壳聚糖纺丝液流变性能改善方法初探

张庆法，孙永军，杜玉平，李 超(， )

1 研究背景

纺丝液的流变性的好与坏直接影响到纺丝过程中纤维的成型质量。对于壳聚糖纺丝液的流变性有很多人在做相关的研究，并希望寻找一种方法使壳聚糖纺丝液的流变性得到改善，但是至今尚未见到十分有效的方法。

李达、段友顺通过对降低甲壳胺溶液表观粘度的研究，发现甲壳胺纺丝原液中加入三聚氰胺可明显降低其表观粘度，不过三聚氰胺的加入对甲壳胺纤维的影响还需要进一步研究[1]。

吴国杰，姚汝华通过对壳聚糖溶液流变性质的研究，发现壳聚糖易溶于稀酸中，壳聚糖的醋酸溶液属假塑性剪切变稀溶液，其粘度随溶液浓度的降低、温度的升高、存放时间的延长、外加盐氯化钠量的增加、溶剂pH值的降低而降低，其中浓度和温度是两个主要影响因素[2]。

韩怀芬等分别对虾、蟹壳聚糖溶液在不同浓度、pH值、温度下对其粘度变化的影响进行了研究，结果表明在溶液中蟹壳聚糖的降解速度比虾壳聚糖的降解速度快，在相同条件下虾壳聚糖溶液的粘度要大于蟹壳聚糖溶液的粘度[3]。

杨庆，沈新元，郯志清，郁星，王良军等研究了壳聚糖/乙酸溶液与聚丙烯腈/硫氰酸钠溶液的共混性能，采用锥板式旋转粘度计法对壳聚糖/聚丙烯腈的共混原液的流变性进行了测试，发现壳聚糖/聚丙烯腈共混原液在全程流变过程中都呈现非牛顿性，非牛顿指数小于1，随着剪切速率的加大，原液呈现剪切变稀现象[4]。

本文在相关研究的基础上，提出将壳聚糖纺丝液进行均质处理的方法，试图在不使用添加试剂的情况下，改善其流变性能，这也符合绿色环保的理念。

2 实验仪器设备

2.1 均质处理器

实验中，使用均质处理器对壳聚糖纺丝液进行研磨处理，达到均质的效果。处理器主要由定子和转子两部分组成，定子与转子之间的间距可调。当壳聚糖纺丝液从定子与转子之间的空隙中流过时，转子的高速旋转使其受到剪切力的作用，从而实现了对纺丝液的均质处理。转子的旋转速度会影响壳聚糖纺丝液受均质的程度。

2.2 毛细管流变仪

毛细管流变仪是目前发展得最成熟、最典型、因而应用最广泛的聚合物熔体流变测量仪。根据测量原理的不同，毛细管流变仪可分为恒速型流变仪和恒压型流变仪，通常用的毛细管流变仪多为恒速型。毛细管流变仪的构造如图1所示：

毛细管流变仪的核心部分为一套精致的毛细管，具有不同的长径比(通常有L/D=10/1、20/1、30/1、40/1等)；料筒周围为恒温加热套，内有电热丝；料筒内物料的上部为液压驱动的柱塞。物料在柱塞高压作用下从毛细管挤出，由此测量材料的流变性。

图1 毛细管流变仪基本构造

毛细管流变仪通过测量聚合物流体在流动时承受的压力和剪切速率，计算流体的表观粘度，并通过变速装置改变柱塞的剪切速率，以便测量不同剪切速率下流体的表观粘度，用以表征流体的流变性。当柱塞以某一设定的剪切速率对壳聚糖纺丝液进行剪切时，压力传感器就会测出纺丝液所具有的压力，然后通过压力值计算出物料受到的剪切应力，而后根据公式可得在此剪切速率下壳聚糖纺丝液的表观粘度ηa=σw/γw ，其中σw为剪切应力，γw为剪切速率。

2.3 旋转粘度计

旋转粘度计是用于测量流体静态表观粘度的仪器。用该粘度计对液体进行粘度测量时，转子由电机带动在液体中作恒速旋转，同时液体会产生作用在转子上的粘性力矩。液体的粘度越大，该粘性力矩也越大；反之，液体的粘度越小，该粘性力矩也越小。该作用在转子上的粘性力矩由传感器检测出来，经计算机处理后可得出被测液体的粘度。

3 实验方法及结果

运用胶体磨对浓度为4%的纺丝液进行强剪切均质处理，并在处理过程中将样品分组，进行不同速度下的研磨均质实验，由于条件限制，本实验只在850 rpm和1700 rpm两个速度下对纺丝液进行了均质处理，结果如下：

3.1 均质速度对纺丝液粘度的影响

首先用不同的速度对浓度为4%的壳聚糖纺丝原液进行均质处理，研究均质对于壳聚糖纺丝原液静态表观粘度的影响，粘度测量温度为17℃，粘度比较见图2。

从图2可以发现均质处理会使浓度为4%的壳聚糖纺丝液的表观粘度明显地降低，当均质速度为850 rpm时，所得壳聚糖纺丝液表观粘度比未经均质处理的纺丝液粘度低24.5% ， 在均质速度为1700 rpm的情况下，壳聚糖纺丝液的表观粘度下降幅度为36.1% 。

图2 均质处理对4%壳聚糖溶液静态表观粘度的影响

3.2 均质速度对纺丝液剪切粘度变化的影响

将不同均质速度下处理的浓度为4%的壳聚糖纺丝液用R-T2000流变仪在30℃的温度下进行流变性测量，比较各种纺丝原液在受到剪切作用时，动态表观粘度的变化，数据比较见图3。

图3 不同均质速度处理的壳聚糖纺丝液流变性能比较

图3表明，在剪切速率小于2000 mm/s时，与未经过均质处理的壳聚糖纺丝液相比较，均质处理过的纺丝液在相同剪切速率的情况下，所表现出的动态表观粘度会有变大的趋势，在剪切速率大于2000 mm/s时，均质处理对于壳聚糖动态表观粘度的影响作用不大，实际纺丝过程中，喷丝头喷丝的速度在150 mm/s 左右，均质处理对于壳聚糖纺丝过程中动态表观粘度的影响比较明显。

4 结论

均质处理会使得壳聚糖纺丝液的静态表观粘度降低，且粘度的降低幅度随均质处理速度的增加而增加。同时，均质处理在一定范围内会使得壳聚糖纺丝液的动态表观粘度升高。由于壳聚糖纺丝液比较容易降解，所以在生产实践中，均质处理可以作为一种改变纺丝液动态表观粘度的方法，将已经因降解而粘度降低的纺丝液进行均质处理以获得动态表观粘度相对稳定的纺丝液。

[1] 李达，段友顺.降低甲壳胺溶液表观粘度的研究[J].化纤与纺织技术, 2009，(4):9—12.

[2] 吴国杰，姚淑华.壳聚糖溶液流变学性质的研究[J].华南理工大学学报，1997，25(10):62—66.

[3] 韩怀芬，钱俊青.虾、蟹壳聚糖溶液粘度变化的研究[J].科技通报，1998，14(6):441—445.

[4] 杨庆，沈新元，郯志清，郁星，王良军.聚丙烯腈与壳聚糖纺丝原液的流变性能研究[J].金山油化纤，2005，(4):15—20.