殼聚糖紡絲液流變性能改善方法初探

張慶法，孫永軍，杜玉平，李 超(， )

1 研究背景

紡絲液的流變性的好與壞直接影響到紡絲過程中纖維的成型質量。對于殼聚糖紡絲液的流變性有很多人在做相關的研究，并希望尋找一種方法使殼聚糖紡絲液的流變性得到改善，但是至今尚未見到十分有效的方法。

李達、段友順通過對降低甲殼胺溶液表觀粘度的研究，發(fā)現(xiàn)甲殼胺紡絲原液中加入三聚氰胺可明顯降低其表觀粘度，不過三聚氰胺的加入對甲殼胺纖維的影響還需要進一步研究[1]。

吳國杰，姚汝華通過對殼聚糖溶液流變性質的研究，發(fā)現(xiàn)殼聚糖易溶于稀酸中，殼聚糖的醋酸溶液屬假塑性剪切變稀溶液，其粘度隨溶液濃度的降低、溫度的升高、存放時間的延長、外加鹽氯化鈉量的增加、溶劑pH值的降低而降低，其中濃度和溫度是兩個主要影響因素[2]。

韓懷芬等分別對蝦、蟹殼聚糖溶液在不同濃度、pH值、溫度下對其粘度變化的影響進行了研究，結果表明在溶液中蟹殼聚糖的降解速度比蝦殼聚糖的降解速度快，在相同條件下蝦殼聚糖溶液的粘度要大于蟹殼聚糖溶液的粘度[3]。

楊慶，沈新元，郯志清，郁星，王良軍等研究了殼聚糖/乙酸溶液與聚丙烯腈/硫氰酸鈉溶液的共混性能，采用錐板式旋轉粘度計法對殼聚糖/聚丙烯腈的共混原液的流變性進行了測試，發(fā)現(xiàn)殼聚糖/聚丙烯腈共混原液在全程流變過程中都呈現(xiàn)非牛頓性，非牛頓指數(shù)小于1，隨著剪切速率的加大，原液呈現(xiàn)剪切變稀現(xiàn)象[4]。

本文在相關研究的基礎上，提出將殼聚糖紡絲液進行均質處理的方法，試圖在不使用添加試劑的情況下，改善其流變性能，這也符合綠色環(huán)保的理念。

2 實驗儀器設備

2.1 均質處理器

實驗中，使用均質處理器對殼聚糖紡絲液進行研磨處理，達到均質的效果。處理器主要由定子和轉子兩部分組成，定子與轉子之間的間距可調。當殼聚糖紡絲液從定子與轉子之間的空隙中流過時，轉子的高速旋轉使其受到剪切力的作用，從而實現(xiàn)了對紡絲液的均質處理。轉子的旋轉速度會影響殼聚糖紡絲液受均質的程度。

2.2 毛細管流變儀

毛細管流變儀是目前發(fā)展得最成熟、最典型、因而應用最廣泛的聚合物熔體流變測量儀。根據(jù)測量原理的不同，毛細管流變儀可分為恒速型流變儀和恒壓型流變儀，通常用的毛細管流變儀多為恒速型。毛細管流變儀的構造如圖1所示：

毛細管流變儀的核心部分為一套精致的毛細管，具有不同的長徑比(通常有L/D=10/1、20/1、30/1、40/1等)；料筒周圍為恒溫加熱套，內有電熱絲；料筒內物料的上部為液壓驅動的柱塞。物料在柱塞高壓作用下從毛細管擠出，由此測量材料的流變性。

圖1 毛細管流變儀基本構造

毛細管流變儀通過測量聚合物流體在流動時承受的壓力和剪切速率，計算流體的表觀粘度，并通過變速裝置改變柱塞的剪切速率，以便測量不同剪切速率下流體的表觀粘度，用以表征流體的流變性。當柱塞以某一設定的剪切速率對殼聚糖紡絲液進行剪切時，壓力傳感器就會測出紡絲液所具有的壓力，然后通過壓力值計算出物料受到的剪切應力，而后根據(jù)公式可得在此剪切速率下殼聚糖紡絲液的表觀粘度ηa=σw/γw ，其中σw為剪切應力，γw為剪切速率。

2.3 旋轉粘度計

旋轉粘度計是用于測量流體靜態(tài)表觀粘度的儀器。用該粘度計對液體進行粘度測量時，轉子由電機帶動在液體中作恒速旋轉，同時液體會產(chǎn)生作用在轉子上的粘性力矩。液體的粘度越大，該粘性力矩也越大；反之，液體的粘度越小，該粘性力矩也越小。該作用在轉子上的粘性力矩由傳感器檢測出來，經(jīng)計算機處理后可得出被測液體的粘度。

3 實驗方法及結果

運用膠體磨對濃度為4%的紡絲液進行強剪切均質處理，并在處理過程中將樣品分組，進行不同速度下的研磨均質實驗，由于條件限制，本實驗只在850 rpm和1700 rpm兩個速度下對紡絲液進行了均質處理，結果如下：

3.1 均質速度對紡絲液粘度的影響

首先用不同的速度對濃度為4%的殼聚糖紡絲原液進行均質處理，研究均質對于殼聚糖紡絲原液靜態(tài)表觀粘度的影響，粘度測量溫度為17℃，粘度比較見圖2。

從圖2可以發(fā)現(xiàn)均質處理會使?jié)舛葹?%的殼聚糖紡絲液的表觀粘度明顯地降低，當均質速度為850 rpm時，所得殼聚糖紡絲液表觀粘度比未經(jīng)均質處理的紡絲液粘度低24.5% ， 在均質速度為1700 rpm的情況下，殼聚糖紡絲液的表觀粘度下降幅度為36.1% 。

圖2 均質處理對4%殼聚糖溶液靜態(tài)表觀粘度的影響

3.2 均質速度對紡絲液剪切粘度變化的影響

將不同均質速度下處理的濃度為4%的殼聚糖紡絲液用R-T2000流變儀在30℃的溫度下進行流變性測量，比較各種紡絲原液在受到剪切作用時，動態(tài)表觀粘度的變化，數(shù)據(jù)比較見圖3。

圖3 不同均質速度處理的殼聚糖紡絲液流變性能比較

圖3表明，在剪切速率小于2000 mm/s時，與未經(jīng)過均質處理的殼聚糖紡絲液相比較，均質處理過的紡絲液在相同剪切速率的情況下，所表現(xiàn)出的動態(tài)表觀粘度會有變大的趨勢，在剪切速率大于2000 mm/s時，均質處理對于殼聚糖動態(tài)表觀粘度的影響作用不大，實際紡絲過程中，噴絲頭噴絲的速度在150 mm/s 左右，均質處理對于殼聚糖紡絲過程中動態(tài)表觀粘度的影響比較明顯。

4 結論

均質處理會使得殼聚糖紡絲液的靜態(tài)表觀粘度降低，且粘度的降低幅度隨均質處理速度的增加而增加。同時，均質處理在一定范圍內會使得殼聚糖紡絲液的動態(tài)表觀粘度升高。由于殼聚糖紡絲液比較容易降解，所以在生產(chǎn)實踐中，均質處理可以作為一種改變紡絲液動態(tài)表觀粘度的方法，將已經(jīng)因降解而粘度降低的紡絲液進行均質處理以獲得動態(tài)表觀粘度相對穩(wěn)定的紡絲液。

[1] 李達，段友順.降低甲殼胺溶液表觀粘度的研究[J].化纖與紡織技術, 2009，(4):9—12.

[2] 吳國杰，姚淑華.殼聚糖溶液流變學性質的研究[J].華南理工大學學報，1997，25(10):62—66.

[3] 韓懷芬，錢俊青.蝦、蟹殼聚糖溶液粘度變化的研究[J].科技通報，1998，14(6):441—445.

[4] 楊慶，沈新元，郯志清，郁星，王良軍.聚丙烯腈與殼聚糖紡絲原液的流變性能研究[J].金山油化纖，2005，(4):15—20.