新型中空黏胶纤维的结构与性能

毛　月　王　妮　刘丽芳　施楣梧

1. 东华大学 纺织学院(中国)2. 总后勤部军需装备研究所(中国)

新型中空黏胶纤维的结构与性能

毛月1王妮1刘丽芳1施楣梧2

1. 东华大学 纺织学院(中国)2. 总后勤部军需装备研究所(中国)

摘要：测试了一种新型中空黏胶纤维的回潮率、拉伸性能、形态结构和聚集态结构，并与其他3种常见的再生纤维素纤维——普通黏胶纤维、莫代尔纤维及莱赛尔纤维进行对比。结果表明：中空黏胶纤维的回潮率为12.38%，干、湿态断裂强度分别为2.54 cN/dtex和1.62 cN/dtex，干、湿态断裂伸长率则分别为14.49%、16.67%。采用扫描电子显微镜观察中空黏胶纤维的表面和横截面形态发现：中空黏胶纤维的表面形态与普通黏胶纤维相同，而横截面呈明显的中空结构。X射线衍射测试结果得出：中空黏胶纤维的结晶度为31.73%。傅里叶变换红外光谱显示：中空黏胶纤维表现出纤维素II的结构特征，与其他3种再生纤维素纤维类似。

关键词：中空黏胶纤维；回潮率；结构；性能；结晶度；纤维素II

纤维素是自然界中一种储量非常丰富的原料，如棉、汉麻、黄麻等就包含大量的纤维素。在化工行业，纤维素已被用于生产化学纤维中的再生纤维，包括黏胶纤维、铜氨纤维，以及一些采用其他方法生产的再生纤维素纤维[1]。

目前，有关再生纤维素的相关研究多数都集中在对再生纤维素纤维生产方法的优化与功能化方面，以满足人们日益增长的需求和新材料的发展。已经研发生产出一些特殊的再生纤维素纤维，如适合消防服用的阻燃黏胶纤维[2-3]，卫生用抗菌再生纤维素纤维[4]，Viloft[5-6]纤维，以及具有极好的温度调节功能的Outlast[7-8]黏胶纤维。对于中空黏胶纤维而言，一方面，其纤维的中空部分可以保持静止空气，可作为保温材料代替木棉[9-10]或聚酯纤维[11-12]；另一方面，通过在中空部分添加功能性材料，可开发一些具有特殊功能的黏胶纤维。尽管这些再生纤维素纤维拥有基本相同的化学组成[13]，但不同的生产工艺和生产条件会造成纤维结构或性能上的差异。

为了更好地了解和应用中空黏胶纤维，本文对中国产新型中空黏胶纤维的结构与性能进行了测试，并与其他3种再生纤维素纤维——普通黏胶纤维、莫代尔纤维及莱赛尔纤维进行对比分析。

1试验

1.1材料

试验所测试分析的4种纤维——中空黏胶纤维、普通黏胶纤维、莫代尔纤维及莱赛尔纤维均由苏州恒光化纤有限公司提供，4种纤维的具体规格如表1所示。

表1　纤维品种及规格参数

1.2测试

根据文献[14]，采用Y 802型恒温烘箱及电子天平测定纤维的回潮率。回潮率的具体计算式如式(1)所示。

(1)

式中：W——纤维的回潮率；

G——纤维原质量；

G0——纤维干质量；

根据文献[15]，采用XQ-2型纤维强伸度仪测试纤维的力学性能。

采用JSM-5600LV型扫描电子显微镜观察纤维的表面和横截面形态结构。

采用D/MAX-2550PC型X射线衍射仪测试纤维的结晶度。

采用Nicolet Nexus 6700型红外分光光度仪对纤维进行傅里叶变换红外光谱(FTIR)测试，扫描范围为4 000～500 cm-1。

2结果与讨论

2.1回潮率

纤维回潮率的测试结果如图1所示。

图1　4种纤维的回潮率

由图1可知，中空黏胶纤维的回潮率相对较低，为12.38%，仅比莱赛尔纤维的回潮率稍高，这说明中空黏胶纤维的吸湿性是4种纤维中相对较差的。纺织材料的吸湿性是一个重要参数，影响纤维的其他性能，如影响纤维的密度及力学、热学和光学性能等，并且还会对纤维的生产和使用稳定性产生影响。一般而言，除了化学组成外，纤维的回潮率或吸水性能也取决于纤维的形态结构、分子排列、结晶度及纤维表层孔径的大小。许多学者研究了再生纤维素纤维的吸湿性，发现再生纤维素纤维的回潮率介于10.00%～16.00%[16-17]之间。由图1可知，4种被测再生纤维素纤维的回潮率介于11.71%～14.19%之间，基本上与前人的研究相吻合。由于4种再生纤维素纤维的化学组成相同，亲水基团的数量、强度无明显差异，使得纤维回潮率的差异并不明显。某种程度而言，纤维形态和聚集态结构上的差异会导致其吸湿性能的细微差别。

2.2力学性能

纤维的力学性能测试结果如表2所示。

表2　4种纤维的力学性能测试结果

由表2可知，在干态下，中空黏胶纤维的断裂强度低于普通黏胶纤维，初始模量高于普通黏胶纤维，而莱赛尔纤维的断裂强度和初始模量均最高；4种纤维中，中空黏胶纤维的断裂伸长率低于普通黏胶纤维，接近于莫代尔纤维，而莱赛尔纤维的断裂伸长率最小。较之干态，湿态下4种纤维的断裂强度和初始模量均有不同程度的下降，对应的断裂伸长率则有所增大。通过对干态和湿态条件下纤维力学性能的对比发现，莱赛尔纤维在湿态下具有更好的力学性能稳定性。一般而言，当纤维拥有更高的结晶度和取向度时，其力学性能也越好。

2.3形态结构

4种纤维的表面与横截面形态结构分别如图2和图3所示。

(a) 中空黏胶纤维

(b) 普通黏胶纤维

(c) 莫代尔纤维

图2　4种纤维的表面形态

(a) 中空黏胶纤维

(b) 普通黏胶纤维

(c) 莫代尔纤维

图3　4种纤维的横截面形态结构

由图2可知，中空黏胶纤维和普通黏胶纤维的表面形态相似，均存在沟槽结构，而莫代尔纤维和莱赛尔纤维的表面则很光滑。这与文献[18]的研究结果一致。由图3(a)可以看出，中空黏胶纤维的横截面为椭圆形，纤维壁较薄，纤维存在明显的中空结构，可保持大量的静止空气。因此，中空黏胶纤维可应用于保温隔热领域。由图3(b) ～图3(d)可以看出，普通黏胶纤维的横截面为锯齿形，莫代尔纤维和莱赛尔纤维的横截面则为圆形。不同的生产工艺可赋予纤维不同的横截面形态。

2.4结晶度

采用X射线衍射仪测试纤维的结晶度，4种纤维的X射线衍射图和结晶度测试结果分别如图4和表3所示。

图4　4种纤维的X射线衍射谱图

纤维类型结晶度/%中空黏胶纤维31.73普通黏胶纤维36.75莫代尔纤维26.05莱赛尔纤维42.18

2.5FTIR测试

4种纤维的FTIR图如图5所示。

A——莫代尔纤维;　B——普通黏胶纤维;C——莱赛尔纤维;　D——中空黏胶纤维图5　4种纤维的FTIR图

由于4种纤维的FTIR曲线类似，所以只选取中空黏胶纤维的FTIR图，并标记各特征峰的位置，如图6所示。

图6　中空黏胶纤维FTIR图及其特征峰位置

根据红外光谱图中的特征吸收峰，可判断其化学键类型，并定性分析纤维的化学组成，具体结果如表4 所示。

由图5和图6可以看出，纤维的红外光谱曲线在893 cm-1和1 423 cm-1处显示出特征峰，表明纤维素II结构的存在。4种纤维在1 430 cm-1和1 111 cm-1处都不存在特征峰，根据文献[23]所进行的研究，这是由于纤维素II结构起主导作用引起的。另外，文献[23]还表明，对于纤维素Ⅰ、纤维素II和无定形区而言，其特征峰所处的位置略有差异。根据图6，对于中空黏胶纤维而言，在1 423 cm-1处有非常明显的特征峰，这是纤维素II与无定形区所处的位置。如果纤维中含有大量的纤维素 Ⅰ 结构，则原本位于1 420 cm-1处的特征峰将转移到1 430 cm-1处[24]。而位于1 158、1 263和1 316 cm-1处的特征峰，则表明纤维拥有明显的纤维素II结构，这与XRD显示的结果相吻合。

3结论

黏胶是最早工业化生产的化学纤维。目前，关于黏胶纤维的研究主要集中在黏胶纤维的功能化和新生产方法方面，如用直接溶解法及其他的生产工艺生产高效、低污染的再生纤维素纤维。本文对新型中空黏胶纤维的基本结构和性能进行了测试，并与普通黏胶纤维、莫代尔纤维及莱赛尔纤维进行对比。研究结果表明：中空黏胶纤维的回潮率为12.38%，其干态断裂强度和断裂伸长率分别为2.54 cN/dtex 和14.49%，且其断裂强度是4种纤维中最小的；在湿态条件下，中空黏胶纤维的断裂强度下降，而断裂伸长率则上升。通过扫描电子显微镜观察发现，中空黏胶纤维的横截面存在明显的中空结构，而纤维纵向存在有明显的沟槽。X射线衍射谱图表明，中空黏胶纤维具有纤维素II结构，其结晶度为31.73%。中空黏胶纤维的傅里叶变换红外光谱图表明，纤维具有纤维素II结构，与X射线衍射的测试结果一致。

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Structure and properties of novel hollow viscose fiber

MaoYue1，WangNi1，LiuLifang1，ShiMeiwu2

1. College of Textiles，Donghua University，Shanghai/China2. The Quartermaster Research Institute of the General Logistics Department of the PLA, Beijing/China

Abstract:The moisture regain， tensile properties，and both morphological and aggregation structure of hollow viscose fiber were tested, and 3 other conventional regenerated cellulose fibers, i.e. conventional viscose fiber, modal fiber and lyocell fiber were compared. The results showed that the moisture regain of the hollow viscose fiber was 12.38%. The dry and wet breaking tenacities were 2.54 cN/dtex and 1.62 cN/dtex, while the breaking elongations in dry and wet were 14.49% and 16.67% respectively. The results of surface morphology and cross-section tested by scanning electron microscope showed that the hollow section obviously existed in the hollow viscose fiber and the surface morphology was the same with the conventional viscose fiber. Finally, crystallinity of hollow viscose fiber was 31.73% tested by X-ray diffraction, and the FTIR spectra of the fiber exhibited the characteristic of cellulose II, similar with the other 3 tested fiber.

Key words:hollow viscose fiber； moisture regain； structure； property； crystallinity； cellulose II