韓永良，李 賀，嚴(yán)小育，劉麗妍

(1.天津漢晴環(huán)?？萍加邢薰荆旖?300384；2.天津工業(yè)大學(xué)，天津 300387)

木槳纖維溶解過程分析及溶液表觀粘度測試

韓永良1，李 賀2，嚴(yán)小育2，劉麗妍2

(1.天津漢晴環(huán)保科技有限公司，天津 300384；2.天津工業(yè)大學(xué)，天津 300387)

文章在最佳配比溶液條件下，利用偏光顯微鏡對采用脫膠工藝得到的兩種木槳纖維的溶解過程進(jìn)行觀察和分析，并使用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測試了不同的纖維投放量以及溶解溫度對溶解木槳纖維后的溶液表觀粘度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明纖維溶解過程為先由一根完整的纖維斷裂為多段殘缺的纖維，這些小段再繼續(xù)溶解；纖維溶液的表觀粘度隨著纖維投放量的增加逐漸增加，隨著溫度的增加逐漸降低。

木槳纖維；溶解過程；溫度；表觀粘度

近年來，隨著人們環(huán)保意識的不斷提高，消費(fèi)者更加傾向于選擇綠色環(huán)保型紡織品。綠色環(huán)保型纖維也成為紡織領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)。木漿纖維是由木材經(jīng)機(jī)械加工和化學(xué)處理后所制備的一種天然纖維素纖維，具有吸濕性好、柔軟、可生物降解等特性，是一種純天然綠色纖維[1～3]。本文根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)[1～16]以及前期基礎(chǔ)性試驗(yàn)，配置氫氧化鈉、硫脲和尿素的水溶液，在最佳配比的條件下，通過偏光顯微鏡對纖維的溶解過程進(jìn)行觀察和分析，并對溶解后的纖維素溶液的表觀粘度進(jìn)行測試。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料與儀器

試驗(yàn)材料：采用經(jīng)脫膠處理后得到的兩種木材的木漿工藝?yán)w維，纖維I和纖維II，均來自天津漢晴環(huán)?？萍加邢薰尽?/p>

試驗(yàn)試劑：氫氧化鈉、硫脲、尿素、氯化鈉。

試驗(yàn)儀器：JJ-1精密定時(shí)電動攪拌器、BC-90D冰箱、WND-100型高速中藥粉碎機(jī)、TG16-WS高速離心機(jī)、DZF-6050型真空干燥箱、LQ-A10002電子天平、NDJ-79型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)、SYC超級恒溫水槽、BK-POL-22R透反射偏光顯微鏡。

1.2 試驗(yàn)過程

1.2.1 纖維的預(yù)處理

將脫膠后的纖維I和纖維II在DZF-6050型真空干燥箱中70℃條件下烘干6 h后，再用中藥粉碎機(jī)將烘干好的纖維進(jìn)行充分粉碎并存儲備用。

1.2.2 纖維的溶解過程

配制2組氫氧化鈉/硫脲/尿素/水質(zhì)量比為6/4.5/8/81.5的100 g溶劑，將其放入冰箱中預(yù)冷至-10℃。分別將4 g的纖維Ⅰ與纖維Ⅱ投放入溶劑中，在冰鹽水浴中用2000 rpm的轉(zhuǎn)速各攪拌5 min后。用玻璃棒沾取一滴纖維素溶液滴在載玻片上，用偏光顯微鏡觀察其顯微結(jié)構(gòu)的變化。

1.2.3 纖維溶液表觀粘度性質(zhì)的測試

在溶劑為最佳配比的情況下，分別投放2 g、3 g、4 g、5 g質(zhì)量的纖維I和纖維II，在SYC超級恒溫水槽中使用NDJ-79型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測定不同濃度的纖維素溶液在不同溫度下的表觀粘度。

2 結(jié)果與分析

2.1 木槳纖維在氫氧化鈉/硫脲/尿素/水體系溶解過程分析

氫氧化鈉/硫脲/尿素/水體系對于木槳纖維的溶解機(jī)理為：首先，木槳纖維中的纖維素與氫氧化鈉水溶液反應(yīng)生成帶負(fù)電荷的堿纖維素，引起纖維素的劇烈溶脹，堿液還可以破壞纖維素分子間氫鍵；其次，尿素與硫脲具有協(xié)同作用，可以破壞木槳纖維中纖維素分子內(nèi)的氫鍵，同時(shí)尿素和硫脲可以減緩凝膠現(xiàn)象的發(fā)生[4～8]。

圖1 纖維I放進(jìn)溶劑未攪拌溶解初始態(tài)

圖2 纖維I放進(jìn)溶劑攪拌10 min后溶解狀態(tài)

圖1和圖2是將纖維I放入溶劑后不同階段的照片，從圖1可以看出纖維在剛放入溶劑未經(jīng)攪拌的時(shí)候，纖維呈分散、松散的狀態(tài)。從圖2可以看出，用電動攪拌器以2000 rpm的速度攪拌10 min后，溶液逐漸變得粘稠，無法用肉眼觀察到明顯的纖維，溶液顏色也逐漸與纖維的顏色相接近，絕大部分纖維已經(jīng)被溶劑所溶解。

圖3為通過偏光顯微鏡觀察到的纖維I在溶解過程中攪拌不同時(shí)間后溶液中纖維形態(tài)的放大圖片。

圖3 纖維I的顯微結(jié)構(gòu) (放大100倍，視場φ=22 mm)

圖4為通過偏光顯微鏡觀察到的纖維II在溶解過程中攪拌不同時(shí)間后溶液中纖維形態(tài)的放大圖片。

圖4 纖維II的纖維結(jié)構(gòu) (放大100倍，視場φ=22 mm)

從圖3和圖4中可以看出，在纖維剛放入溶劑中時(shí)，纖維都是互相纏結(jié)在一起。在攪拌5 min時(shí)大部分的纖維開始分散，并開始溶解。在攪拌10 min時(shí)，纖維溶液中出現(xiàn)了明顯的纖維小段，說明大部分纖維經(jīng)溶解發(fā)生斷裂，纖維I溶解后的纖維段與纖維II相比要細(xì)小，未溶解的殘余纖維的含量少。說明在相同試驗(yàn)條件下，纖維I在復(fù)合溶劑中的溶解性比纖維II效果好。在攪拌時(shí)間延長到15 min時(shí)，纖維的溶解情況沒有很明顯的變化，說明其溶解能力已經(jīng)顯著下降。

整個(gè)溶解過程為：兩種木槳纖維首先分散在溶劑體系中，然后由一根完整的纖維溶解成若干段，這些若干段再逐步進(jìn)行溶解。這種溶解方式具有兩方面的優(yōu)點(diǎn)：(1)增大接觸面積，有助于溶劑對纖維的充分作用。(2)若干段殘缺纖維同時(shí)進(jìn)行溶解，減少達(dá)到最大相對溶解度所需要的時(shí)間。

2.2 纖維溶液表觀粘度的研究

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)4組氫氧化鈉/硫脲/尿素/水質(zhì)量比為6/4.5/8/81.5的100 g溶劑，將其放入冰箱中預(yù)冷至-10℃。分別將2 g、3 g、4 g、5 g的纖維Ⅰ與纖維Ⅱ投放入溶劑中，在冰鹽水浴中用電動攪拌器以2000 rpm的轉(zhuǎn)速對溶液攪拌10 min。再用高速離心機(jī)以10000 rpm的速度離心6 min，最終獲得不同濃度的木槳纖維溶液。然后再用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)來測試不同濃度、不同溫度下的纖維素溶液Ⅰ和纖維素溶液Ⅱ的表觀粘度。

2.2.1 纖維投放量對木槳纖維溶液表觀粘度的影響

粘度是指液體對流動所表現(xiàn)的阻力，是液體流動時(shí)內(nèi)摩擦力大小的一種度量[9]。如圖5所示，纖維I和纖維II的表觀粘度隨著纖維投放量的增加而增加，但是當(dāng)纖維I的投放量為5 g時(shí)，相比投放量為2 g、3 g、4 g，其表觀粘度驟增；而纖維II隨著投放量的增加其表觀粘度增加的程度大致相同。纖維I在質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%左右時(shí)發(fā)生驟變，可能是達(dá)到溶液的臨界投放點(diǎn)。當(dāng)纖維素I的含量低于4%時(shí)，粘度主要是由其鏈內(nèi)結(jié)構(gòu)單元的相互作用，當(dāng)纖維素I的含量高于4%時(shí)，此時(shí)分子鏈間的相互作用占了主要因素，從而使粘度出現(xiàn)驟增現(xiàn)象[10～12]。

圖5 纖維投放量對木槳纖維溶液表觀粘度的影響

2.2.2 溫度對木槳纖維溶液表觀粘度的影響

由圖6所示，纖維I和纖維II在一定的溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高木槳纖維溶液的表觀粘度逐漸降低，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是隨著溫度上升分子鏈活動能力增強(qiáng)，破壞了原有的溶液內(nèi)部的氫鍵和大分子鏈的纏結(jié)，降低了流動阻力，因而溶液粘度下降[13～16]。在同樣的溫度條件下纖維I的表觀粘度均大于纖維II的表觀粘度，這在一定程度上與纖維在溶劑中的溶解度有關(guān)系，在該試驗(yàn)條件下，纖維I的溶解度為84.49%，纖維II的溶解度為83.33%。

圖6 溫度對木槳纖維溶液表觀粘度的影響

3 結(jié)論

本文對兩種木槳纖維，纖維I和纖維II在達(dá)到最佳相對溶解度的條件下，對木槳纖維的溶解過程進(jìn)行了分析并對溶解后的溶液的表觀粘度進(jìn)行測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)纖維在溶解過程中，先由一根完整的纖維斷裂為多段殘缺的纖維，這些小段再同時(shí)進(jìn)行溶解，這擴(kuò)大了溶劑與纖維的接觸面積，達(dá)到快速溶解的目的。在常溫條件下(25℃)，隨著纖維投放量的增加，纖維溶液的表觀粘度也隨之增加，其中纖維I當(dāng)其纖維投放量為5 g時(shí)，其表觀粘度驟增；纖維溶液的表觀粘度隨著溫度的增加逐漸降低，且在相同條件下纖維I的表觀粘度大于纖維II的表觀粘度，這與纖維I與纖維II在溶劑中的溶解度有關(guān)。

[1] 李海嬌，靳向煜，徐原.木漿纖維水刺復(fù)合不同加固結(jié)構(gòu)纖網(wǎng)時(shí)的流失現(xiàn)象[J].東華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015，41(2)：196—203.

[2] 范華.木漿纖維織物的開發(fā)[J].江蘇紡織，2009，27(7)：44—46.

[3] 王前文，李桂付，苗秀愛.棉/木漿纖維/羊絨/絹絲柔潔色紡針織紗的開發(fā)[J].上海紡織科技， 2014，42(11)：51—56.

[4] 孫海燕.采用氫氧化鈉/尿素/水溶液溶解體系生產(chǎn)纖維素纖維的工藝討論[J].江蘇紡織， 2014，30(3)：35—37.

[5] 孫玉山，徐紀(jì)剛，李昭銳，等.新溶劑法纖維素纖維開發(fā)概況與展望[J].紡織學(xué)報(bào)，2014， 35(2)：126—132.

[6] 劉睿，韓卿，錢威威.纖維在NaOH-尿素體系中的溶解性能[J].中國造紙，2015，34(7)：18—22.

[7] 解芳，邵自強(qiáng).天然纖維素纖維的溶解機(jī)理及紡絲技術(shù)發(fā)展[J].華北工學(xué)院學(xué)報(bào)，2002， 23(2)：119—122.

[8] Chauve M，Barre L，Tapin-Lingua S，et al. Evolution and Impact of Cellulose Architecture During Enzymatic Hydrolysis by Fungal Cellulases[J].Advances in Bioscience & Biotechnology，2013，4(12)：1095—1109.

[9] 查純喜，金華進(jìn)，顧利霞.纖維素在氫氧化鈉/硫脲/尿素/水溶液中的溶解和溶液特性[J].東華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，34(34)：20—23.

[10] 李榮超.新型纖維素溶劑體系的研究[D].青島：青島大學(xué)，2011.

[11] 張帥.新型溶劑制備再生纖維素纖維及其結(jié)構(gòu)性能研究[D].上海：東華大學(xué)，2010.

[12] 張俐娜，阮東，高山俊.溶解纖維素的硫脲堿水溶劑及制備再生纖維素膜的方法[P].中國專利：CN1358769，2002—07—17.

[13] 李琳，趙帥，胡紅旗.纖維素溶解體系的研究進(jìn)展[J].纖維素科學(xué)與技術(shù)，2009，17(2)：69—75.

[14] 呂昂，張俐娜.纖維素溶劑研究進(jìn)展[J].高分子學(xué)報(bào)，2007，1(10)：937—944.

[15] 張須友.纖維素在銅氨溶液和銅乙二胺溶液中的溶解及再生[D].青島：青島大學(xué)，2012.

[16] 師少飛，王兆梅，郭祀遠(yuǎn).纖維素溶解的研究現(xiàn)狀[J].纖維素科學(xué)與技術(shù)，2007，15(3)：74—78.

Analysis of Wood Pulp Fiber Dissolution Process and Testing Apparent Viscosity of the Solution

HanYongliang1,LiHe2,YanXiaoyu2,LiuLiyan2

(1.China Clear (Tianjin) Environment Protection Tech Co., Ltd, Tianjin 300384, China; 2.Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China)

In this paper the dissolution processes of two kinds of degummed wood pulp fibers were observed and analyzed by polarizing microscope, and content of fiber and solution temperature effected on apparent viscosity of the solution were tested by rotational viscometer. The results show that one fiber is broken into several small parts in the solution, then they are continued to dissolve. The apparent viscosity of the solution is increased with the increasing content of fiber,decreased with the increasing of temperature.

wood pulp fiber; the dissolution process; temperature; apparent viscosity

2016-09-07

韓永良(1975—)，男，吉林樺甸人，工程師。

TS101.92+1

B

1009-3028(2016)06-0028-04