脂肪胺聚氧乙烯醚/聚丙烯酰胺/粘胶共混纤维及其性能

王　兵，张宜明，郑燕坪，林　义，尚书勇（.宜宾学院博士后创新实践基地，四川宜宾644007；.四川大学纺织研究所，四川成都60065）

脂肪胺聚氧乙烯醚/聚丙烯酰胺/粘胶共混纤维及其性能

王兵1，张宜明1，郑燕坪2，林义2，尚书勇1
（1.宜宾学院博士后创新实践基地，四川宜宾644007；2.四川大学纺织研究所，四川成都610065）

采用不同的添加物与粘胶原液进行共混纺丝，探讨了添加物及其浓度、组成和分子量等参数对纤维可纺性、纤度和力学性能的影响，制备了可纺性好、纤度较小、断裂强度较高、断裂伸长率较低的粘胶纤维，并通过正交试验验证了该工艺参数.结果显示：当所选用添加剂为脂肪胺聚氧乙烯醚/聚丙烯酰胺（PAE/PAM）、PAE/PAM浓度为3％、PAE/PAM比为1/1、PAM分子量为2 500万时，可得粘胶原液可纺性好、纤维纤度为286 dtex、断裂强度为2.16CN·dtex-1、断裂伸长率为15.1％的粘胶纤维，与普通粘胶纤维相比较，其纤度降低了9.78％，断裂强度提高了11.9％，断裂伸长率降低了15.6％.

粘胶纤维；纤度；可纺性；断裂强度；断裂伸长率

Wang B,Zhang YM,Zheng YP,etal.Preparation and Properties of Polyoxyethylene Alkyl Amine/Polyacrylamide/Vis⁃cose Blend Fibers[J].Journalof Yibin University,2015,15（6）：6-9.

粘胶纤维是一种历史悠久、技术成熟、产量巨大、用途广泛的再生纤维素纤维，与合成纤维相比，具有原料来源广泛，吸湿透气性好、染色性好、穿着舒适、不易产生静电、生物降解性能优良和不会污染环境的特点[1]，自问世以来在国际市场上一直以优异的性能而具有较强竞争力，深受世人喜爱.但其断裂强度较低、尺寸稳定性不足、服用性能较差等缺点，在一定程度上限制了粘胶纤维的使用[2].尽管以粘胶纤维中强度较高的Polynosic纤维和Modal纤维等为代表的高湿模量类纤维先后研发成功，其干湿强度和尺寸稳定性等都得到了很大的提高，但在纺速、勾结强度、耐磨和耐折性能、断裂伸长率等方面存在一定的缺陷而不适宜与合成纤维混纺[3].再有，我国在溶剂回收、设备制造、成本投入、环境保护等方面与国外尚有一定的差距，很多大规模工业化生产和应用的关键技术尚未攻克[4].因此，就如何提高普通粘胶纤维的强度而不影响其它性能成为当前急需解决的问题.

近年来，国内外许多研究者在这方面做了大量的工作，如将低分子量的纤维素浆粕改为纯度高、杂质少、分子量高的纤维素浆粕、改溶剂为有机溶剂或其它无机溶剂[5]、改变凝固浴中金属离子浓度或添加金属离子、延长丝条在凝固浴中的停留时间[6]、接枝改性纤维[7]等一系列措施来增强粘胶纤维的强度，其主要体现在改变传统原料、溶剂、凝固浴、后整理和纺丝工艺参数等方面[8].从近年来综合实践应用方面来看，上述研究工作大多生产工艺复杂，且价格昂贵，不利于现代化工业生产.

因此，考虑普通粘胶纤维的技术可行性和商业经济性，分别将脂肪胺聚氧乙烯醚（PAE）、聚丙烯酰胺（PAM）、PAE/PAM的碱性溶液与纺丝粘胶原液（纺丝原液）混合在一起进行注射纺丝，在不改变纺丝原液可纺性能和适当降低纤维断裂伸长率的条件下提高粘胶纤维的断裂强度，着重分析PAE/PAM含量和成分的变化对共混纺粘胶纤维各项性能的影响，以找出最佳的混纺比，为粘胶纤维的产品开发和生产实践提供参考.

1　实验

1.1实验原料

PAM、PAE和NaOH均为工业品，来自成都科龙化学试剂厂.木浆粘胶原液由四川某公司提供，其性能参数：NaOH 5.6％，α-纤维素8.9％，酯化度49％，温度52℃，10％NH4Cl熟成度值11m l，粘度（落球粘度）48 s，黄色液体.

1.2工艺路线

（1）在52℃下，先配制PAM、PAE、PAE/PAM浓度均为5％的溶液，该溶液中NaOH浓度为5.6％.（2）将（1）中所得溶液经注射系统打入纺丝系统中，再经混合、过滤、脱泡后进行纺丝和后处理，其工艺流程示意图1所示：

图1　PAE/PAM/粘胶共混纤维工艺流程图

1.3性能表征

性能测试均需在实验用标准大气，即温度（20± 2）℃，相对湿度（65±2）％条件下平衡24 h，并在此条件下进行测试.纤维的纤度采用中段切断法测定，纤维的断裂强度和断裂伸长率采用YG001A型纤维电子强力仪测定.

2　结果与讨论

2.1单因素分析与讨论

2.1.1添加物影响

在纺丝共混原液中，当添加物PAE、PAM和PAE/PAM浓度均为3％（相对粘胶原液中α-纤维素的质量百分比）、PAE/PAM质量比为1/1、PAM分子量为2 500万的条件下，参照空白样标准，实验结果如表1所示.

表1　添加物对粘胶纤维性能的影响

由表1可知，添加物为PAE、PAM和PAE/PAM时，粘胶原液的可纺性均较好.这主要是由于少量PAE、PAM和PAE/PAM等高分子物质的添加对纺丝原液过滤性能和粘度变化影响较少的缘故.

再有，相比空白样纤维，添加物为PAE、PAM和PAE/PAM时所得纤维的纤度有一定程度的降低，分别降低了0.95％、9.46％和9.78％.这是因为PAE、PAM、PAE/PAM的加入，不仅导致纺丝原液中碱纤维素浓度降低外，还因PAE、PAM与碱纤维素大分子之间的相互作用较原液中碱纤维素与碱纤维素大分子之间的相互作用有一定差异的缘故，导致原液在纺丝凝固过程中，部分PAE或PAM从纺丝原液中脱离出来，再有PAM在碱性原液中存在一定的水解反应[9]，提高了PAM在碱性溶液中的溶解度，以上三个方面的原因均降低了纤维中高分子物质的含量，有利于粘胶纤维的纤度下降.

另外，较空白样纤维，添加物为PAE、PAM和PAE/PAM时所得纤维断裂强度依次增加，分别增加了2.07％、5.7％和11.92％；同时，其断裂伸长率也依次得到了一定程度的降低，分别降低了8.94％、13.41％和10.06％，其主要原因是PAE的分散作用和PAM主链上的酰胺基团发生水解后与纤维素大分子上的羟基基团相互作用，形成了局域空间网状结构[10]，改善了纤维的皮芯层结构，提高了纤维结构的均匀性所致.

此外，由表1可知，使用PAE/PAM共混改性粘胶纤维所得纤维的综合性能较单独使用PAE、PAM所得纤维的性能更佳，这主要是PAE与PAM协同作用的原因，PAE作为分散剂具有改善原液的过滤性能，提高了PAM在粘胶原液中的均匀度的作用；而PAM由于分子链中含有多种官能团，不仅可与纤维上的羟基产生分子间的相互作用，而且PAM与PAM之间和PAM与纤维间形成了氢键，具有提高纤维断裂强度、改善纤维断裂伸长率的作用.

2.1.2浓度影响

在纺丝共混原液中，当添加物为PAE/PAM、PAE/PAM质量比为1/1，PAM分子量为2 500万的条件下，改变纺丝共混原液中PAE/PAM浓度，实验结果如表2所示.

表2　PAE/PAM浓度对PAE/PAM/粘胶纤维性能的影响

由表2可知：随添加物PAE/PAM浓度增加，纺丝原液可纺性逐渐降低，粘胶纤维的纤度逐渐降低，断裂强度先提高后降低，断裂伸长率逐渐减少.

粘胶原液可纺性降低主要是由于PAE/PAM在纺丝原液中的作用不同所产生的.当PAE/PAM浓度较低（1％～3％）时，PAE分散作用占优，有利于提高粘胶原液的均匀度，增强粘胶原液的可纺性.当PAE/PAM浓度较高（4％～6％）时，PAM对碱纤维素絮凝作用占优，在此范围内，随PAE/PAM浓度增加，PAM絮凝作用逐渐增强，当PAE/PAM浓度达到5％后，虽然PAE的分散作用也得到了一定程度提高，但PAM含量增大使其纺丝液粘度极大地增加，可导致粘胶原液过滤困难；另外，由于化学结构不同，PAM是柔性链，且为高分子量，而纤维素是半刚性链，由于“大合作效应”，分子量很大而引起相容性的显著变化，和“熵不溶性”可能使混合体系出现相分离，导致纺丝原液中粒子直径增大，出现粘胶原液过滤困难、喷丝头堵住和丝条断头等可纺性较差的现象[11-12].

粘胶纤维纤度降低主要是由于部分PAM水解和粘胶原液在纺丝过程中由液相向固相转变的进程中，部分PAE和PAM从原液中脱离出来进入了纺丝凝固浴中，导致所得粘胶纤维中有效高分子浓度降低，从而出现了纤维纤度从318 dtex降低到277 dtex的现象.

纤维断裂强度和断裂伸长率变化的原因主要是PAM与纤维之间的氢键结合的差异所产生的[13].当PAE/PAM浓度较低时，随PAE/PAM浓度增加，PAE浓度增大，利于PAM与碱纤维素的分散均匀，增加了PAM分子链上酰胺基团、部分PAM水解产生的羟基、胺基与纤维羟基之间的相互作用[14]，加大了粘胶纤维的空间网络结构，从而提高了纤维的断裂强度，降低了纤维的断裂伸长率；当PAE/PAM浓度进一步增大时，PAM的絮凝作用增大，同时也增大了柔性高分子PAM与PAM之间的作用机率，降低了纺丝原液的均匀性，提高了纤维的紧度，导致纤维脆性增大，容易出现断裂强度明显下降，纤维断裂伸长率显著降低的现象.从表2可知，仅当PAE/PAM浓度为3％时，此时的纺丝原液可纺性好，所得纤维具有纤度较小、断裂强度较大和断裂伸长率较低的特点.

2.1.3物质比影响

当其它纺丝条件不变时，改变纺丝共混原液中PAE/PAM质量比，实验结果如表3所示.

表3　PAE/PAM质量比对PAE/PAM/粘胶纤维性能的影响

由表3可知：随添加物PAE/PAM质量比增大，纺丝原液可纺性逐渐提高，纤度显著增加，断裂强度先增加后减少，断裂伸长率逐渐增大.这主要由于在粘胶纤维共混原液中，PAM分子链是柔软的，其高分子链容易绻曲成球形，未水解的PAM分子在溶液容易绻曲成一团，分子链上的活性基团不能充分伸展[15]；而部分发生水解的PAM容易展开起到吸附和絮凝作用.当PAE/PAM质量比较低时，PAE浓度较小，分散作用有限，在共混原液系统中容易出现固溶胶粒子数和粒子直径增大的现象，导致原液过滤困难，出现纺丝原液可纺性降低的现象；另一方面，过多的PAM互缠结而导致溶液粘度增大，所得成品纤维容易发生较大范围内的局部空间网络交联而导致纺丝原液的可纺性降低[16]，致使所得纤维发硬，脆性增大，出现纤维断裂强度和断裂伸长率较低的现象，降低了纤维的力学性能.随PAE/PAM质量比增加，PAE浓度增大，PAM浓度降低，PAE的分散作用增强，PAM的絮凝作用减弱，PAM与纤维素之间的作用得到适当降低，原液中胶粒之间的团聚现象逐渐得到改善，纺丝原液的均匀性提高；随PAE/PAM质量比进一步加大；当PAE/PAM质量比大于1/1时，溶液中能起到空间交联结构的PAM不够，导致纤维强度降低和断裂伸长率增大.因此，仅当PAE/PAM质量比为1/1时，所得纤维性能最佳.

2.1.4PAM分子量影响

当其它纺丝条件不变时，改变纺丝共混原液中PAM分子量，实验结果如表4所示.

表4　PAM分子量对PAE/PAM/粘胶纤维性能的影响

由表4可知：随着PAM分子量增加，粘胶原液可纺性几乎没有变化，而粘胶纤维的纤度逐渐增加，但增加程度较小，断裂强度显著提高，断裂伸长率逐渐减少.

可纺性较好的原因主要是：当PAE/PAM浓度为3％，PAM分子量在600万～2 500万范围内变化时，虽PAM水解程度存在一定的差异，容易出现交联点数量不同的现象，但尚未达到形成交联体聚合物的条件，此时纺丝原液的流动性和粘度变化依旧较小，仍在纺丝原液可纺性较好的变化范围内.

纤维纤度变化的原因，主要是纺丝原液在凝固浴中从液相凝固为固相的过程中，部分分子量较小的PAM较分子量较大的PAM与原液中纤维素的相互作用点少、作用力较低而容易脱离出来所致.而纤维断裂强度和断裂伸长率的变化主要是PAM与纤维素之间结合的差异引起的[17]，在纺丝原液的碱性条件下，随着PAM分子量增加，PAM主链上酰胺基团数量增加，酰胺基水解为羧酸基的数量和程度均增加，由于电荷的作用使其分子链比较伸展[18]，与纤维素分子链上的羟基作用点增加，有利于PAM与纤维之间的作用力增大和部分空间网络结构的形成，从而也有利于纤维断裂强度的提高和断裂伸长率减少.

2.2正交试验

在以上单因素实验的基础上，添加物为PAE/PAM，以添加物浓度、添加物质量比和PAM分子量为因子，以断裂强度为目标，采用L9（34）正交实验优化共混粘胶纤维工艺条件，实验结果见表5.

表5　正交试验结果与分析

经正交试验设计表5分析可知，影响纤维断裂强度和断裂伸长率的主次顺序一致，依次为PAE/PAM浓度、PAE/PAM质量比、PAM分子量.从纤维断裂强度和断裂伸长率二方面综合考虑，共混粘胶原液纺丝的最佳方案为A2、B2、C3，证实了上述单因素实验的最佳参数，在选用PAE/PAM添加物的条件下，最佳工艺参数为：PAE/PAM浓度3％、PAE/PAM为1/1、PAM分子量2 500万，粘胶纤维共混原液可纺性最佳，此时所得纤维的断裂强度为2.16 CN·dtex-1，断裂伸长率为15.1％，在此参数下所得纤维的断裂强度和断裂伸长率均较好（断裂伸长率的过高或过低均不利于后端加工的要求），与普通粘胶纤维相比较，其纤度降低了9.78％，断裂强度提高了11.9％，断裂伸长率降低了15.6％.

3　结论

PAE/PAM/粘胶纤维是普通粘胶纤维的改性纤维，它具有PAM的高吸湿性和纤维素纤维的特点，并且改善了普通粘胶纤维一直难于解决的强度过低和伸长率较高的缺点，在粘胶纤维原有的基础上面，增添了粘胶纤维的品种.

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（编校：王露）

Preparation and Propertiesof Polyoxyethylene Alkyl Am ine/Polyacrylam ide/Viscose Blend Fibers

WANGBing1,ZHANGYiming1,ZHENGYanping2,LIN Yi2,SHANGShuyong1
（1.Innovation and Practice Base forPostdoctors,Yibin University,Yibin,Sichuan 644007,China；2.Textile Institute,Sichuan Universi⁃ty,Chengdu,Sichuan 610065,China）

The viscose fiberswere prepared by blending spinning solutionswith differentadditivesand viscose.Effectsof additive species,concentration,composition andmolecularweighton the fiber spinnability,size andmechanical proper⁃tieswere discussed and optimized.The fiberswith good spinnability,small size,high breaking strength,and low elonga⁃tion were prepared,and the process parameterswere verified by orthogonal test.The results show thatunder the condition that the additive was polyoxyethylene alkyl amine/polyacrylamide（PAE/PAM）,concentration of PAE/PAM was 3％, PAE/PAM ratiowas 1/1,PAMmolecularweightwas 25million,the viscosemay have good spinnability and the fiber size was 286 dtex and breaking strength was 2.16 CN·dtex-1,elongation atbreak was 15.1％.Compared with ordinary viscose fiber,itssizewas reduced by 9.78％,breaking strength increased by 11.9％and elongation atbreak decreased by 15.6％.

viscose fiber；size；spinnability；breaking strength；elongation atbreak

TQ342

A

1671-5365（2015）06-006-04

2015-03-16修回：2015-03-19

中国博士后科学基金资助项目（20110491711）；四川省科技厅支撑计划资助项目（2012GZ0114）；四川省教育厅资助项目（14ZB0287）；宜宾市引进高层次人才资助项目（2010YG02）；宜宾学院重点科研资助项目（2013QD01）

王兵（1978-），男，工程师，博士，研究方向为材料结构与性能

网络出版时间：2015-03-23 16：48网络出版地址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/51.1630.Z.20150323.1648.002.html

引用格式：王兵，张宜明，郑燕坪，等.脂肪胺聚氧乙烯醚/聚丙烯酰胺/粘胶共混纤维及其性能[J].宜宾学院学报,2015,15 （6）：6-9.