（纺织材料与纺织品设计专业论文）polynosic纤维在碱性环境中的行为研究.pdf

摘要 波里诺西克( p o l y n o s i c ) 纤维是用天然木浆作原料制成的再生纤 维素纤维，具有类似棉纤维等天然纤维的性能，其最为突出的性能是， 在再生纤维素纤维类中，波里诺西克纤维是一种能耐碱处理的再生纤 维素纤维，经过适当的碱处理后，该纤维具有棉的性能和丝般光泽， 而普通粘胶纤维是不耐碱或不能丝光整理的。 本文主要研究波里诺西克纤维在碱性环境中的行为变化，包括纤 维性能变化和纤维微细结构的变化，具体有纤维的碱溶性、强伸性能、 溶胀性能和取向度、极性基团、结晶指数、结晶度等纤维微细结构， 得到其变化规律，并对该纤维丝光整理的碱性环境参数进行了初步的 探讨。具体研究内容为：1 、对常见的六种再生纤维素纤维p o l y n o s i c 、 t e n c e l a l 0 0 、t e n c e l g 、l y o c e l l 、m o d a l 、v i s c o s e 等，进行了耐碱性 比较研究；2 、研究了p o l y n o s i c 纤维在不同碱性环境中的性能变化。 3 、通过正交实验方差分析，得出碱性环境参数中影响纤维性能的主 次要因素。最终，设计了最佳碱性环境。4 、对p o l y n o s i c 等再生纤维 素纤维在碱性环境中的行为机理进行了研究。阐述了纤维素与碱液作 用的理论和渗透压作用及水合作用等纤维溶胀理论，对不同碱性环境 处理的纤维微细结构进行了测试及研究。 在实验研究的基础上，本文得出以下结论：1 、p o l y n o s i c 纤维是 再生纤维素纤维中一种耐碱性较强的纤维。2 、p o l y n o s i c 纤维随碱性 处理环境的不同，其性能发生了明显的变化。通过改变碱性环境的温 度、处理时间和n a o h 溶液浓度来处理纤维，发现了纤维性能的变化 规律，具体为：时间和浓度一定时，温度对纤维干态强伸性能的影响 大致成线性关系，温度越高，强度越低，伸长越大；温度和浓度( 大 于5 ) 一定时，处理时间对纤维性能的影响主要在0 5 m i n 以内， 0 5 m i n 以后几乎没有影响；在温度和时间一定的条件下，p o l y n o s i c 纤维性能的变化并不与n a o h 浓度的变化成正比例关系，5 浓度是 纤维性能发生明显变化的开始点，1o 浓度是纤维性能变化的一个转 折点。3 、影响纤维性能的主要因素是n a o h 溶液的浓度，而碱性环 境的温度和处理时间为次要因素。对p o l y n o s i e 纤维而言，最佳碱性 处理环境为，温度2 0 ，处理时间0 5 m in ，n a o h 溶液质量比浓度 7 - - 8 或l7 2 0 。4 、碱处理后纤维的性能和微细结构变化及规 律符合纤维素纤维在碱性环境中的行为反应理论，纤维微细结构的变 化与纤维性能的变化具有非常一致性的规律，纤维的取向度、极性基 团( 一o h 羟基相对数量) 、结晶指数、结晶度等，皆在n a o h 浓度为 5 时明显下降，1o 时发生转折性变化。 以上结论是在实验和理论的基础上研究分析得出的，研究对象为 纤维，对于p o l y n o s i c 纤维纺织品( 如纱线、织物等) 的结论，有待 于进一步研究。 关键词：p o l y n o s i c ，再生纤维素纤维，碱性环境，性能变化，微细结 构变化 t h es t u d yo nt h es t r u c t u r ea n dp h y s i c a lp r o p e r t i e so f p o l y n o s i c f i b e rt r e a t e db ya l k a l i a bs t r a c t p o l y n o s i cf i b e ri sm a d ef r o mw o o dp u l p ，r e g e n e r a t e dc e l l u l o s e f i b e r ，e x c e l l e n tp h y s i c a lp r o p e r t i e sl i k ec o t t o nf i b e r t h ea d v a n t a g eo f p o l y n o s i cf i b e ri s t h a tt h i sf i b e rc a nb em e r c e r i z e d b ya l k a l i t h e p h y s i c a lp r o p e r t i e so fp o l y n o s i cf i b e rt r e a t e dw i t hn a o ha q u e o u s s o l u t i o n sc a nb ec o m p a r e dw i t hm e r c e r i z e dc o t t o nf i b e ra n ds i l k ，b u t c o n v e n t i o n a lv i s c o s ef i b e rc a nn o tb et r e a t e do rm e r c e r i z e db ya l k a l i t h ep a p e ri ss t u d yo nb e h a v i o ro fp o l y n o s i cf i b e rt r e a t e db ya l k a l i ， i n c l u d i n gp h y s i c a lp r o p e r t i e sa n ds t r u c t u r eo ff i b e r a l k a l it r e a t m e n t a f f e c tp h y s i c o m e c h a n i c a lp r o p e r t i e ss u c ha s w e i g h tl o s s ，c h a n g e so f t e n s i l es t r e n g t ha n de l o n g a t i o n ，a n dd e g r e eo fs w e l l i n g t h i si sb e c a u s e c h a n g e so ff i b e rs t r u c t u r ec a u s e db ya l k a l it r e a t m e n t h e r e ，s t r u c t u r e so f f i b e ri n c l u d e d e g r e e o f o r i e n t a t i o n ，p o l a rg r o u p a n d d e g r e e o f c r y s t a l l i z a t i o ne t c a n df i n dr u l e so ft h e s ec h a n g e s w h a ti sm o r e ，t h e r e a r ee l e m e n t a r yd i s c u s s i o n so fp a r a m e t e r so fm e r c e r i z a t i o n t h ec o n t e n t o fp a p e ri sf o l l o w i n g ，f i r s t l y ，r e s i s t a n c et oa l k a l io fs i xr e g e n e r a t e d c e l l u l o s ef i b e r si sr e s e a r c h e d ，t h e s ef i b e r sa r ep o l y n o s i c ，t e n c e l a10 0 ， t e n c e l g , l y o c e l l ，m o d a la n dv i s c o s ee t c s e c o n d l y ，p h y s i c a lp r o p e r t i e s o fp o l y n o s i cf i b e rt r e a t e db yd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o nn a o hs o l u t i o na r e d i s c u s s e d t h i r d l y ，t h r o u g ht h eo r t h o g o n a ll a y o u ta n dv a r i a n c ea n a l y s i s ， k e yf a c t o ro rp a r a m e t e ro fa l k a l is o l u t i o na f f e c t i n gp h y s i c a lp r o p e r t i e s o ff i b e ri sf o u n d a n dd e s i g na p p r o p r i a t ea l k a l is o l u t i o nf o rp o l y n o s i e f i b e r f i n a l l y ，e l a r i f yt h et h e o r yo fa c t i o no fc e l l u l o s ea n da l k a l i s o l u t i o n ，a n dt h e o r yo ff i b e rs w e l l i n gi na l k a l is o l u t i o n t h es t r u c t u r eo f f i b e r st r e a t e do rn o tb ya l k a l ii sr e s e a r c h e di nd e t a i l i nt h i sp a p e r ，o nt h eb a s i so fs t u d yo nf i b e rt r e a t e db ya l k a l i ，t h e c o n c l u s i o nw e r ed r a w na sf o l l o w s ，f i r s t l y ，p o l y n o s i cf i b e ri sr e s i s t a n c e t oa l k a l i ，a n ds t i l lh a se x c e l l e n tp h y s i c a lp r o p e r t i e sa f t e rt r e a t m e n t s e c o n d l y ，c h a n g e so fp h y s i c a lp r o p e r t i e so ff i b e rt r e a t e db yd i f f e r e n t a l k a l is o l u t i o na r eo b v i o u s i f a d j u s tt e m p e r a t u r e ，t i m e a n d c o n c e n t r a t i o no fa l k a l i s o l u t i o n ，p r o p e r t i e s o ff i b e ra r eo b v i o u s l y d i f f e r e n t t h a ti st os a y ，i ft i m ea n dc o n c e n t r a t i o na r ef i x e d ，t h er e l a t i o n b e t w e e nt e m p e r a t u r ea n dt e n s i l ep r o p e r t i e so fd r yf i b e ri sl i n e a r i f t e m p e r a t u r ea n dc o n c e n t r a t i o na r ef i x e d ，c o n c e n t r a t i o ni sm o r e5 o w t t i m ea f f e c to b v i o u s l yp r o p e r t i e so ff i b e rw i t h i no 5 m i n l o n gt i m ei sn o o b v i o u s l ye f f e c tt oc h a n g e so fp r o p e r t i e so ff i b e r i ft e m p e r a t u r ea n d t i m ea r ef i x e d ，t h er e l a t i o nb e t w e e nn a o hc o n c e n t r a t i o na n dp r o p e r t i e s o ff i b e ri sn ol i n e a r t h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so ff i b e rb e g i nc h a n g i n ga t 5 0 w t n a o hc o n c e n t r a t i o n ，a n dc o n t r a r y c h a n g e st a k ep l a c e a t 10 o w t n a o hc o n c e n t r a t i o n t h i r d l y ，t h ek e yp a r a m e t e ro fa l k a l i s o l u t i o ni sn a o hc o n c e n t r a t i o n ，t e m p e r a t u r ea n dt i m ea r es e c o n d f a c t o r s f o r p o l y n o s i cf i b e r ，t h ea p p r o p r i a t ea l k a l i s o l u t i o nw a s d e s i g n e da sf o l l o w s ，t e m p e r a t u r ei s2 0 ，t i m ei s0 5 m i n ，a n dn a o h c o n c e n t r a t i o ni s7 0 w t - 8 0 w t o r17 0 w t 2 0 0 w t f i n a l l y ，t h e c h a n g e so fp h y s i c a lp r o p e r t i e sa n ds t r u c t u r eo ff i b e r sf o l l o wt h et h e o r y o fa c t i o no fc e l l u l o s ea n da l k a l is o l u t i o n t h ec h a n g e so fs t r u c t u r eo f f i b e re x p l a i n e da n dt e s t i f i e dp h y s i c a lp r o p e r t i e so ff i b e r s t h ed e g r e eo f o r i e n t a t i o n ，p o l a rg r o u pa n dd e g r e eo fc r y s t a l l i z a t i o nb e g i nd e c l i n i n ga t 5 0 w t n a o hc o n c e n t r a t i o na n dr e v e r s ec h a n g e st a k ep l a c ea t1o o w t a b o v ec o n c l u s i o na r ed r o w no nt h eb a s i so fe x p e r i m e n ta n dt h e o r y t h ee x p e r i m e n t a lo b je c ti sf i b e r f o rp o l y n o s i ct e x t i l e s ，s u c ha sy a r n ， f a b r i c ，t h e r es h o u l db eo t h e rc o n c l u s i o n s w ea r ee x p e c t i n gt e c h n o l o g y r e s u l t sa b o u ti t s e nl i u ( f i b e rs c i e n c ea n dt e x t i l e sd e s i g n ) s u p e r v i s e db yp r o f e s s o rj i a n y o n gy u k e y w o r d s ：p o l y n o s i c ，r e g e n e r a t e d c e l l u l o s ef i b e r ，a l k a l is o l u t i o n ， p h y s i c a lp r o p e r t i e s ，s t r u c t u r eo ff i b e r 附件一： 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的 指- , - 9 - t ，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担a 学位论文作者签名：炭，1 森 日期：。b 口严年乙月乡7 e t 附件二： 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保密d 在土年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名：办j 森 指导教师签名： 日期：二，丫年三月弓f 日 日期：嘶l 明卅日 东华大学硕士学位论文第一章前言 第一章前言 1 1 p o l y n o s i e 纤维发展历史【l j p o l y n o s i c ( 波里诺西克) 纤维是粘胶纤维的一个品种，它具有高 聚合度、高湿模量、高强度和低伸度的特征，国际统称为“波里诺西 克纤维”。日本是波里诺西克纤维的第一个生产国，其商品名称为虎 木棉( t o r a m o m e n ) ；美国的第一个波里诺西克纤维商品是赞特雷尔 ( z a n t r e l ) ；欧洲国家第一个波里诺西克纤维商品是z 一5 4 。由于该 纤维具有很高的湿模量，因此属于高湿模量粘胶纤维。 第一个类似于波里诺西克纤维性质的制品于19 2 8 年获得专利， 称为里氏粘胶纤维( l i l i e n f e l dv i s c o s er a y o n ) 。工艺特点是把熟成度 很低的粘胶，压入含有6 4 h 2 s 0 4 的纺丝浴中，高度溶胀的丝束在空 气中拉伸2 0 0 ，然后浸入n a 2 s 0 4 水溶液中进行去溶胀。所得纤维结 晶度为5 0 左右，具有高聚合度和高取向度，断裂强度达6 17 c n d t e x ， 模量为2 6 4 6 c n d t e x ，但断裂伸度较低，手感太硬。未获得大量发展。 日本的立川正三研究所在19 4 3 年发表了虎木棉的生产工艺。其 工艺特点是，黄化时使用较高的c s 2 ，粘胶液中纤维素和碱的含量都 较低，纺前粘胶熟成度很低，纤维素的聚合度较高，粘度也特别高。 凝固浴中的h 2 s 0 4 和n a 2 s 0 4 含量都很低，不含z n s 0 4 ，新成形的丝 束引入组成与凝固浴相似的拉伸浴中，进行高倍拉伸( 15 0 ) ，然后 进行后处理。制得纤维强度为3 0 8 c n d t e x 。这一纤维于19 5 0 年正式 投入生产，并获得较快发展。目前的生产工艺虽有较大的改革，但基 本沿用上述的工艺原则。 19 5 0 年到19 6 5 年期间，立川正三研究所经过不断努力，改进了 工艺，使用低酸、低盐，很低的z n s 0 4 和低温凝固浴，在二浴中进行 高度拉伸( 2 5 0 ) ，制得纤维强度为4 5 5 0 c n d t e x 的t 一61 型波里 诺西克纤维。后又继续进行改进，并在粘胶液和凝固浴中加入少量甲 醛，在二浴中拉伸3 0 0 ，制得超t 型纤维，其断裂强度达6 6 2c n d t e x 。 为了改进波里诺西克纤维的脆性，近年来很多纤维工作者在凝固 东华大学硕士学位论文 第一章前言 浴中引入少量z n s o 。( 小于1 克升) ，并且增加浴温和纺速，所得纤 维具有较高的伸度，其脆性也有所改善。最近，常在粘胶液中引入少 量变性剂( 0 5 左右) ，使粘胶制造工艺更为简便，可纺性提高，所 得纤维质量也较高。在粘胶液或凝固浴中加入甲醛，于19 6 4 年投入 工业化生产。新成形的纤维在热水浴中进行强烈拉伸，拉伸度达6 0 0 ， 纤维的断裂强度高达8 8 2 c n d te x 。我国在五十年代开始对该纤维进 行试制，于六十年代进行工业生产，并获得一定的发展。 2 0 0 3 年丹东化纤股份有限公司与日本东洋纺织株式会社共同合 作，引进日本“波里诺西克纤维 粘胶短纤纺丝技术，是国内当今第 一条生产线。同时国内一些粘胶纤维生产企业也有扩能改造计划。另 外，中国作为全球最大的纺织品及原料生产国，其粘胶纤维市场也引 起国外大财团的关注，并计划在中国投资建设差别化粘胶短纤维生产 厂。因此，今后几年中国粘胶类纤维的生产能力将会进一步增加【2 1 。 1 2p o l y n o s i c 纤维归类3 ，4 】 p o l y n o s i c 纤维是以针叶林木浆为原料的再生纤维素纤维，属于粘 胶类纤维，从图1 1 和图l 一2 可知其类别。 纤维 2 天然纤维 f 十一i 植物纤维动物纤维 矿物纤维 上 棉 麻 等 1 l 羊 毛 兔 毛 桑 蚕 幺幺 等 上 石 氧 棉纶 维 纶 氯 纶 尸维孚竿彳 il i r 厂广 涤纤维橐纤维其他蛋白纤维 纶 锦 纶 暗 纶 图i i 纺织纤维分类 0 粘 胶 铜 飘 酯 酯 纤 维 等 0 田 冗 素 海 藻 胶 纤 维 等 上 酪 素 大 r - 1 k 花 生 纤 维 等 东华大学硕上学位论文第一章前言 粘胶纤维 图1 2 粘胶纤维分类 p o l y n o s i c 纤维是一种高湿模量类纤维，高湿模量纤维大致有以 下几种，早期的波里诺西克纤维( p o l y n o s i c ) 和高湿模量( 变化型) 粘胶纤维( h w m ) ，现在的莫代尔纤维( m o d a l ) 和l y o c e l l 纤维，其 生成工艺各不相同，纤维性能也各具特色。 1 3p o l y n o s i e 纤维性能特点【1 j 波里诺西克纤维的织物与普通粘胶纤维织物比较，服用变形小， 收缩率较小，比较耐洗、耐穿。与普通粘胶纤维比较，该纤维具有如 下特点； ( 1 ) 较高的断裂强度。干态下的断裂强度一般为3 o 5 3 c n d t e x ， 大大地超过普通粘胶纤维，并优于棉纤维。另一可贵性能是在湿态下 的强度损失较小。普通粘胶纤维在湿态下的强度约损失5 0 ，而波里 诺西克纤维湿态下的强度损失不大于3 0 。 ( 2 ) 较低的断裂伸度。在标准状态下( 温度2 0 ，相对湿度6 5 ) 断裂伸度为9 l2 ，湿态下为ll 14 。由于较低的伸度，织物经 水洗后变形较小。几种纤维素纤维的应力伸长曲线如图1 3 所示。 3 东华大学硕士学位论文第一章前言 图1 3 纤维素纤维在标准状态下的应力一伸长曲线 ( 1 一波里诺西克；2 一棉；3 一强力粘胶；4 一普通粘胶) ( 3 ) 较高的初始模量。同棉纤维一样，在小的或中等的负荷下( 这 一指标决定纤维的使用性能) 产生的变形不大，在负荷为0 5 c n d t e x 时，纤维湿态下的伸长不超过4 ，而普通粘胶纤维则高达8 lo 。 ( 4 ) 在水中的溶胀度不大，并具有较低的吸混性。由于纤维结晶 度较高，晶区尺寸较大，因此在水中的溶胀度不大，吸湿性也较低。 保水量一般为55 7 5 ，高于棉纤维的同一量值( 35 4 5 ) ，而低 于普通粘胶纤维( 9 0 - 1l5 ) 。纤维的回潮率一般为7 10 ，普通 粘胶纤维为12 14 ，棉纤维为7 8 。普通粘胶纤维织物在水中的 收缩率比波里诺西克纤维织物高出一倍，很大程度是由于普通粘胶纤 维有较高的水中溶胀度。 ( 5 ) 纤维中存在很多微小的孔隙，可以促使染料和后处理药剂渗 透到纤维内部。为了提高织物的抗褶皱性，常常进行树脂整理。当用 树脂处理织物时，纤维中的微小孔隙的存在能起特别有利的作用。在 发生缩聚过程时，能在纤维内同时形成不溶性的合成树脂，它就充满 在纤维微小的孔隙中在此情况下，催化剂的作用仅能加快缩聚反应， 而不引起纤维素大分子的降解，故纤维的机械性能基本上不受影响。 4 东华大学硕士学位论文第一章前言 棉纤维或普通粘胶纤维进行树脂处理时，在缩聚反应催化剂的影响 下，由于纤维素大分子的降解作用，使纤维断裂强度降低。波里诺西 克纤维与普通粘胶纤维的染色性能比较接近。 ( 6 ) 对碱溶液的稳定性较高。波里诺西克纤维的耐碱性是所有粘 胶纤维中最强的一种，在温度为2 0 下，在10 n a o h 溶液中的溶解 度为l9 ，而普通粘胶纤维则高达5 0 左右。优良的耐碱性除与纤维 具有较高的结晶度有关外，较高的聚合度也是一个重要因素。经浓度 为5 的n a o h 溶液处理后，纤维几乎能保持原来的强度不变，而且 变形很小。由于对碱溶液的稳定性较高，使其与棉的混纺织物能经受 丝光化处理，以改善外观，减少收缩，提高对褶皱的稳定性。 波里诺西克纤维被广泛应用于织造衣着织物和工业用织物，与棉 织物比较有更好的外观和丝般的光泽，而且有密实而柔软的手感。 1 4 p o l y n o s i e 纤维结构特点【l j 纤维的内部结构决定了纤维的物理机械性能，p o l y n o s i c 纤维的物 理机械性能与普通粘胶纤维的差异即来源于结构要素。 1 。4 1 聚合度及其分布 p o l y n o s i c 纤维的聚合度一般为4 5 0 - 6 0 0 ，高于普通粘胶纤维和 强力粘胶纤维。纤维的聚合度对纤维的物理机械性能，尤其是对断裂 强度，勾强和疲劳强度有一定的影响。一般情况下，随着纤维素聚合 度的增加，纤维的强度也有所增加，当聚合度超过5 0 0 6 0 0 以上时， 强度基本上不再随聚合度而变化。 从理论上说来，各种纤维必须有一最低的平均聚合度，低于此值， 则纤维不具强度。再生纤维索纤维的最低平均聚合度为10 0 15 0 ， 棉纤维为3 0 0 5 0 0 。 纤维的聚合度较高，表明纤维素大分子链较长，同一纤维素大分 子可以同时通过几个晶区和几个无定形区，这样就把几个晶区和无定 形区联在一起，组成联系较紧密的“整体 ，纤维就不容易被拉断。 再则，分子链越长，长链分子间的作用力( 因氢健而形成) 也越大， 东华大学硕士学位论文第一章前言 纤维受拉力作用时，必须克服较多的分子间力，因此纤维具有较高的 强度。 片面地提高纤维的聚合度会增加工艺上的困难。一般说，纤维素 聚合度过高，反应性能较低，溶解比较田难，粘胶液的粘度随之急剧 上升这会给粘胶的过滤、脱泡和输送带来一定困难。 除平均聚合度外，纤维素的聚合度分布对纤维的物理机械性能也 有一定的影响。平均聚合度相同，分散比越小，纤维的断裂强度和疲 劳强度也较高。 1 4 2 超分子结构 p o l y n o s i c 纤维的超分子结构特点是：有较高的结晶度，形成大 的晶粒，高的取向度以及高的侧序。在现有粘胶纤堆的所有品种中， 以p o l y n o s i c 纤维的结晶度最高，晶粒最大，取向度和侧序也最高。 p o l y n o s i c 纤维具有较高的侧序，因此它具有高的干、湿态断裂强度， 低的断裂伸度，对碱溶液的稳定性也较高。 1 4 3 形态结构 纤维的形态结构对其物理机械能也有较大的影响，p o l y n o s i c 纤 维的横截面结构与普通粘胶纤维和强力粘胶纤维不同，为较圆滑的、 圆形或接近于圆形的全芯层结构。 皮层的结构与芯层不同，皮层的结晶度较低，结晶粒子微小而众 多，取向度较高，侧序低而且分布比较均匀，芯层的结晶度较高，结 晶粒子比较粗大，取向度较低，侧序高而且分布不太均匀。 p o l y n o s i e 纤维是全芯层结构，纤维的物理机械性能也反映出芯 层的特点，即高强度和低仲度，勾强较差，脆性较大。 1 4 4 原纤结构【5 】 棍据文献资料所载，波里诺西克纤维是一种有原纤结构的水化纤 维素纤维，具有高侧序。用显微镜对波里诺西克纤维的原纤结构进行 了大量的研究工作。使纤维与苛性钠溶液作用，待纤维膨化后用显微 镜进行观察，发现波里诺西克纤维具有独特的原纤结构，与其他水化 纤维素纤维不同，而与棉纤维相似( 如图l 一4 所示) 。 6 东华大学硕士学位论文 第一章前言 图1 4 在n a o h 溶液中膨化后纤维的显微照片 ( 1 一普通粘胶；2 一波里诺西克：3 一棉) 波里诺西克纤维的原纤均匀分布于整个纤维的横截面，并且比一 般粘胶纤维更为紧密。粘胶纤维具有不很明显的原纤结构。 在纤维与水或n a o h 的水溶液作用时很容易发现普通粘胶纤维与 波里诺西克纤维之问在结构上的区别。纤维样品在水或碱的介质中用 超声波作用以后再用电子显微镜进行观察，其结果如图1 5 所示 图l 一5 在水介质中经超声波作j i 后纤维的电子显微照片 ( 1 一被里诺西克；2 一普通粘胶) 从电子显微镜照片中可以看出，波里诺西克纤维分离成长的巨形 原纤维，而普通粘胶纤维被破坏成很短的结构单元。 末毕大学砸学位论文第一章前言 图1 6 在n a o h 溶液中经超声波裂解后纤维的电子显微照片 ( 1 一普通粘胶；2 一波里诺西克) 由图l 一6 中可以看出，在碱性介质中经过超声波裂解后，普通 粘胶纤维几乎完全破坏，而波里诺西克纤维则仍然保持着原纤结构。 此外，对于波里诺西克纤维的结晶度、取向度、聚合度、晶区大 小以及纤维中空隙的尺寸等也有诸多报道，但是因纺丝工艺的不同 这些参数也有较大的差异。尤其是成品纤维经过碱性处理后，纤维结 构变化较大，但是其变化的定量分析文献报道的较少。 15p o l y n o s i c 纤维制造过程 了解p o l y n o s i c 纤维的制造过程的最好方法是把它和普通粘胶纤 维的制造过程相对比，现比较如下，见表1 1 。 东华大学硕士学位论文第一章前言 表1 1 纤维生产过程比较 生产过程 普通粘胶纤维 p o l y n o s i c 纤维 纤维素浸在一定浓度的n a o h 中 浸渍压榨同 左 几小时，压榨而得碱纤维素。 粉碎机械撕碎碱纤维素成碎片。同左 老成2 0 左右存放1 3 天。省略 加入不足量c s 2 ，碎片在几小时内加足理论量c s 2 ，其他 黄化 形成凝胶状纤维素黄酸钠。同左。 溶于低浓度n a o h 中制成含纤维溶于水制成含纤维素 混和 素和n a o h 的粘胶。和n a o h 的粘胶。 熟成贮存2 5 天。省略 用h 2 s 0 4 、n a 2 s 0 4 和z n s 0 4 或其用低浓度h 2 s 0 4 凝固 纺丝 他相类似的凝固浴。浴。 在纺丝凝固浴中抽伸 抽伸一般在纺丝过程中连续进行。 三倍左右。 上述制造过程是根据早期日本立川正三专利技术介绍的，现在各 个公司的细节技术各有不同，但大体的工艺过程如此。 1 6p o l y n o s i e 纤维主要用途l l j 波里诺西克纤维被广泛应用于服装用织物和产业用织物，与棉织 物比较有更好的外观和丝般的光泽，而且有密实而柔软的手感。 它适用于织造防缩织物，经丝光或树脂整理后的织物，其各项性 能与整理后的棉织物相似。由于纤维具有高强度和高弹性，以及较小 的溶胀度，所以其织物在穿着和洗涤过程中变形较少，能较好地保持 衣服的尺寸和形状。经染色织物的耐日晒牢度和耐洗涤性能基本与棉 纤维相似。 此外，波里诺西克纤维还被广泛用来与棉、毛和合成纤维混纺， 织成各种衣料。由于纤维有较高的弹性，也可用来制成针织品。高支 9 东华大学硕士学位论文第一章前言 数的纤维可用来代替性能较好的长绒棉纤维。 在工业上可用于制造传动皮带和输送带等帘子布。由于波里诺西 克纤维有较高的强度和尺寸稳定性，可提高上述制品的使用性能。 1 7 本课题研究意义及内容 1 7 1 本课题研究意义 世界粘胶纤维的总量自上世纪7 0 年代以来呈下降趋势1 6 j ，但随 着科研的发展和产品质量的提高，其应用范围不断拓展。据统计，2 0 0 0 年世界纤维素纤维的总量约2 2 0 万吨，其中粘胶纤维约2 0 4 万吨，醋 酯长丝约16 万吨。在某些应用领域中，粘胶纤维的性能是不能替代 的。另外，粘胶纤维的原料是从林、农业中取得，是大自然中取之不 尽、用之不竭的自然资源，是永恒不变的；而合成纤维原料的主要来 源是石油，当前世界经济的迅速发展对石油的依赖性越来越明显，至 今已经探明的石油资源蕴藏量和开采量是有限的，开采的难度也愈来 愈大，从长远的观点来看，终有一天石油资源只能优先满足最重要的 燃料需要和运输需要，人类的衣着会逐渐回归到天然纤维资源。因此， 天然纤维素的开发和应用将是今后科学研究永恒的课题。 波里诺西克纤维是用天然木浆作原料制成的再生纤维素纤维，具 有类似天然纤维的性能，其特点是：高强低伸，湿模量高；织物抗褶 皱，保形性好，穿着舒适；容易染色，色泽鲜艳；不发生静电作用； 耐高温性强；最为主要的性能是天然纤维能自然降解，不像合成纤维 和合成材料十年、几十年或更长时间不降解，会给大自然带来二次污 染。国外企业主看好产品有发展潜力，便下大力气进行科学研究和开 发，积极采用高新技术措施，改进工艺，改进设备，发挥产品在性能 上的优势，满足用户对质量的要求；同时在降低能耗和生产成本、治 理“三废 污染、保护环境等方面也取得了显著成就。其中最重要的 目标是提高产品的质量达到前所未有的高水平，非合成纤维所能及的 技术指标，使高质量的纤维获得高利润来支付治理“三废 污染所需 的高昂费用而生存。我国是再生纤维素纤维生产的大国，波里诺西克 l o 东华大学硕士学位论文第一章前言 纤维是一种高质量的粘胶纤维，它的研究开发利用对企业效益、国民 经济和人们的生活有巨大意义。 波里诺西克纤维是一种特殊的能耐碱处理的再生纤维素纤维，经 过碱液整理后该纤维具有棉的性能和丝般光泽。一般的普通粘胶纤维 是不耐碱或不能丝光整理的，研究波里诺西克纤维在碱性环境中的行 为或性能变化，以及纤维微细结构的变化，并找到其变化规律，将对 今后再生纤维素纤维的改性研究或后整理实践生产具有现实意义。 1 7 2 本课题研究内容 本课题主要是研究p o l y n o s i c 纤维在碱性环境中，纤维性能及其 结构的变化，按照“结构决定性能 的一般规律和纤维材料理论，揭 示其经碱处理前后纤维结构与性能的关系。具体研究内容如下： ( 1 ) 再生纤维素纤维的耐碱性研究 对常见的六种再生纤维素纤维进行相同条件下的碱性环境处理， 测试其纤维性能的变化，并进行相应比较。 ( 2 ) 碱性环境对p o l y n o s i c 纤维性能的影响研究 对p o l y n o s i e 纤维进行不同条件下的碱性环境处理，测试纤维性 能的变化并进行定量分析，包括纤维的碱溶性，强伸性能，溶胀性能 等。通过正交实验方差分析，得出影响纤维性能的主次要因素。最终， 以纺织纤维基本使用要求强度为准，以纤维溶胀适中为前提，设计最 佳碱性环境。 ( 3 ) p o l y n o s i c 纤维在碱性环境中的行为机理研究 阐述了纤维素在碱性环境中的反应理论，对经碱处理前后的纤维 结构进行测试，得出纤维的取向度、极性基团、结晶度等纤维结构指 标及其变化，从结构上对纤维性能的变化进行解释。 东华大学硕士学位论文第二章实验 2 1 实验样品 第二章实验 本课题实验所用纤维样品，如表2 1 所示。 表2 1 实验用纤维样品 试样纤维规格生产商 1 #m o d a l1 3 d t e x x 3 8 姗 奥地利兰精公司 2 # l y o c e l l 1 3 d t e x 3 8 咖 3 #t e n e e lg1 3 d t e x 3 8 衄 英国考陶兹公司 4 #t e n c e la 1 0 01 3 d t e x 3 8 衄 5 # p o l y n o s i e 1 3 d t e x 3 8 衄 中国丹东化纤厂 6 #v i s c o s e1 3 d t e x 3 8 衄 2 2 实验仪器及试剂 漏斗( 内径8 2 m m ) 、量筒( 10 0 m l 两个) 、烧杯( 5 0 0 m l 两个) 、 不锈钢过滤网( 孔径10 u m ) ： e x 一2 0 0 a 型电子天平( 精确度o 0 0 0lg ) ； y g ( b ) 0 0 3 a 型通风式快速八篮烘箱：南通宏大实验仪器公司； x q l 型单纤维强伸度仪：东华大学； y17 2 型哈氏切片器：常州纺织仪器厂； x s p 一16 a 型光学显微镜：中国； c h 一2 型显微摄影仪：日本o l y m p u s 公司： s i r o l a n l a s e r s c a n 纤维激光监测仪：澳大利亚c s i r o 公司； b x 5l 型热台偏光显微镜：日本o l y m p u s 公司； n e x u s 一6 7 0 型傅立叶红外光谱仪：美国n i c o l e t 公司； d m a x b 型x 射线衍射分析仪：日本理学公司； 纤维过滤装置自制，如图2 一l 所示： 酚酞指示剂、甲基橙指示剂、o 5 乙酸溶液、n a o h 溶液。 1 2 东华大学硕士学位论文 第二章实验 图2 1 纤维过滤装置 ( 1 铁架台；2 玻璃棒；3 烧杯；4 漏斗；5 过滤网；6 纤维试样) 2 3 纤维碱处理方法i 7 j 将纤维在标准大气中平衡2 4 h 后，用手整理纤维试样，不要拉伸 多点取样；称取1 0 9 样品并放入50 0 m l 烧杯中；用l0 0 m l 量筒量取 10 0 m l n a o h 溶液，加入烧杯中，静置一定时间( 在2 0 1 下) ；然 后用10 0 m l 量筒量取l0 0 m l 温水加入烧杯中，轻轻摇动；将样品倒入 过滤漏斗中，如此用3 0 - - 4 0 的温水洗涤至中性( 大约用5 l 水，用 酚酞指示剂检查过滤液) ；取出样品，用手挤净水，放回烧杯中；用 10 0 m l 量筒量取10 0 m l 的o 5 乙酸溶液，加入烧杯中，静置相同时 间( 在2 0 l 下) ；再次将样品倒入过滤漏斗中，用3 0 - - 4 0 的温 水洗涤至中性( 大约用5 l 水，用甲基橙指示剂检查过滤液) ；取出样 品，用手挤净水，轻轻撕松；将样品放入不锈钢网中，放入烘箱中， 在7 5 5 温度下，烘燥1h 左右；最后将样品在标准大气中平衡2 4 h ， 为后面的测试备用。 2 4 纤维碱溶性测试 因为实验所取纤维样品属于纤维素纤维，在碱性环境中会被溶掉 半纤维素或部分杂质以及少量纤维素，本文采用纤维失重率来表征其 1 3 东华大学硕士学位论文 第二章实验 碱溶性，纤维失重率能从一个方面反映其在碱性环境中受到的破坏程 度。 纤维经碱处理之前，在标准大气状态下称得每份样品的重量，经 过碱处理之后，每份样品在标准大气状态下测得其重量。其失重率公 式7 】( 2 1 ) 为： w l = ( 一w i ) w ox 1 0 0 ( 2 1 ) 式中：w ，纤维的失重率( ) ； w d 纤维碱处理之前的重量( g ) ； w 1 纤维碱处理之后的重量( g ) 。 2 5 纤维强伸性能测试1 8 j 强伸性能是纺织纤维的重要力学性能指标，实验参照国标g b t l4 4 6 3 9 3 ，采用东华大学研制的x q 1 型单纤维强伸度仪分别测定 碱溶液处理前后的纤维在干、湿状态下的断裂强度、断裂伸长率、初 始模量等指标。其中，湿态测试条件为将纤维全部浸入2 0 2 的蒸 馏水中浸润o 5 m i n ，然后在浸没状态下进行拉伸试验；纤维预加张力 为干态2 0 0 m g ，湿态l0 0 m g ；隔距为10 m m ：拉伸速度为10 m m m i n 。 子样数5 0 。温湿度条件为标准状态。 2 6 纤维形态结构测试 2 。6 1 纤维纵向表面、横向截面拍照 纤维的纵横向显微照片能形象地反映其形态，从中可以看出碱性 环境对纤维形态的影响。 将纤维用哈氏切片器做好切片试样，采用日本o l y m p u s 公司制造 的c h 一2 型显微摄影仪，对纤维的纵向、横截面进行观察拍照，放 大倍数为纵向10 0 倍和4 0 0 倍，横向4 0 0 倍。 2 6 2 纤维溶胀率测试 纤维直径的变化( 用溶胀率表示) 从一个方面可以反映纤维耐碱 性的强弱。 1 4 东华大学硕士学位论文 第二章实验