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粘胶纤维的羧甲基化改性

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第31卷第2期 2014年2月 印染助剂 TEXTILE AUXILIARIES Vo1.31 No.2 Feb.2014 粘胶纤维的羧甲基化改性 朱平 ,刘杰 ,闫永海 ,隋淑英 ,董朝红 , (1.青岛大学“纤维新材料及现代纺织”国家重点实验室培育基地,山东青岛266071; 2.武汉纺织大学化学与化工学院,湖北武汉430073) 摘 要:将粘胶纤维进行羧甲基化改性,利用红外光谱进行表征,对不同条件下改性后纤维的吸水性、拉伸强力等物理性能 进行了测试,结果表明,改性后粘胶纤维强力有一定下降;吸水率大大提高,达到原干重的4.5倍以上.探讨了NaOH质量分数、醚化剂用 量、醚化温度、醚化时间等对改性粘胶纤维取代度的影响,并设计正交试验得到最佳工艺:NaOH质量分数为12%,醚化剂用量为5% (omD,醚化温度为50℃,醚化时间为60min;此时改性粘胶纤维取代度为0.765,纤维吸水率为原干重的5倍. 关键词:粘胶纤维;羧甲基化;取代度;吸水性 中图分类号:TQ341 ̄.1 文献标识码:A 文章编号:1004—0439(2014)02—0029—04 Carboxymethylation modification of viscose fibers ZHU Ping ,LIU Jiel,YAN Yong—hai1,SUI Shu-yingi,DONG Zhao—hongl,ZHANG Linl (1.Advanced Fibers&Modern Textile Cultivation Base of State Key Laboratory,Qingdao University,Qingdao 266071, China;2.College of Chemisty rand Chemical Engineering,Wuhan Textile University,Wuhan 430073,China) Abstract:The viscose fiber was carboxymethyl-modified and then characterized by IR.The physical prop— erties of modified viscose fiber such as water absorption capacity and tensile strength were measured.The re— suit indicated that the strength decreased to some extent while the water absorption rate increased significant— ly after modified.which was more than 4.5 times to the original samples.FurthermOre.the influences of NaOH concentration.etherifying agent dosage.esterization temperature and time On the substitution degree ( )of modified viscose fiber were discussed.The orthogonal test was designed to obtain the optimum pro— cess,NaOH dosage 1 2%,etherifying agent 5%《Omf),etherifying temperature 50 oC,etherifying time 60 min, when the Ds of the modified viscose fiber was 0.765,the water absorption rate was 5 times to the original ones. Key words:viscose fiber;carboxymethylation;substitution degree;water absorption 粘胶纤维属于再生纤维素纤维,以天然纤维素为 原料,经碱化、老化、磺化等工序制成可溶性纤维素磺 酸酯,再溶于稀碱液制成粘胶,经湿法纺丝制成.粘胶 纤维的化学组成与棉相似,纤维素大分子的羟基易发 生化学反应,因此,可通过接枝等方法,对粘胶纤维进 行改性,提高粘胶纤维的性能 . 本文对粘胶纤维进行羧甲基化改性,制备出可形 1试验 1.1材料与仪器 材料:粘胶纤维(1.5 DX38 ram),NaOH、异丙醇、 EDTA(分析纯,天津市博迪化工有限公司),氯乙酸、乙 成水溶胶的新型医用敷料,并对影响取代度的因素进 行分析,得到最佳工艺,讨论了改性后粘胶纤维拉伸 强力和吸水性的变化. 醇(分析纯,莱阳经济技术开发区精细化工厂),乙酸(分 析纯,青岛江山化学试剂厂),硫酸铜(分析纯,上海埃彼 化学试剂有限公司),无水乙酸钠(分析纯,成都市联合 化工试剂研究所). 仪器:Nicolet 5700傅立叶变换红外光谱仪(美国 收稿日期:2013—05—06 作者简介:朱平(1957一),男,山东龙口人,教授,博士生导师,博士,山东省中青年学术骨干、学科带头人,青岛大学特聘教授,主要从事纺织印染助 剂、功能纤维及纺织品的开发研究. 印染助剂 31卷 热电公司,光谱范围7 800~350 cm-I,分辨率O.09 cm~, 快速扫描,65次/s),UV一1700紫外分光光度计(岛津公 司分析计测厂),SC一80C全自动测色仪(北京康光仪器 公司1,LLY一06电子单纤维强力仪(莱州市电子仪器有 限公司),KQ2200DV型数控超声波清洗器(昆山市超 声仪器有限公司),DZF型真空干燥箱f北京市永光明 医疗仪器厂),精密电子天平(福州科迪电子技术有限 公司). 1.2粘胶纤维的羧甲基化 溶胀:室温下,取2 g粘胶纤维于装有100 mL乙醇 的烧杯中,加入80 mL NaOH溶液,处理后取出织物,放 人60℃烘箱中反应5 rain . 将经溶胀处理的纤维浸于装有100 mL异丙醇和 8O mL水的烧杯中,加入氯乙酸,30 min后取出,一定温 度下将纤维密封在聚乙烯塑料袋中,焙烘,水洗,中和, 水洗至中性,室温晾干. 1.3测试 红外光谱:将改性粘胶纤维剪碎,制作压片,采用 傅立叶变换红外光谱仪测定. 取代度( ):参照GB/T 12093—89用硫酸铜沉淀 法,将处理后的粘胶纤维0.1 g放入100 mL小烧杯,加 入50 mL硫酸铜标准溶液(O.0l tool/L),调pH=4~5,在 超声波震荡器中震荡30 min直到吸附平衡,将震荡后 的溶液过滤,然后取5 mL滤液放入50 mL容量瓶中, 加入15 mL缓冲溶液(CH COONa/CH,COOH)和25 mL EDTA标准溶液,定容,摇匀,放置一段时间.用紫外分 光光度计测量吸光度,通过滤液中硫酸铜的量,求出 与棉织物反应的铜离子的量,按下式计算取代度: Ds=162B/(8 100-80B) 其中 = 。一 )x2x8 100/m,式中: 为原液中铜离子的 量,mol;n 为滤液中铜离子的量,mol;m为样品质量,g. 拉伸强力:参照GB/T 3923—1997测试. 吸水性:称取0.05 g改性粘胶纤维,加入100 mL 蒸馏水,达到溶胀平衡时,用100目的分样筛过滤,称 滤液质量,按照下式计算: 吸水率(g/g)=(加入水质量一滤出水质量)/纤维质量 2结果与讨论 2.1 红外光谱 由图1可以看出,3 422.84 cm 处为一OH的伸缩 振动峰;2 922.13 cm 处为饱和c—H键的伸缩振动 峰;1 636.25 cm 处为羧基中C—O的伸缩振动峰,说 明反应过程中引入了C ̄O;1 131.16 cm 处为醚键 C—O—C的伸缩振动峰,证明在改性过程中发生了醚 化反应.综合分析,反应过程中成功发生醚化反应,在 粘胶纤维的一0H上成功接枝羧甲基基团. 4 000 3 000 2 000 l 000 O 波数/cm 图1羧甲基化粘胶纤维的红外光谱图 2.2取代度的影响因素 2.2.1 NaOH质量分数 在醚化反应之前,将粘胶纤维经过NaOH溶液的 浸润,使粘胶纤维溶胀,同时形成纤维素钠,为后续醚 化反应做准备.当反应温度为70 ,氯乙酸用量为 10%(omf),反应时问为1 h时,NaOH质量分数对取代 度的影响如图2所示. NaOH质量分数(%) 图2 NaOH质量分数对取代度的影响 由图2可见,NaOH质量分数对改性粘胶纤维的 取代度影响很大,低于15%时,取代度随着NaOH质量 分数的增加而逐渐增大;15%左右时,取代度达到最大 值0.805,此时,粘胶纤维得到充分的溶胀,无定形区扩 大,分子结构中的一0H尽可能多的形成醇钠,钠离子 结合的水分子增加,溶胀程度增大,可参加醚化反应 的活性基团增加,取代度增大;大于15%,随着NaOH 质量分数的增大,取代度逐渐降低,原因是NaOH质量 分数过大时,粘胶纤维本身会发生溶解.因此,NaOH质 量分数过大不利于粘胶纤维的改性,最佳NaOH质量 分数为15%左右. 2.2.2醚化剂用量 对于醚化反应,醚化剂用量是取代度大小的决定 因素之一 在反应温度70 cjC,NaOH质量分数15%,反 应时间1 h时,取代度随醚化剂用量的变化规律见图3. 如图3所示,在一定范围内,取代度随醚化剂氯乙 酸用量的增加而增大,当氯乙酸用量达到0.8 g时,取 2期 朱平,等:粘胶纤维的羧甲基化改性 31 代度达到最大值0.76;用量继续增加,取代度逐渐降 低.因为在有NaOH和水存在的条件下,氯乙酸会发生 水解反应,生成乙酸,使反应环境的pH逐渐降低,不利 于反应的进行.氯乙酸用量增大,发生副反应消耗的 醚化剂量增加,副反应生成的乙酸量增大,反应环境 的pH不断降低,取代度反而会降低.为改善这一情况, 可在醚化反应之前,将纤维素钠先经过乙酸浸润,去 除多余的NaOH,降低副反应消耗的氯乙酸. 氯乙酸用量/g 图3醚化剂用量对取代度的影响 2.2.3反应温度 反应温度影响反应中的分子热运动,温度越高, 分子热运动越剧烈,反应达到平衡所需要的时间缩 短,反应速率增加,反应温度对取代度的影响见图4. 73 72 7l 70 69 68 67 反应温度 图4反应温度对取代度的影响 图4中,在反应温度低于60 qC时,取代度随温度 的升高而逐渐增大,这是由于低温(60℃以下)时,随着 反应温度的升高,溶液中分子热运动加剧,同时,纤维 内部分子链段运动增强,分子间作用力减弱,纤维内 部晶区减少,无定形区比例增大,有利于氯乙酸分子 向纤维的内部扩散渗透.而温度高于60℃后,取代度 随温度升高变化不大. 2.2.4反应时间 如图5所示,在反应时间少于60 min时,取代度随 反应时间的延长迅速增加,这是由于此时纤维素钠大 量存在,可发生醚化反应的基团较多,醚化剂迅速与 纤维表面的纤维素钠发生醚化反应,同时醚化剂向纤 维内部渗透;随反应时间的延长,表面活性基团数量 减少,而纤维内部交联增加,无定形区比例降低,反应 速率降低,取代度增加缓慢,当达到饱和时,取代度基 本不再变化.故反应60 min后,取代度基本不变 0.90 0.88 0.84 丑堡j 0.8O 0.76 O.72 反应时间/min 图5反应时间对取代度的影响 2.3正交试验 以NaOH质量分数、氯乙酸用量、反应时间以及 反应温度4因素5水平设计正交试验,结果见表1 表1正交试验表 32 印染助剂 31卷 由表1可知,影响因素主次顺序为:NaOH质量分 数>氯乙酸用量>醚化反应时间=醚化反应温度.最佳 试验条件为:A B c。D ,即NaOH质量分数12%,氯乙酸 用量5%(omt),醚化反应温度50℃,醚化反应时间6O rain,得到的改性粘胶纤维取代度为0.765,纤维吸水率 大幅度提高,为原干重的5倍. 2-4改性粘胶纤维的吸水性和拉伸强力 粘胶纤维经羧甲基化改性后,其吸水性与拉伸强 力随NaOH质量分数、醚化反应时间、醚化反应温度、 氯乙酸用量的变化曲线分别见图6、图7、图8与图9. 由图6~9可知,粘胶纤维经过羧甲基化改性以后, 其吸水性得到很大提高,未改性粘胶纤维吸水后质量 是干纤维质量的1.89倍,改性后纤维吸水后质量平均 达到原样的4.5倍以上.结合各反应因素对取代度的 影响分析,吸水性变化趋势与取代度的变化呈正相 关,取代度越大时,吸水性越大.改性后纤维的断裂强 力普遍降低,这可能是在改性过程中,粘胶纤维经过 NaOH处理以后,纤维中晶区结构被破坏,纤维结晶度 降低,晶区比例降低,无定形区比例增大,且纤维原骨 架在化学反应过程中发生不同程度的支链化反应,、 喂晕 纤 维取向发生变化,使纤维拉伸强力降低.8 6 另外,4 由于纤 2 O 维中接枝大量的羧甲基基团,纤维各基团之间空间位 阻增大,纤维大分子直接化学键合数量减少,纤维强 力降低 1. 6 4 2 0 * NaOH质量分数(%) ▲一拉伸强力■一吸水率 图6 NaOH质量分数对吸水率与拉伸强力的影响 醚化反应时间/min ▲一拉伸强力;11一吸水率 图7醚化反应时间对吸水率与拉伸强力的影响 \ 骥 8 7 6 5 4 3 2 1 0 醚化反应温度 ■一吸水率;▲一拉伸强力 图8醚化反应温度对吸水率与托伸强力的影响 5 lO 15 20 25 3O 醚化剂用量(%) ▲一拉伸强力;11一吸水率 图9醚化剂用量对吸水率与拉伸强力的影响 3 结论 对粘胶纤维进行醚化改性的最佳工艺为:NaOH 质量分数12%,氯乙酸用量5%(omf),醚化反应温度 50 cI二,醚化反应时间60 min; ̄L时得到的改性粘胶纤 维取代度为0.765,吸水性提高,吸水率为原干重的5 倍,拉伸强力有一定程度的下降. 参考文献: [1]JIANG Guan—sen,HUANG Wei—feng,LI Lin,et a1.Structure and prop— erties of regenerated cellulose fibers from different technology pro- cesses[J].Carbohydrate Polymers,2012,87(3):2 012—2 018. 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