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化工原料常见问题

N-甲基吡咯烷酮在苎麻纤维中的应用​

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  摘要:苎麻纤维具有较好的吸湿透气性和天然抗菌性,但大分子链排列紧密有序,结晶度高,导致其模量大、延展性小、柔软性差,纺纱时不易弯曲抱合,纱线毛羽多,穿着刺痒。为改善苎麻纤维的柔软性能,提高其应用价值,采用N-甲基吡咯烷酮(NMP)对纤维进行溶胀降晶处理,通过NMP处理对纤维柔软性能和强伸性能的影响,以开发柔软性能较好的苎麻面料。

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  为提升苎麻纤维的柔软性,采用N-甲基吡咯烷酮(NMP)对其进行处理。通过对不同浓度,处理时间和温度对苎麻纤维强伸性能和柔软性能的影响,并借助X射线衍射仪、红外光谱仪和扫描电子显微镜对苎麻纤维进行表征与分析。结果表明:当NMP浓度、处理时间或温度任一因素增加,苎麻纤维的断裂伸长率随之增加,而断裂强度随之降低;当NMP浓度或处理时间增加时,苎麻纤维的断裂回转数会先增加后减少,当处理温度升高时,断裂回转数会先增加后保持稳定;在NMP的浓度为15%,处理时间为60min,处理温度为80℃的条件下,处理后苎麻纤维的结晶度从80.37%降至70.19%,而其化学基团保持不变,纤维表面纵向沿竖向纹出现劈裂。

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  N-甲基吡咯烷酮(NMP)是一种强极性溶剂,与带有强极性基团的NMMO,DMSO和DMAC等试剂分子类似,NMP分子中带有良好的氢键受体--吡咯烷酮环,环上的氮、氧原子均带有弧队电子,能与羟基形成氢键,拆散纤维素内原有氢键,从而降低纤维素结晶度。苎麻纤维的主要成分为纤维素,为此,使用NMP作为溶胀剂对苎麻纤维进行处理,探究不同处理因素对苎麻纤维处理效果的影响。

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  NMP的浓度对纤维处理效果的影响

  将苎麻于温度为90℃的NMP溶液中处理40min,研究NMP浓度对纤维强伸性能及柔软性能的影响,如图1所示。

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  图1NMP质量浓度对苎麻纤维强伸性能和柔软性能的影响

  可见,当NMP的浓度增加时苎麻纤维的断裂伸长率随之增加,断裂强度随之降低。NMP的浓度增大,则进入苎麻纤维内部的NMP分子相应增多,对苎麻大分子链间氢键的破坏也愈加剧烈,苎麻分子间作用力减弱,拉伸时所受滑移阻力变小,因此,断裂强度降低,而断裂伸长率增加。

  由图1可知,当NMP浓度增加时,苎麻纤维的断裂回转数先增加后降低。溶胀过程中,NMP分子破坏了苎麻分子链中原有氢键,使其柔顺性增加。随着进入苎麻纤维中NMP分子数持续增加,苎麻分子链的线性完整性和刚性被破坏,强力受损,断裂回转数也随之降低。以断裂回转数和伸长率为评价指标,兼顾其强度,NMP浓度为15%时,苎麻纤维综合性能较佳,此时,断裂回转数和断裂伸长率较处理前分别增加了。

  处理时间对纤维处理效果的影响

  将苎麻于温度为90℃,浓度为20%的NMP溶液中处理40-120min,处理时间对苎麻纤维强伸性能及柔软性能的影响,结果如图2所示。

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  图2处理时间对苎麻纤维强伸性能和柔软性能的影响

  由图2可知,当处理时间增加时,苎麻纤维的断裂伸长率随之增加,断裂强度随之降低。延长处理时间,NMP分子从苎麻纤维表面渐渐渗透到大分子内,链间氢键被逐步破坏,晶格被溶胀,无序区增加,苎麻分子链间束缚减弱,收拉伸时链间滑移变大,纤维延展性增加,抵抗外力形变能力弱化,从而强度降低。

  由图2还可知,随着处理时间不断延长,苎麻纤维的断裂回转数先增加后减少。处理时间从40min增加到60min时,NMP极性分子进入苎麻纤维长链大分子间隙,破坏苎麻分子间的氢键,苎麻分子链的刚性被削弱,柔软性增强。继续增加处理时间,溶胀作用加剧,苎麻纤维损伤增大,因此,断裂回转数逐渐降低。以断裂回转数和伸长率为评价指标,同时考虑断裂强度,处理时间为60min时,苎麻纤维的综合性能相对较佳,此时,断裂回转数和断裂伸长率较处理前分别增加了。

  处理温度对纤维处理效果的影响

  将苎麻于不同温度调节下,用浓度为20%的NMP溶液处理40min,处理温度对纤维强伸性能及柔软性能的影响,结果如图3所示。

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  图3处理温度对苎麻纤维强伸性能和柔软性能的影响

  可知,当处理温度升高时,苎麻纤维的断裂伸长率随之增加,断裂强度随之降低。升温时,NMP分子热运动加剧,同时其进出苎麻大分子的速率加快。长链大分子间的氢键遭受破坏,晶区消减,苎麻分子链间的作用力减弱,滑移阻力降低,导致苎麻纤维的强度降低,伸长率增加。

  由图3还可知,随着温度逐渐升高,苎麻纤维的断裂回转数先增加后保持稳定。从60℃升至80℃,随温度升高,苎麻纤维的断裂回转数增加。升高温度,NMP分子在溶液和苎麻纤维中的运动程度加剧,进入纤维长链中破坏长链分子间的氢键,使晶区消减,因此,苎麻纤维断裂回转能力降低,柔软度增加。80℃后继续升温,则对断裂回转数的影响较小。这是由于可被破坏的氢键不再随温度的升高而增加,致使苎麻纤维的断裂回转数变化不再明显。以断裂回转数和断裂伸长率为评价指标,考虑必要的纤维强度,认为温度为80℃时,苎麻纤维的综合性能相对较佳。因此,断裂回转数和断裂伸长率较处理前分别增加了。

  综合考虑不同因素对苎麻纤维强伸性能和柔软性能的影响,NMP处理苎麻纤维的最佳条件为:NMP浓度15%,处理时间60min,处理温度80℃。用N-甲基吡咯烷酮对苎麻纤维进行柔软处理,当NMP浓度增加,处理时间延长或处理温度升高时,苎麻纤维的断裂伸长率随之增加,而断裂强度随之降低。当NMP浓度增加或处理温度升高,苎麻纤维的断裂回转数先增加后保持稳定。


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