維細度。

3.1.3 結果與分析

由表1中可以看出，隨著納米硫酸鋇含量的增加，細度有略微增大的趨勢，可推測在加入不同含量的納米硫酸鋇之后，由噴絲口噴絲時纖維發生了不同程度的擠出后脹大現象，導致成形纖維的細度不一致，且添加的納米硫酸鋇含量越高，纖維脹大程度越大。

表1 不同納米硫酸鋇含量的共混纖維的細度

3.2 橫截面及縱向形態結構

3.2.1 試驗準備

用哈氏切片器制作共混纖維的橫向切片，由雙面膠固定在載玻片上，噴金處理；縱向形態觀測將纖維束整理平整，同樣由雙面膠固定于載玻片上，噴金處理。采用JSM-840型掃描電鏡觀測共混纖維的橫、縱向形態。

3.2.2 結果與分析

圖1中所選為納米硫酸鋇含量占10%的共混纖維的橫截面圖片，由橫截面圖片可知，橫截面是不規則多邊形，具有一定的抗彎能力，其中白點為納米硫酸鋇粒子，較均勻地分布在再生纖維素基體中。

圖1 纖維橫截面放大5000倍形態

圖2中為納米硫酸鋇含量占10%的共混纖維的縱向形態圖片，由縱向形態可以看出纖維表面有不規則的凹槽，這有利于纖維的吸濕、放濕和導濕，但會對纖維的光澤和剛度等性能產生一定的影響；纖維基本沒有卷曲，白色納米硫酸鋇顆粒均勻分布于纖維表面。

3.3 纖維力學性能

纖維的斷裂強度、斷裂伸長與纖維的可紡性有著密切的關系。在其他條件一定時，一定范圍內纖維強度越高紡出的紗線強度越高，纖維的強度是纖維品質的重要指標之一。在通常情況下，纖維的伸長率愈大，纖維抵抗外力破壞的能力愈強，其制品也越柔軟，纖維伸長率是衡量纖維性能的又一重要指標。

3.3.1 試驗準備

粘膠纖維具有良好的吸濕性能，且吸濕后強力明顯下降，在研究纖維的力學性能時需對纖維吸濕后的力學性能進行測試，常規粘膠纖維、納米硫酸鋇含量占10%的共混纖維、納米硫酸鋇含量占20%的共混纖維、納米硫酸鋇含量占25%的共混纖維四種纖維需分別放于水中進行24 h濕處理。利用LLY-06E型電子式單纖維強力儀測試四種纖維在干態和濕態下的斷裂強力。

3.3.2 結果與分析

由表2中可以看出，共混纖維的濕強小于其干強，與純粘膠纖維一致，并且在一定范圍內，隨著納米硫酸鋇含量的增加，干濕強度及斷裂伸長率都越來越小。這可能由于硫酸鋇的加入削弱了分子間的作用力，使得纖維的力學性能降低，這可以從兩個方面做出解釋：一是無機納米粒子用量增大，粒子過于接近，銀紋組合成大的裂紋；二是納米粒子增多的同時，顆粒與顆粒之間易發生團聚現象，而這種團聚粒子表面的缺陷，則會引起基體材料損傷從而易產生應力集中，在外力作用時，團聚粒子會產生相互滑移而使體系性能變差。

表2 纖維干濕強度對比

3.4 纖維導電性能

纖維的導電性用比電阻來表征，這是纖維電學性能的一個重要指標，對預測纖維的可紡性能有著重要的作用。纖維在紡紗過程中，不可避免地在纖維與纖維，纖維與紡紗機器之間因摩擦而產生靜電，如果靜電電荷不及時散去，在纖維表面積聚，就會產生纖維粘連和纖維繞輥的現象，不利于紡紗的順利加工。

3.4.1 試驗設備

LCK-306電子式纖維比電阻測試儀，提前開機預熱；電子天平。

3.4.2 樣品準備

導電性試驗：需分別稱取15 g純粘膠纖維，納米硫酸鋇含量占10%的共混纖維，納米硫酸鋇含量占20%的共混纖維，納米硫酸鋇含量占25%的共混纖維供實驗用。

3.4.3 結果與分析

由表3中數據可以看出常規纖維的比電阻值要大于添加納米硫酸鋇的共混纖維的比電阻值，說明隨著納米硫酸鋇的加入纖維的導電性得到了一定的改善，這有利于紡紗中產生的靜電的及時散出。

表3 纖維比電阻

3.5 共混纖維耐水洗性

共混纖維的耐水洗性反映的是再生纖維素與無機納米硫酸鋇粒子之間的結合牢度，若耐水洗性能好，則纖維素與納米硫酸鋇粒子的結合能力強，納米硫酸鋇粒子不易因洗滌而造成太多的流失，也避免了造成納米硫酸鋇功能缺失，保證了共混纖維功能性的延續。

3.5.1 試驗設備

高溫電爐，附有溫度調節器，可保持溫度(725±25)℃；烘箱，附有恒溫控制裝置，允許誤差±2℃；電子天平，最小分度值0.001 g。

3.5.2 測試方法

對共混纖維進行不同次數的洗滌，在同一洗滌次數時做出5組平行樣(稱取每組質量之后求其平均值，以此將誤差縮小到最低)，將洗滌后的纖維烘干稱取重量，隨之在高溫電爐中(725±25)℃下灼燒，稱取殘留物重量，因纖維中只有硫酸鋇在高溫下不分解，其他有機成分燃燒為水、二氧化碳等,殘留物即是硫酸鋇，最后計算洗滌不同次數后的殘留物含量。

其中：A為殘留納米硫酸鋇的含量(%)，坩堝的重量a0(g)，烘干后坩堝和剪碎纖維的總重a1(g)，坩堝和灼燒后殘留物的總重量a2(g)。

3.5.3 結果與分析

從表4中數據可以看出，納米硫酸鋇/再生纖維素共混纖維隨著洗滌次數的增加，其共混纖維中剩余納米硫酸鋇含量降低，在觀測纖維的縱向形態時，可以看到部分納米硫酸鋇顆粒分布于纖維的表面，所以在洗滌時不可避免地會因為摩擦造成納米硫酸鋇顆粒的脫落。但結果表明在洗滌不同次數后纖維中納米硫酸鋇含量的變化很小，說明納米硫酸鋇和纖維素分子之間結合能力強，保證了共混纖維的防X射線功能的長久性。

表4 不同洗滌次數下共混纖維中納米硫酸鋇含量

4 結論

4.1 通過對纖維的形態及結構觀察可得，從同一個噴絲頭噴出的纖維的細度不一樣，觀察共混纖維的橫截面和縱向形態，可看到纖維表面有凹槽，納米硫酸鋇顆粒較均勻地分散在纖維中。

4.2 通過對纖維的導電性、力學性能進行測試可得，與常規粘膠纖維相比，在一定范圍內都有一定的下降，但不影響后續紡紗工藝的順利進行。

4.3 對共混纖維的耐水洗性進行測試，結果表明共混纖維中納米硫酸鋇的牢固性較好，具有很好的耐水洗性。

[1] Gryaznov V G，Trusov I. I. Size Effects in Micromechanics of Nanocrystals[J].Progress in Materials Science，1993，(37)：289—401.

[2] 張立德，牟秀美．納米材料和納米結構[M]．北京：科學出版社，2001.

[3] 劉吉華，許東彬，辛寅昌.利用CT掃描儀分析不同類型BaSO4對X射線的衰減規律[J].山東師范大學學報，2007，22(2)：66—68.

[4] 王培政.阻燃粘膠纖維性能研究[D].青島：青島大學，2005.

The Preparation and Performance Study of Nano Barium Sulfate/Regenerated Cellulose Blend Fibers

LiuJinwei,LiuYouchang

(Qingdao Institute of Textile Fiber Supervision and Inspection, Qingdao 266071, China)

Viscose spinning solution as matrix, nano barium sulfate as additive, using the method of blending, one new type of composite fiber was prepared by wet spinning to study the fineness of the blend composite fibers, transverse longitudinal morphology, mechanical properties, electrical conductivity and washing durability. The research results show that the nano barium sulfate can be evenly distributed in fiber interior and surface, and it has less effects on the conductive and mechanical properties of blend fibers, the composite fiber has good washing durability.

viscose fiber; nano barium sulfate; blending method; composite fiber; performance indicators

2017-01-02

劉津瑋(1986—)，男，山東淄博人，工程師。

TS102.6

B

1009-3028(2017)01-0005-04