纺织科技避展.pdf

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1、5 0 纺织科技避展 2 0 0 9 年第2 期 海藻酸 纤维 结构 与性 能研 究 郑莉敏，朱平，张传杰(1 青岛大学 纤维新材料及现代纺织国家重点实验室，山东 青岛 2 6 6 0 7 1；2 武汉科技学院 新型纺织材料绿色加工及其功能化教育部重点实验室，湖北 武汉 4 3 0 0 7 3)摘要：对海藻酸纤维的形态结构、微结构、强伸性能、耐酸碱性能、吸湿性、燃烧性能等进行了初步探讨，并分析了海 藻酸纤维结构与性能之 间的关 系，为海藻酸纤维在新型纺织品 中的开发应 用提供 了理论依 据。关键词：海藻酸纤维；微结构；性能；研究 中图分 类号：T S 1 0 2 文献标识码：A 文章编号：1

2、6 7 3-0 3 5 6(2 0 0 9)0 2 一O O 5 0 一O 3 海藻酸纤维是一种天然生物高分子材料，属于可再生资源，是一种良好的环境友好材料。产品具有 良好 的吸湿性、易去除 性、高透氧性、凝胶阻塞性、可生物降解性、相容性和金属离子吸 附性等一系列优良的性能，成为当今新材料研究的热点 1 。海藻酸纤维通常由湿法纺丝制备，即将可溶性海藻酸盐(通 常用海藻酸钠)溶于水中形成粘稠溶液，然后通过喷丝孔挤出到 含有二价金属阳离子(M 除外)的凝固浴中，形成固态不溶性 海藻酸盐纤维长丝 2 。海藻酸类纤维的原材料来 自天然海藻中所提取的海藻多 糖。我国有漫长的海岸线，海生藻类极其丰富，充分

3、开发利用这 些自然资源对于我国发展海洋事业，保护生态环境都有很重要 的意义。1 实验部分 1 1 实验材料与仪器 材料：海藻酸纤维，自制 3 。仪器：Y1 7 2哈氏切片器，电子显微镜，Ni c o l e t 5 7 0 0型红外光 谱仪，xQ-1电子纤维强伸度仪，HH一 6恒温水浴锅等。1 2 纤维的外观形态及大分子 结构 测试 使用切片器制作纤维的纵向以及横截面切片，在电子扫描 显微镜下对纤维的细节进行精确的测量观察和判断。在红外光 谱仪下观察纤维的大分子结构，制作纤维的红外谱图。1 3 纤维的强伸性测试 利用 X Q1电子纤维强伸度仪对海藻酸纤维 的强力、断裂 伸长、强度、断裂功进行测

4、试。1 4 纤维的耐酸碱性测试 配制不同浓度的酸、碱溶液各 5 O ml，按浴比 5 0：1加入海 藻酸纤维，在 3 0、6 O、9 O下浸入 1 h，观察海藻酸纤维的形态变 化。1 5 纤维的吸湿性测试 用单位绝干重量的纤维含有的不能用机械方法除去的水分 表征纤维对液体的吸附性能的强弱，用吸液量表示。N-Go -一G 式中，N是吸液量，G 0 是经一定机械方法除水后纤维的重量，G 收稿 日期：2 0 O 9 0 3 0 5；修回 日期：2 0 0 9 0 3 2 O 作者简介：郑莉敏(1 9 8 3 一)，女，山东济宁人，在读硕士，研究方向为功能纤 维及功能纺织品的研究。是绝 干重量。本试验

5、主要测试了海藻酸纤维对 自来水、蒸馏水、生理盐水 的吸附陛能，称取一定量的海藻纤维试样，在室温下分别放入 自 来水、蒸馏水、生理盐水，纤维必须浸没达到完全充分润湿，1 h 后取出，将试样放人离心机脱水，4 5 mi n后取出纤维试样，迅速 称重，将纤维放入烘箱中，温度为 1 0 5 1 1 0。C，时间为 1 h。将纤维移出烘箱，在干燥器中冷却 3 0 mi n，称重 G。1 6 纤维的燃烧性能测试 用镊子夹取少量纤维，靠近火焰，观察纤维的燃烧性能。并 且与棉纤维、涤纶纤维等常见天然及合成纤维的燃烧状态进行 对 比。2 结果与讨论 2 1 海藻酸纤维的形态结构 纯海藻酸纤维呈白色，表面光滑，光

6、泽柔和，手感柔软，具有 良好的悬垂性。纤维的外观形态如图 1 所示。图 1 海藻酸纤 维的外观 利用电子扫描显微镜可对纤维的细节进行更精确的测量观 察和判断。通过对海藻酸纤维的径向扫描电镜图，观察发现，纤 维纹路整齐，粗细均匀，表面有沟槽；横截面的扫描电镜图显示 纤维比较细密，近似圆形，几乎看不到孔洞，无明显的皮芯结构，见图 2。原料海藻酸钠与海藻酸纤维的红外吸收谱图如图 3所示。与海藻酸钠相比，海藻酸纤维在 2 9 3 0 C m 处的大分子六元环 上 C H的伸缩振动吸收明显减弱，这是因为海藻酸大分子与 C a 2 形成“e g g-b o)【，结构，限制了六元环上 CH 的伸缩振动，使得

7、偶极矩变化较小，因而吸收峰较弱。并且由于大分子六元 环上部分的羟基参与配位，其它羟基相互缔合，在较高波数形成 吸收，与低波数峰重叠，最终使位于 3 4 1 0 c m-处大分子六元环 2 0 0 9 年第 2 期 纺织科技进展 5 1 上 0一H的伸缩振动峰变宽。在 1 0 3 0 c m 处为 C一0的伸缩 振动吸收，海藻酸钠分子中c一0伸缩振动吸收较弱，而海藻酸 纤维中由于钙的交联形成的 C一0一C a 一0一C O一基团结构，使得 C O的伸缩振动吸收增强，在谱图中表现明显。(a)径向(b)横向 图 2 海藻酸纤维 电镜 图 3 5 0 0 3 0 0 0 2 5 0 0 2 0 0 0

8、 1 5 0 0 1 0 0 0 波数 c m 图 3 海藻酸钠与海藻酸纤维红外光谱图 2 2 海藻酸纤维的强伸性能 海藻酸纤维强伸性能测试结果见表 1。表 1 海藻酸纤维强伸性能 由表 1可以看出，海藻酸纤维的强伸度优于粘胶纤维的强 伸度，这表明海藻酸纤维具有 比普通粘胶纤维更好的加工性能 和服用 性能。海藻酸纤维成型过程中，凝固浴中的钙离子和海藻酸钠分 子中的钠离子进行交换，在钙离子的作用下，海藻酸钠大分子中 的两个 G单元通过配位键形成具有六元环的稳定螯合物，相当 于纤维的结晶区。同时海藻酸纤维大分子间通过钙离子形成新 的作用力，增强了纤维大分子间的作用力，使得海藻酸纤维的强 伸度较高。

9、2 3 海藻酸纤维的耐酸碱性 海藻酸纤维经过酸碱处理后形态变化见表 2和表 3。表 2 海藻酸纤维的耐硫酸性 温度 硫酸浓度 g L 1 O 5 0 2 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 由表 2和表 3可以看出，海藻酸纤维不耐强酸、强碱，在酸、碱溶液中很容易溶涨、溶解。表 3 海藻酸纤维的耐碱性 温 度 丝 ：二 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 3 0 微溶胀 微溶胀 部分溶胀 部分溶胀 部分溶胀 部分溶胀 部分溶 胀 部分溶胀。9 0 纤维部分 纤维部分 纤维变黄 纤维变黄 纤维变黄 纤维变黄纤维变黄 纤维变黄并 变黄并微 变黄并微 并溶胀 并

10、溶胀 并严重溶 并严重溶并严重溶 严重溶胀 溶胀 溶胀 胀 胀 胀 通过显微镜，可明显看到海藻酸纤维的溶胀及溶解，见图 4 及图5。图4为海藻酸纤维处理前后纵向显微镜观察图，其中处 理条件是硫酸浓度 1 0 0 g L，温度 2 5。C，时间 1 h，浴比 1：5 O。图 5 为碱处理前后海藻酸纤维纵 向示意图，处理条件是 Na O H 溶液浓度 0 1 mo l L，温度 8 O，时间 1 h，浴比 1：5 0。(a)处理前(b)处理后 图 4 硫酸处理前后海藻酸纤维纵向示意图(a)处理 前(b)处理后 图 5 碱处理前后海藻酸纤维纵向示意图 在酸溶液中，主要对海藻酸纤维中甙键的水解起催化作

11、用，使 得海藻酸纤维的聚合度降低，酸浓度越大，海藻酸纤维水解越严重，最后将海藻酸纤维完全水解为小分子而溶解；在碱溶液中时，一方 面海藻酸纤维中的钙离子与溶液中钠离子发生离子交换，当越来越 多的钠离子进入纤维之后，纤维本身慢慢地由水不溶的海藻酸钙转 换成水溶的海藻酸钠，大量的水分进入纤维而使纤维形成胶体 5 ，另一方面，海藻酸纤维在碱溶液中发生氧化降解，碱溶液浓度越大，温度越高，海藻酸纤维的降解作用越快，聚合度越低。2 4 海藻酸纤维的吸湿性 海藻酸纤维对自来水、蒸馏水、生理盐水和 A溶液的吸附 能力，如图 6 所示。海藻酸纤维对不同液体的吸附能力顺序为：生理盐水A溶液自来水蒸馏水l 6 。海藻

12、酸纤维大分子在每一个重复单元中都有 四个羟基，两 个羧基，而水分子与羟基、羧基形成氢键，因此纤维的吸湿性强。此外，纤维中除了亲水基团直接吸着第一批水分子外，已经被吸 着的水分子因是极性的，也可能再与其它水分子互相作用。这 样，后来被吸着的水分子，积聚在第一批水分子上面，形成多层 的分子吸着，成为间接吸着水分子。再次，由于海藻酸纤维是湿 纺纤维，纤维中存在大量的微孔，也有利于吸水和保水。5 2 纺织科技进展 2 0 0 9 年第2 期 图 6 海藻酸纤维对不 同液体的变化 曲线图 2 5 海藻酸纤维的燃烧性能 燃烧性质是纤维的一种重要特性，纤维的燃烧状态也是确 定纺织纤维种类常用的重要依据。海藻

13、酸纤维的燃烧性能如表 4 所示。表 4 海藻酸纤维燃烧性能 荔 荔 燃 软 誉 燃 烧 萎 易 燃 燃 粪 瓤 味 而 熔融，缓慢燃 维可 燃 卷 塞 有 要 套 焰顶冒 黑烟 由表 4可以看出，海藻酸纤维相对于棉纤维、涤纶纤维来说 具有一定的阻燃性，这是因为在海藻酸纤维中，大分子链通过钙 离子交联环化，并与金属离子形成螯合结构I 7 (富 G海藻酸单 元形成的交联结构)，一C O OH 与一0 H 在加热时脱水环化(海 藻酸加热环化形成内交酯)，反应式如下：f 下 o A 产 g 。l l，一、6 H O H 1=；兰 =O O、+2 H，0 9 H Q H n I 1 O=C A l g

14、O=L 一 A k 0 二者的作用改变了纤维分子结构；提高了热裂解温度和炭 化程度，可抑制热裂解，减少可燃性气体的产生。海藻酸钙纤维燃烧时可能生成 C a O和 C a C O 沉淀覆盖在 纤维表面，在凝聚相和火焰间形成一个屏障，隔绝氧气、阻止可 燃性气体的扩散 8；大分子中钙、钠离子会在燃烧过程中形成碱 性环境，另外，多糖环含有羟基，在二者的共同影响下，海藻酸大 分子极易发生脱羧反应生成不燃性 C 0 2，稀释可燃性气体，反应 式如下 ：Na 0H a 0 (1)A l g-C 0 0 H A I g H+c 0 2 OH 0H(2)A 一c 0 0 H A 一H十 c 0 2 因此，海藻酸

15、纤维是一种阻燃纤维，自身具有阻燃性，燃烧 过程中纤维的炭化程度高，离开火焰即熄灭，有一定的阴燃性。3 结语 作为一种新型纤维，有关海藻酸纤维的报道还不是很多，关 于海藻酸纤维的结构、性能的研究也相继展开。海藻酸纤维的 原材料海藻不仅属于可再生资源，不会对环境造成破坏，而且资 源极大丰富，还具备良好的保健功能，如果把海藻应用于纺织 业，必将能为纺织纤维的开发提供丰富原料，缓解纺织原料严重 不足 的压力。参考文献：1 展义臻，朱平，张建波，等 海藻纤维的性能与应用 J 印染助 剂，2 0 0 6，2 3(6)：9 1 2 E 2 T o n g，D a v i d P P r o c e s s

16、f o r t h e p r o d u c t i o n o f a l g i n a t e f i b e r m a t e r i a l a n d p r o d u c t s m a d e t h e r e f r o m P US P a t e n t N o 4 5 6 2 1 1 0，1 9 8 5 一l 2 3l _ 3 张传杰，朱平，郭 肖青 高强度海藻酸盐纤维的制备 r J 合成纤 维工业，2 0 0 8，3 1(2)：2 8 3 2 4 赵媛媛，董瑛，朱平 海藻酸纤维的鉴别E J 印染，2 0 0 8，(7)：3 7 3 9 E 5 秦益民 海藻酸纤

17、维的成胶性能 J 产业用纺织品，2 0 0 3，(4)：1 7 1 9 1-6 郭肖青，朱平，张怡，等 海藻纤维吸附性能的测试与研究E J 印染助剂，2 0 0 7，2 4(1 1)：1 0 1 3 E T 赵立新 腈纶膨体线的改性阻燃整理 J 印染，2 0 0 1，(1)：2 6 2 8 8 K e l v i n K S 近期无机(B、A 1、z n、Mg、C a 和S i)阻燃剂的进展I-J 阻 燃材料与技术，2 0 0 0，(4)：1 1 1 2 9 J o l l C A，Hu y n h T，H e i t z A O f f-l i n e t e t r a me t h y

18、l a m m o n i u m h y d r o x i d e t h e r mo c h e mo l y s i s o f mo d e l c o mp o u n d a l i p h a t i c a n d a r o ma t i c c a r-b o x y l i c a c i d s：d e e a r b o x y l a t i o n o f s o me o r t h o-a n d o r p a r a s u b s t i t u t e d a r o ma t i c c a r b o x y l i c a c i d s J

19、 J o u r n a l o f A n a l y t i c a l a n d Ap p l ie d Py r o l y s i s，2 0 0 3，7 0(1 2)：1 51 1 6 7 The S t r u c t u r e a nd Pr o p e r t i e s o f Al g i na t e Fi b e r Z HE NG L i rai n ，Z HU P i n g。，Z HANG C h u a n-j i e (1 L a b o r a t o r y o f Ne w Fi b r e Ma t e r i a l s a n d Mo d

20、e r n Te x t i l e，The Gr o wi n g B a s e f o r S t a t e Ke y La b o r a t o r y，Qi n g d a o Un i v e r s i t y，Qi n g d a o 2 6 6 0 7 1，Ch i n a；2 Ke y La b o r a t o r y o f Gr e e n Pr o c e s s i n g a n d F u n c t i o n a l Te x t i l e s o f Ne w Te x t i l e Ma t e r i a l s，M i n i s t r

21、 y o f Ed u c a t io n，W u h a n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Eng i n e e r i n g，W u h a n 4 3 0 0 7 3，Ch i n a)Ab s t r a c t：A p i l o t s t u d y o f a l g i na t e f i b e r S f o r m，s t r u c t u r e，mi c r o s t r uc t u r e，s t r e n g t h a n d e x t e n s i b i l i t y，r e s

22、 i s t a nc e t o a c i d a n d a l ka l i，hy g r o s c o p i c p r o p e r t y a n d p r o p e r t y o f c o mbu s t i o n h a v e b e e n d o n e，a t t h e s a me t ime t h e r e l a t i o ns h i p be t we e n s t r u c t u r e a n d p r o p e r t i e s h a s be e n a n a l y z e d，wh i c h pr o v i d e a lgi n a t e f i b e r a t h e o r e t i c b a s i s f o r t h e d e v e l o p me n t a n d a p p l i c a t i o n o f n e w-t y p e f a br i c s Ke y wo r d s：a l g i n a t e f i b e r；mi c r os t r u c t u r e；p r o p e r t i e s；s t u d y