棉浆粕/NMMO·H2O溶液的流变性能研究

2016-12-23杨秀琴郑玉成刘运青

合成纤维工业 2016年1期

关键词：聚酰胺牛顿纤维素

杨秀琴，郑玉成，刘运青

(1.河南工程学院材料与化学工程学院，河南郑州 450007; 2.中纺院绿色纤维股份公司,河南新乡 453011)

棉浆粕/NMMO·H2O溶液的流变性能研究

杨秀琴1，郑玉成2，刘运青1

(1.河南工程学院材料与化学工程学院，河南郑州 450007; 2.中纺院绿色纤维股份公司,河南新乡 453011)

棉浆粕 N-甲基吗啉-N-氧化物流变性能剪切黏度剪切速率非牛顿指数黏流活化能

棉花属一年生乔本植物，具有生长周期短，产量高等优势，是可再生性绿色环保纺织品原材料，棉浆粕主要由棉纤维中不能直接用于织造的棉短绒制备而成，其主要成分是棉纤维素，是再生纤维素纤维的主要原料，而棉短绒中纤维素质量分数高达90%以上，是粘胶纤维生产的主要原料，但因粘胶生产易造成水、大气等环境污染，故寻找纤维素良溶剂，以及绿色环保的生产方法越来越受到人们的重视[1]。孙玉山等[2-3]认为N -甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)试剂因其低毒和高回收性，能很好地溶解纤维素，可得到成纤性能良好的纤维素溶液。吴翠玲等[4]对纤维素/NMMO·H2O 溶液体系的流变性能进行了研究，纤维素/NMMO·H2O溶液表观活化能(∆Eη)较低，适宜的加工温度为90～120 ℃。国外J.F. Blachot[5]研究了纤维素/NMMO·H2O 溶液体系的结晶性能和流变性能，研究结果表明纤维素溶液在明显的牛顿区之后是典型的假塑区，在熔点以下结晶速率缓慢。作者以NMMO·H2O为溶剂，制备棉浆粕/NMMO·H2O溶液，研究了在85～100 ℃温度下棉浆粕/NMMO·H2O溶液的流变性能，以期为棉纤维素的溶液纺丝提供参考。

1 实验

1.1 原料及试剂

棉浆粕：聚合度602.3，甲种纤维素质量分数为96.1%，河北唐山三友集团东光浆粕有限责任公司生产；NMMO：纯度大于等于97%，上海广拓化学有限公司产。

1.2 仪器

Brookfield DV-Ⅱ型黏度计:美国Brookfield公司制造；FA2204B电子天平:上海精密科学仪器有限公司制造；XPF-550C显微镜:上海蔡康光学仪器有限公司制；HH-S水浴锅:巩义市英峪仪器厂制；SYC-15B恒温水浴:南京桑力电子设备厂制。

1.3 试剂制备

1.3.1 NMMO·H2O试剂的制备

将一定质量的NMMO试剂用蒸馏水溶解制成含水率13.3%的NMMO·H2O试剂，溶解温度控制在80 ℃。

1.3.2 棉浆粕/NMMO·H2O溶液的制备

将一定质量的粉碎后的棉浆粕溶解于含水率13.3%的NMMO·H2O试剂中，分别配成棉浆粕质量分数4%，5%，6%，7%，8%的棉浆粕/NMMO·H2O溶液，在85 ℃的水浴锅中使棉浆纤维素完全溶解。

1.4 棉浆粕/NMMO·H2O溶液的流变性能

2 结果与讨论

2.1 温度对溶液体系黏度的影响

图1 不同温度下棉浆粕/NMMO·H2O溶液的关系曲线Fig.solution at different temperature

2.2 棉浆粕浓度对溶液体系黏度的影响

图2 不同浓度的棉浆粕/NMMO·H2O溶液的关系曲线Fig. solution with different concentration

2.3 非牛顿指数(n)

图3 不同温度下棉浆粕/NMMO·H2O溶液的关系曲线Fig.solution at different temperature

表1 不同温度下棉浆粕/NMMO·H2O溶液的nTab.1 n of cotton pulp/NMMO·H2O solution at different temperature

由表1可知，棉浆粕/NMMO·H2O 溶液体系n小于1，说明该溶液体系为假塑性流体。同时随棉浆粕浓度的增加溶液体系的n减小，表明棉浆粕浓度越高体系的非牛顿性越显著，同时在棉浆粕浓度一定时，随溶液体系温度的升高n减小，说明体系在测试温度范围内温度升高非牛顿性增强，温度越高假塑性流体特征越明显，越偏离牛顿流体特征。这是因为溶液体系随棉浆粕浓度的增加体系中大分子个数增加，大分子链间的缠结点数增多，分子间作用力较强，缠结点解开速率大于重建速率，非牛顿性随棉浆粕浓度增加而增大；而当体系浓度一定时温度升高，纤维素大分子各运动单元的运动能力增强，大分子链段及分子间碰撞几率增大，分子间相互作用力增加，体系的非牛顿性增强，n减小。

2.4 棉浆粕/NMMO·H2O溶液的∆Eη

∆Eη是描述材料黏度-温度依赖性的量度，∆Eη越大则温度对黏度的影响越大。棉浆粕/NMMO·H2O溶液在不同温度下，表现出不同的黏流特征。

根据Andrade方程[9]：

η=Aexp∆Eη/RT

(1)

式中：A为常数；T为绝对温度；R为气体常数。

对式(1)两边取自然对数有式(2)

lnη=lnA+∆Eη/RT

(2)

以lnη对1/T作图，直线的斜率即为∆Eη。

由图4的lgη-1/T关系曲线，直线拟合求斜率可得棉浆粕质量分数为5%， 6%，7%，8%溶液体系∆Eη分别为64.49，64.49，57.93，41.94 kJ/mol，即随溶液体系中棉浆粕浓度的增加体系∆Eη有下降趋势，即随棉浆粕浓度的增大棉浆粕/NMMO·H2O溶液的黏-温敏感性减小。在棉浆粕/NMMO·H2O溶液作纺丝液时，随棉浆粕浓度增大，溶液体系黏度受温度影响变小，溶液用于纺丝受限条件减小。

图4 不同浓度的棉浆粕/NMMO·H2O溶液的lgη-1/T关系曲线Fig.4 Plots of lgη-1/T for cotton pulp/NMMO·H2O solution with different concentration

3 结论

c. 对于棉浆粕/NMMO·H2O溶液体系，在85～100 ℃时，n均小于1,且n随棉浆粕浓度增加、体系温度升高而减小，非牛顿特征更加明显。

d. 随棉浆粕浓度的增加，棉浆粕/NMMO·H2O溶液∆Eη减小，溶液体系黏-温敏感性减小。

[1] 孙玉山,徐纪刚,李昭锐,等.新溶剂法纤维素纤维开发概况与展望[J].纺织学报,2014,35(2):126-129.

[2] 胡学超,宋丽贞. 二十一世纪的宠儿-纤维素纤维[J].纺织学报,1998,19( 1) : 62-63,25.

[3] 骆强,陈功林,徐纪刚,等.新溶剂法纤维素纤维的技术进展[J].高分子通报,2011(2) : 12-20.

[4] 吴翠玲,李新平,秦胜利,等.纤维素/NMMO·H2O 溶液体系流变性能的研究 [J].纤维素科学与技术,2005,13(1): 34-38.

[5] Blachot J F，Brunet F，Navard F，et al. Rheological behavior of cellulose/monohydrate of n-methylmorpholine n-oxide solutions Part 1: Liquid state [J]. Rheol Acta, 1998,37 (2): 107-114.

[6] 万和军,尤丽霞,熊杰,等.天然彩色棉LiCl/DMAc溶液流变性能的研究[J].纺织学报,2010,31(6):11-16.

[7] 梁伯润.高分子物理学[M].第二版.北京:中国纺织出版社,2000:210-214.

[8] 肖长发,尹翠玉,张华,等.化学纤维概论[M].第二版.北京: 中国纺织出版社,2005:27.

[9] 甘锋,李颖梅,王明,等.再生丝素蛋白分子量分布及丝素蛋白/[bmim]ac溶液的流变性能[J].材料科学与工程学报,2014,32(2):441-447.

◀国内外动态▶

仪征化纤超仿棉纤维成套技术达国际先进水平

2015年12月3日，从仪征化纤有限公司传出消息，由该公司组织实施的“超仿棉(聚酰胺酯)纤维成套技术”项目，日前通过了中石化科技部组织的专家组鉴定。专家组认为，该项目有原始创新性，整体技术达到国际先进水平。

涤纶面料易起球，纯棉衣服易变形，仪征化纤在全球首创的聚酰胺酯纤维兼具了棉与涤纶的优良特性，又弥补了缺点。2013年，该项目被列为中石化“十条龙”科技攻关项目，深度开展了超仿棉(聚酰胺酯)纤维技术开发及市场推广活动。

该项目深入研究了聚酰胺酯聚合反应机理，开发了聚酰胺酯聚合、纺丝及后加工技术，首创了新型合成配方，研制了关键专用设备，形成了超仿棉(聚酰胺酯)聚合和短纤维生产成套技术，建成了200 t/d聚酰胺酯工业示范装置，成功实现了工业化稳定生产，产品质量稳定，满足后加工要求。聚酰胺酯申请了CAS号。项目实施过程中，申请发明专利9项，实用新型专利1项。

另外，该项目注册了聚酰胺酯纤维“仪纶”商标，形成了聚酰胺酯短纤维中国化学纤维工业协会和纺织行业标准。

(通讯员郑宁来)

Rheological behavior of cotton pulp/NMMO·H2O solution

Yang Xiuqin1, Zheng Yucheng2, Liu Yunqing1

(1.SchoolofMaterialsandChemicalEngineering,HenanInstituteofEngineering,Zhengzhou450007; 2.GreenFiberCorporationofChinaTextileAcademy,Xinxiang453011)