紫外線輻照對黏膠纖維降解性能的影響

李琳琳

（江西服裝學院，江西南昌 330201）

黏膠纖維從天然木纖維素中提取，具有良好的防紫外線、抗靜電、透氣、涼爽光滑等特點，對皮膚具有較好的親和性，被廣泛應用在服裝、家紡、工程材料中。黏膠纖維由于良好的性能、較低的生產成本與較短的生產周期，應用量日益劇增，但其廢棄物的焚燒或掩埋給環境帶來巨大的安全隱患。為此，不少研究者都在尋求快捷高效、綠色環保的黏膠纖維降解方法。林燕萍［1-2］分別研究了南北方土壤的自然降解方式與堆肥方式對黏膠纖維的高溫、細菌降解效果，結果顯示：南方土壤的降解性能優于北方與堆肥，可以高效降解黏膠纖維。曲騰云等［3］利用微生物對黏膠纖維進行降解；李寧［4］利用光和熱氧對黏膠纖維進行降解，均得出設置的實驗條件對黏膠纖維具有加速降解的功能。

利用紫外線輻照或模擬日光輻照研究光氧作用對黏膠纖維的降解案例也較多［5-6］，但分析真空環境下紫外線輻照對黏膠纖維降解作用的案例較少。從知網目前的檢索來看，僅有楊旭分析了在真空環境下高溫對阻燃黏膠纖維性能的影響［7］。

本實驗研究在真空環境下紫外線輻照對黏膠纖維降解性能的影響。

1 實驗

1.1 材料與儀器

材料：普通黏膠纖維（新鄉白鷺化纖集團有限責任公司），溴化鉀、丙酮（分析純，國藥集團化學試劑有限公司）。

儀器：Y151 型纖維摩擦系數測定儀（上海標卓科學儀器有限公司），YG747 型通風式快速八籃烘箱（無錫亞博紡織設備公司），YSHS100 型恒溫恒濕箱（上海覽浩儀器設備有限公司），FA2004B 型電子天平（上海精密科學儀器有限公司），GD26-FTIR-650型傅里葉變換紅外光譜儀（天津港東科技股份有限公司），Rigaku MiniFlex 600 型X 射線衍射儀（日本理學電機株式會社），Spectra Rad 型輻照度光譜儀［必達泰克光電科技（上海）有限公司］，INSTRON5590 萬型能材料試驗機（美國英斯特朗公司），紫外線真空光源箱（自制），ZNN-D6 型六速旋轉黏度計（天津亞興自動化實驗儀器廠）。

1.2 黏膠纖維的真空環境輻照

黏膠纖維依次使用丙酮、去離子水清洗，以去除在制備過程中纖維表面殘留的雜質與油脂；清洗后的黏膠纖維在105 ℃烘箱中烘干；取一定量黏膠纖維置于紫外線真空光源箱，在室溫、輻照度180 W/m2條件下分別輻照一定時間；另取一定量黏膠纖維置于紫外線非真空光源箱，在室溫、輻照度180 W/m2條件下分別輻照相同時間。

1.3 測試

吸濕回潮率：稱取一定量紫外線輻照前后的黏膠纖維，其質量記作m；置于20 ℃、相對濕度65%的恒溫恒濕箱中調濕24 h 后，稱其質量記作m′。利用下式計算吸濕回潮率。實驗重復10次，取平均值。

聚合度：參考GB/T 1632—1993《聚合物稀溶液黏數和特性黏數測定》與文獻［5］測試。實驗重復5次，取平均值。

摩擦系數：將試樣置于20 ℃、相對濕度65%的恒溫恒濕箱中調濕24 h。參照文獻［6］制備黏膠纖維輥。在纖維兩端各夾100 mg 張力夾，并將其騎跨在黏膠纖維輥上，在30、1 r/min 條件下測試動態與靜態摩擦系數。實驗重復30次，取平均值。

紅外光譜：將烘干的黏膠纖維剪碎，與溴化鉀研磨均勻后制成壓片，利用紅外光譜儀在4 000～400 cm-1測試。

結晶度：將黏膠纖維剪碎后制成纖維末壓片，利用X 射線衍射儀進行X 射線衍射測試。測試參數為Cu 靶，電流20 mA，電壓30 kV，入射波長0.154 nm，角度5°～45°。參考文獻［2］，利用結晶區積分面積與非結晶區積分面積計算結晶度。

力學性能：將黏膠纖維置于20 ℃、相對濕度65%的恒溫恒濕箱中調濕24 h；利用萬能材料試驗機進行斷裂強力測試。CRE 拉伸方式，纖維夾持長度20 mm，拉伸速度20 mm/min。

2 結果與討論

2.1 吸濕回潮率

紫外線輻照時間對黏膠纖維吸濕回潮率的影響見圖1。

圖1 紫外線輻照時間對黏膠纖維吸濕回潮率的影響

由圖1可以看出，黏膠纖維的吸濕回潮率均隨著紫外線輻照時間的延長而不斷增大。黏膠纖維內部的分子結構由結晶區與非結晶區組成，紫外線的長時間輻照可積累能量，使電子能級躍遷，物質內部分子不同程度的碰撞與振動造成結晶區裂解，向非結晶區轉變［8］，提高了纖維的吸濕回潮率。在相同紫外線輻照時間下，在非真空環境中經紫外線輻照的黏膠纖維吸濕回潮率高于在真空環境中處理的黏膠纖維，這是由于在非真空環境中，黏膠纖維在紫外線輻照下發生了光氧降解，氧氣在降解過程中降低了黏膠纖維結晶區裂解所需的能量，加劇了結晶區向非結晶區轉變，因此，在真空環境中經紫外線輻照的黏膠纖維結晶度高于在非真空環境中處理的黏膠纖維。另外，當紫外線輻照超過120 h 時，在真空環境中輻照的黏膠纖維吸濕回潮率趨于穩定；在非真空環境中輻照的黏膠纖維則持續增加。這也與黏膠纖維結晶度的變化有關，在真空環境中，當紫外線輻照產生的能量不足以裂解黏膠纖維的結晶區時，其結晶區與無定形區比例保持穩定，吸濕回潮率也趨于穩定；而在非真空環境中，由于氧氣的作用，黏膠纖維的結晶區不斷裂解，無定形區增加，因此吸濕回潮率也持續增加。

2.2 聚合度

由圖2可知，黏膠纖維的聚合度均隨著紫外線輻照時間的延長而不斷降低，且在相同紫外線輻照時間下，在真空環境中輻照處理的黏膠纖維聚合度高于在非真空環境中處理的黏膠纖維；當紫外線輻照超過120 h 時，在真空環境中處理的黏膠纖維聚合度趨于穩定，在非真空環境中處理的黏膠纖維聚合度則持續下降。由文獻［9］可知聚合物相對分子質量與聚合度的關系，當黏膠纖維經紫外線輻照后，結晶區裂解，結晶度下降致使相對分子質量下降，從而導致聚合度下降；黏膠纖維聚合度在真空環境與非真空環境中的變化趨勢與結晶度變化趨勢一致。

圖2 紫外線輻照時間對黏膠纖維聚合度的影響

2.3 摩擦系數

由圖3可知，黏膠纖維的靜態與動態摩擦系數隨著紫外線輻照時間的延長而不斷增大，且在相同紫外線輻照時間下，在非真空環境中處理的黏膠纖維摩擦系數高于在真空環境中處理的黏膠纖維；當紫外線輻照超過120 h 時，在真空環境中處理的黏膠纖維摩擦系數趨于穩定，在非真空環境中處理的黏膠纖維摩擦系數則持續上升。這是由于紫外線輻照致使纖維結晶區裂解，導致纖維微纖化及纖維表面坑槽增多，引起纖維摩擦系數增加。當紫外線輻照超過120 h 時，在真空環境中處理的黏膠纖維微纖化趨于穩定，因此纖維摩擦系數也趨于穩定。

圖3 紫外線輻照時間對黏膠纖維摩擦系數的影響

2.4 紅外光譜

從圖4中可以看出，黏膠纖維在真空環境與非真空環境中經紫外線輻照處理后，紅外光譜與原樣波峰走勢大致相同。3 440、669 cm-1附近的吸收譜帶證明—OH 的存在，3 000 cm-1附近的吸收峰證明—CH3的存在，1 420、1 380 cm-1附近的吸收譜帶證明—CH2—與—CH—的存在。1 625、1 064 cm-1附近的吸收譜帶證明 CO 與 C—O 的存在，1 736 cm-1附近的吸收譜帶證明酮羰基的存在。綜上所述，黏膠纖維在真空環境與非真空環境中輻照處理后，分子結構并未改變，仍保持纖維素Ⅱ晶型結構。

圖4 紫外線輻照前后黏膠纖維的紅外光譜

2.5 結晶度

由圖5可知，黏膠纖維在真空環境與非真空環境中經紫外線輻照處理后，特征峰位置仍然在12.5°、20.5°左右，說明紫外線輻照并未改變纖維的分子結構，這與紅外光譜分析一致。由圖6可知，黏膠纖維的結晶度均隨著紫外線輻照時間的延長而降低。當紫外線輻照超過120 h 時，在真空環境中處理的黏膠纖維結晶度趨于穩定，在非真空環境中處理的黏膠纖維結晶度則持續下降。黏膠纖維結晶度的變化趨勢驗證了吸濕回潮率、聚合度、摩擦系數的變化趨勢。

圖5 紫外線輻照150 h 時黏膠纖維的X 衍射曲線

圖6 紫外線輻照時間對黏膠纖維結晶度的影響

2.6 力學性能

由圖7可知，黏膠纖維的斷裂強度均隨著紫外線輻照時間的延長而降低，在相同的紫外線輻照時間下，在真空環境中輻照處理的黏膠纖維斷裂強度高于在非真空環境中輻照處理的黏膠纖維。當紫外線輻照超過120 h 時，在真空環境中處理的黏膠纖維斷裂強度趨于穩定，在非真空環境中處理的黏膠纖維斷裂強度則持續下降，這與纖維結晶度變化成正相關，由于在結晶區向無定形區的裂解過程中，纖維內部與表面的坑槽均造成了強力弱環，致使纖維力學性能下降。

圖7 紫外線輻照時間對黏膠纖維斷裂強度的影響

3 結論

黏膠纖維在真空環境與非真空環境中經紫外線輻照后，聚合度、結晶度、力學性能均隨輻照時間的延長而降低，吸濕回潮率與摩擦系數則隨輻照時間的延長而增加，且在真空環境中處理的黏膠纖維指標的變化幅度小于在非真空環境中處理的黏膠纖維；紫外線輻照前后，黏膠纖維的分子晶型結構保持不變；在輻照度180 W/m2不變的條件下，當紫外線輻照超過120 h 時，在真空環境中處理的黏膠纖維指標趨于穩定，而在非真空環境中處理的黏膠纖維指標持續變化，驗證了氧氣在紫外線輻照中有助于降解黏膠纖維。