紫外線輻照對黏膠纖維降解性能的影響

李琳琳

（江西服裝學(xué)院，江西南昌 330201）

黏膠纖維從天然木纖維素中提取，具有良好的防紫外線、抗靜電、透氣、涼爽光滑等特點，對皮膚具有較好的親和性，被廣泛應(yīng)用在服裝、家紡、工程材料中。黏膠纖維由于良好的性能、較低的生產(chǎn)成本與較短的生產(chǎn)周期，應(yīng)用量日益劇增，但其廢棄物的焚燒或掩埋給環(huán)境帶來巨大的安全隱患。為此，不少研究者都在尋求快捷高效、綠色環(huán)保的黏膠纖維降解方法。林燕萍［1-2］分別研究了南北方土壤的自然降解方式與堆肥方式對黏膠纖維的高溫、細菌降解效果，結(jié)果顯示：南方土壤的降解性能優(yōu)于北方與堆肥，可以高效降解黏膠纖維。曲騰云等［3］利用微生物對黏膠纖維進行降解；李寧［4］利用光和熱氧對黏膠纖維進行降解，均得出設(shè)置的實驗條件對黏膠纖維具有加速降解的功能。

利用紫外線輻照或模擬日光輻照研究光氧作用對黏膠纖維的降解案例也較多［5-6］，但分析真空環(huán)境下紫外線輻照對黏膠纖維降解作用的案例較少。從知網(wǎng)目前的檢索來看，僅有楊旭分析了在真空環(huán)境下高溫對阻燃黏膠纖維性能的影響［7］。

本實驗研究在真空環(huán)境下紫外線輻照對黏膠纖維降解性能的影響。

1 實驗

1.1 材料與儀器

材料：普通黏膠纖維（新鄉(xiāng)白鷺化纖集團有限責(zé)任公司），溴化鉀、丙酮（分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司）。

儀器：Y151 型纖維摩擦系數(shù)測定儀（上海標(biāo)卓科學(xué)儀器有限公司），YG747 型通風(fēng)式快速八籃烘箱（無錫亞博紡織設(shè)備公司），YSHS100 型恒溫恒濕箱（上海覽浩儀器設(shè)備有限公司），F(xiàn)A2004B 型電子天平（上海精密科學(xué)儀器有限公司），GD26-FTIR-650型傅里葉變換紅外光譜儀（天津港東科技股份有限公司），Rigaku MiniFlex 600 型X 射線衍射儀（日本理學(xué)電機株式會社），Spectra Rad 型輻照度光譜儀［必達泰克光電科技（上海）有限公司］，INSTRON5590 萬型能材料試驗機（美國英斯特朗公司），紫外線真空光源箱（自制），ZNN-D6 型六速旋轉(zhuǎn)黏度計（天津亞興自動化實驗儀器廠）。

1.2 黏膠纖維的真空環(huán)境輻照

黏膠纖維依次使用丙酮、去離子水清洗，以去除在制備過程中纖維表面殘留的雜質(zhì)與油脂；清洗后的黏膠纖維在105 ℃烘箱中烘干；取一定量黏膠纖維置于紫外線真空光源箱，在室溫、輻照度180 W/m2條件下分別輻照一定時間；另取一定量黏膠纖維置于紫外線非真空光源箱，在室溫、輻照度180 W/m2條件下分別輻照相同時間。

1.3 測試

吸濕回潮率：稱取一定量紫外線輻照前后的黏膠纖維，其質(zhì)量記作m；置于20 ℃、相對濕度65%的恒溫恒濕箱中調(diào)濕24 h 后，稱其質(zhì)量記作m′。利用下式計算吸濕回潮率。實驗重復(fù)10次，取平均值。

聚合度：參考GB/T 1632—1993《聚合物稀溶液黏數(shù)和特性黏數(shù)測定》與文獻［5］測試。實驗重復(fù)5次，取平均值。

摩擦系數(shù)：將試樣置于20 ℃、相對濕度65%的恒溫恒濕箱中調(diào)濕24 h。參照文獻［6］制備黏膠纖維輥。在纖維兩端各夾100 mg 張力夾，并將其騎跨在黏膠纖維輥上，在30、1 r/min 條件下測試動態(tài)與靜態(tài)摩擦系數(shù)。實驗重復(fù)30次，取平均值。

紅外光譜：將烘干的黏膠纖維剪碎，與溴化鉀研磨均勻后制成壓片，利用紅外光譜儀在4 000～400 cm-1測試。

結(jié)晶度：將黏膠纖維剪碎后制成纖維末壓片，利用X 射線衍射儀進行X 射線衍射測試。測試參數(shù)為Cu 靶，電流20 mA，電壓30 kV，入射波長0.154 nm，角度5°～45°。參考文獻［2］，利用結(jié)晶區(qū)積分面積與非結(jié)晶區(qū)積分面積計算結(jié)晶度。

力學(xué)性能：將黏膠纖維置于20 ℃、相對濕度65%的恒溫恒濕箱中調(diào)濕24 h；利用萬能材料試驗機進行斷裂強力測試。CRE 拉伸方式，纖維夾持長度20 mm，拉伸速度20 mm/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸濕回潮率

紫外線輻照時間對黏膠纖維吸濕回潮率的影響見圖1。

圖1 紫外線輻照時間對黏膠纖維吸濕回潮率的影響

由圖1可以看出，黏膠纖維的吸濕回潮率均隨著紫外線輻照時間的延長而不斷增大。黏膠纖維內(nèi)部的分子結(jié)構(gòu)由結(jié)晶區(qū)與非結(jié)晶區(qū)組成，紫外線的長時間輻照可積累能量，使電子能級躍遷，物質(zhì)內(nèi)部分子不同程度的碰撞與振動造成結(jié)晶區(qū)裂解，向非結(jié)晶區(qū)轉(zhuǎn)變［8］，提高了纖維的吸濕回潮率。在相同紫外線輻照時間下，在非真空環(huán)境中經(jīng)紫外線輻照的黏膠纖維吸濕回潮率高于在真空環(huán)境中處理的黏膠纖維，這是由于在非真空環(huán)境中，黏膠纖維在紫外線輻照下發(fā)生了光氧降解，氧氣在降解過程中降低了黏膠纖維結(jié)晶區(qū)裂解所需的能量，加劇了結(jié)晶區(qū)向非結(jié)晶區(qū)轉(zhuǎn)變，因此，在真空環(huán)境中經(jīng)紫外線輻照的黏膠纖維結(jié)晶度高于在非真空環(huán)境中處理的黏膠纖維。另外，當(dāng)紫外線輻照超過120 h 時，在真空環(huán)境中輻照的黏膠纖維吸濕回潮率趨于穩(wěn)定；在非真空環(huán)境中輻照的黏膠纖維則持續(xù)增加。這也與黏膠纖維結(jié)晶度的變化有關(guān)，在真空環(huán)境中，當(dāng)紫外線輻照產(chǎn)生的能量不足以裂解黏膠纖維的結(jié)晶區(qū)時，其結(jié)晶區(qū)與無定形區(qū)比例保持穩(wěn)定，吸濕回潮率也趨于穩(wěn)定；而在非真空環(huán)境中，由于氧氣的作用，黏膠纖維的結(jié)晶區(qū)不斷裂解，無定形區(qū)增加，因此吸濕回潮率也持續(xù)增加。

2.2 聚合度

由圖2可知，黏膠纖維的聚合度均隨著紫外線輻照時間的延長而不斷降低，且在相同紫外線輻照時間下，在真空環(huán)境中輻照處理的黏膠纖維聚合度高于在非真空環(huán)境中處理的黏膠纖維；當(dāng)紫外線輻照超過120 h 時，在真空環(huán)境中處理的黏膠纖維聚合度趨于穩(wěn)定，在非真空環(huán)境中處理的黏膠纖維聚合度則持續(xù)下降。由文獻［9］可知聚合物相對分子質(zhì)量與聚合度的關(guān)系，當(dāng)黏膠纖維經(jīng)紫外線輻照后，結(jié)晶區(qū)裂解，結(jié)晶度下降致使相對分子質(zhì)量下降，從而導(dǎo)致聚合度下降；黏膠纖維聚合度在真空環(huán)境與非真空環(huán)境中的變化趨勢與結(jié)晶度變化趨勢一致。

圖2 紫外線輻照時間對黏膠纖維聚合度的影響

2.3 摩擦系數(shù)

由圖3可知，黏膠纖維的靜態(tài)與動態(tài)摩擦系數(shù)隨著紫外線輻照時間的延長而不斷增大，且在相同紫外線輻照時間下，在非真空環(huán)境中處理的黏膠纖維摩擦系數(shù)高于在真空環(huán)境中處理的黏膠纖維；當(dāng)紫外線輻照超過120 h 時，在真空環(huán)境中處理的黏膠纖維摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定，在非真空環(huán)境中處理的黏膠纖維摩擦系數(shù)則持續(xù)上升。這是由于紫外線輻照致使纖維結(jié)晶區(qū)裂解，導(dǎo)致纖維微纖化及纖維表面坑槽增多，引起纖維摩擦系數(shù)增加。當(dāng)紫外線輻照超過120 h 時，在真空環(huán)境中處理的黏膠纖維微纖化趨于穩(wěn)定，因此纖維摩擦系數(shù)也趨于穩(wěn)定。

圖3 紫外線輻照時間對黏膠纖維摩擦系數(shù)的影響

2.4 紅外光譜

從圖4中可以看出，黏膠纖維在真空環(huán)境與非真空環(huán)境中經(jīng)紫外線輻照處理后，紅外光譜與原樣波峰走勢大致相同。3 440、669 cm-1附近的吸收譜帶證明—OH 的存在，3 000 cm-1附近的吸收峰證明—CH3的存在，1 420、1 380 cm-1附近的吸收譜帶證明—CH2—與—CH—的存在。1 625、1 064 cm-1附近的吸收譜帶證明 CO 與 C—O 的存在，1 736 cm-1附近的吸收譜帶證明酮羰基的存在。綜上所述，黏膠纖維在真空環(huán)境與非真空環(huán)境中輻照處理后，分子結(jié)構(gòu)并未改變，仍保持纖維素Ⅱ晶型結(jié)構(gòu)。

圖4 紫外線輻照前后黏膠纖維的紅外光譜

2.5 結(jié)晶度

由圖5可知，黏膠纖維在真空環(huán)境與非真空環(huán)境中經(jīng)紫外線輻照處理后，特征峰位置仍然在12.5°、20.5°左右，說明紫外線輻照并未改變纖維的分子結(jié)構(gòu)，這與紅外光譜分析一致。由圖6可知，黏膠纖維的結(jié)晶度均隨著紫外線輻照時間的延長而降低。當(dāng)紫外線輻照超過120 h 時，在真空環(huán)境中處理的黏膠纖維結(jié)晶度趨于穩(wěn)定，在非真空環(huán)境中處理的黏膠纖維結(jié)晶度則持續(xù)下降。黏膠纖維結(jié)晶度的變化趨勢驗證了吸濕回潮率、聚合度、摩擦系數(shù)的變化趨勢。

圖5 紫外線輻照150 h 時黏膠纖維的X 衍射曲線

圖6 紫外線輻照時間對黏膠纖維結(jié)晶度的影響

2.6 力學(xué)性能

由圖7可知，黏膠纖維的斷裂強度均隨著紫外線輻照時間的延長而降低，在相同的紫外線輻照時間下，在真空環(huán)境中輻照處理的黏膠纖維斷裂強度高于在非真空環(huán)境中輻照處理的黏膠纖維。當(dāng)紫外線輻照超過120 h 時，在真空環(huán)境中處理的黏膠纖維斷裂強度趨于穩(wěn)定，在非真空環(huán)境中處理的黏膠纖維斷裂強度則持續(xù)下降，這與纖維結(jié)晶度變化成正相關(guān)，由于在結(jié)晶區(qū)向無定形區(qū)的裂解過程中，纖維內(nèi)部與表面的坑槽均造成了強力弱環(huán)，致使纖維力學(xué)性能下降。

圖7 紫外線輻照時間對黏膠纖維斷裂強度的影響

3 結(jié)論

黏膠纖維在真空環(huán)境與非真空環(huán)境中經(jīng)紫外線輻照后，聚合度、結(jié)晶度、力學(xué)性能均隨輻照時間的延長而降低，吸濕回潮率與摩擦系數(shù)則隨輻照時間的延長而增加，且在真空環(huán)境中處理的黏膠纖維指標(biāo)的變化幅度小于在非真空環(huán)境中處理的黏膠纖維；紫外線輻照前后，黏膠纖維的分子晶型結(jié)構(gòu)保持不變；在輻照度180 W/m2不變的條件下，當(dāng)紫外線輻照超過120 h 時，在真空環(huán)境中處理的黏膠纖維指標(biāo)趨于穩(wěn)定，而在非真空環(huán)境中處理的黏膠纖維指標(biāo)持續(xù)變化，驗證了氧氣在紫外線輻照中有助于降解黏膠纖維。