烷基糖苷在阻燃粘胶纤维上的应用研究
马 印1，曲 娴1，狄友波1，2
（1．品德实业（太原）有限公司，山西 太原030031；2．燕山大学 亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，河北秦皇岛066004)
摘要：采用烷基糖苷(APG)作为阻燃材料的分散剂，加入粘胶胶液中，用以制备阻燃粘胶纤维，并与常规阻燃粘胶纤维的性能指标进行对比研究。经SEM，红外光谱及取向度测试对2种阻燃粘胶纤维分析检测。结果表明：以APG作为阻燃材料分散剂制备的粘胶纤维，其阻燃材料在纺丝过程中与纤维素共聚形成互相嵌套的交联网，纤维的结晶区比常规阻燃纤维明显增加；结晶取向度比常规阻燃粘胶纤维有了显著提高；纤维的干湿强力比常规阻燃粘胶纤维提高了17％以上；成丝阻燃剂用量减少了20％，极限氧指数可达29。
关键词：烷基糖苷；阻燃粘胶纤维；结晶取向度；强力；阻燃性
中图分类号：TQ649 文献标识码：A 文章编号：1006-7264(2010)11-0034-04
粘胶纤维是以天然纤维素为基本原料，经纤维素磺酸酯溶液纺制而成的再生纤维素纤维，在各类化学纤维中，粘胶纤维是最早投入工业化生产的品种[1]。其有着良好的吸湿性，光滑凉爽、舒适透气，再加上环保又易于回收，使其在纺织行业的应用日趋广泛。随着各种功能型纤维的研究和开发，粘胶纤维的阻燃研究工作也被密切关注。由于目前阻燃粘胶纤维主要采用共混法来实现，而此法生产的纤维中，阻燃剂与成纤大分子缺乏化学结合，耐久性较差，手感与强力也受到了影响，大大降低了其服用性能。原因是阻燃剂在产品中分散性差，难以与融体混合均匀，纺丝时易游离出来，造成纺丝困难，影响产品的阻燃效果及纺丝的物理性能刚。为此，研究人员对阻燃材料的分散及纤维后整理进行了各种试验研究。
在粘胶纤维成丝前的溶液中加入APG作为阻燃材料的分散剂，利用粘胶纤维母液中大分子基团与阻燃材料分子及APG活性基团进行共聚交联反应，在纺丝过程中互相嵌套，形成交联网，从而增加分子链间结合性，使粘胶纤维内部结构得到改变，增大粘胶纤维的结晶区，从而提高其力学强度及柔韧性。
1试剂和仪器
1.1实验材料
APG（中国日用化学工业研究院）；粘胶纤维纺丝液（成都华明公司）；常规阻燃粘胶纤维对照样（成都华明公司）；氮磷系阻燃剂（华兴化工）。
1.2实验仪器
纺丝设备（成都华明公司）；单纤维强力仪(YGOOID型，常州华纺纺织仪器有限公司)；场发射扫描电镜(JSM-6700F型，日本电子)；声速取向测量仪(SCY-111型，东华大学材料学院)；红外光谱仪(FTIR-1730型，美国PE公司)。
2试验方法
2.1工艺流程
粘胶母液+阻燃材料→消泡→纺丝→水洗→脱硫→水洗→烘干→切断
2.2操作方法
1)将阻燃材料按2％～5％胶液质量分数直接加入纺丝母液中，搅拌使其均匀，装入器皿中，抽真空进行消泡处理，时间50 min～60 min；通过酸性凝固浴进行喷丝、塑化拉伸成形；将成丝用40℃～45℃水清洗2遍，采用NaOH进行脱硫处理，用量为样品重的3％～10％，温度40℃～45℃；将脱硫后的长丝用40℃～45℃水清洗2遍，烘干，切成51 mm长度，作为常规阻燃粘胶纤维备用。
2)将阻燃材料以APG为分散剂制成分散液，并均质搅拌。按2％～5％胶液质量分数加入纺丝母液中，搅拌使其均匀，装入器皿中抽真空进行消泡处理，处理方法和过程同上。
2.3检测方法
使用扫描电镜对粘胶纤维表征结构进行检测；使用红外光谱仪分别对几种粘胶纤维样品结构进行检测；使用取向测量仪分别对几种粘胶纤维样品进行取向度测试；使用单纤强力仪分别对几种粘胶纤维样品的干湿强力进行检测；依据GB／T5454-1997标准对制备的阻燃纤维进行极限氧指数测定。
3结果与讨论
3.1烷基多糖苷与粘胶纤维的结构特性
烷基多糖苷，简称APG，是以淀粉或葡萄糖和天然脂肪醇为基本原料，经化学合成得到的一种新型非离子型表面活性剂。它是由葡萄糖的半缩醛羟基和脂肪醇羟基，在强酸催化下，失去—分子水而得到的产物网。APG兼有非离子和阴离子两类表面活性剂的特性。APG的亲水性来自糖环上的多个羟基，与水形成的氢键比较牢固，且有别于醇醚键中单纯依靠氧原子与水所形成的氢键。因此，APG不具有浊点，水稀释后也无凝胶产生。APG不仅表面活性高、配伍性好，并且无毒、无刺激性、易生物降解、对环境友好。在浓的强酸、强碱和电解质中，仍有良好的溶解性和相溶性[5～7]。
粘胶纤维属于纤维素纤维，分子结构基本上是(C6H1005，)纤维素大分子，聚合度在200以上，称为α—纤维素。在大分子上都含有大量的羟基亲水基团。普通粘胶纤维的结晶度只有30％～40％，其化学结构是由很多D—吡喃式葡萄糖彼此以β—(1，4)苷键连接起来的线性高分子化合物，由含碳44.44％，氢6.17％和氧49.39％3种元素组成。由于生产过程中易受到氧化作用，纤维中羟基和醛基的含量较高网。纤维素大分子之间，纤维素和水分子之间，或纤维素大分子内，都可以形成氢键。氢键的存在对纤维的反应性能及机械性能都有重要的影响。如纤维和纤维之间形成氢键结合，可以使纤维具有一定的强度唧。依据“相似相溶”原理，APG作为阻燃材料的分散剂，在粘胶纺丝中优于其他表面活性剂。
3.2新制阻燃粘胶纤维的结构变化
使用SEM扫描电镜对两种阻燃粘胶纤维的形貌特征进行对比分析，结果如图1所示。
由图1可以看出，纤维的截面发生了明显的变化，常规阻燃粘胶纤维内部空隙较大，无定形区多，而以APG分散阻燃材料后制备的阻燃粘胶纤维内部结构紧密，结晶区增大，且可看到，结构中结合了众多的绒毛状材料，分布均匀。这说明，APG在纺丝过程中与粘胶大分子及阻燃材料互相结合而形成一种致密结构，这种结构的形成对提高粘胶纤维的强力与韧性有着明显的影响。
3.3改进前后粘胶纤维的红外检测
采用红外光谱仪对常规阻燃粘胶纤维及新制阻燃粘胶纤维样品进行红外光谱检测，并对照标准图谱进行分析比较（见图2）。
图2中2#、3#样品在1000 cm-l～700 cm-1处出现了明显的连续特征峰，指纹区吸收峰的数目及形状明显区别于1#普通粘胶纤维；797 cm-1为磷化物的伸缩振动峰；2#与3#样品在2970 cm-1和1476 cm-1有新的吸收峰，表示甲基存在增多；915 cm-1，849 cm-l，796 cm-1和677 cm-l等处为阻燃剂的吸收峰，这说明阻燃剂已经结合到了纤维上。
3.4改进前后阻燃粘胶纤维的取向度变化
采用声速取向测量仪对常规阻燃粘胶纤维及新制阻燃粘胶纤维样品进行取向值测试，结果如表1所示。
由表1可以看出，采用纺丝液中加入APG后制备的阻燃粘胶纤维取向因子平均值有了明显的提高。这是由于在胶液中加入表面活性剂后，一方面延缓了硫酸向纤维内部或氢氧化钠从纤维内部向凝固浴的扩散度，使中和浸长增加，可使纤维的皮层增加，从而提高纤维结构的均匀度，改善纤维的物理机械性能[10]；另一方面，APG的活性基团在喷丝和牵伸过程中与粘胶大分子发生共聚交联反应，相互嵌套，纤维分子链之间的结合增强，纤维在拉伸成型时，分子沿着拉伸方向发生取向和结晶，大分子紧密规则地排列起来，无定形区减少，结晶区增加，使原先的线型分子变成网状分子，从而提高了强度。
3.5改进前后的粘胶纤维强力变化
采用单纤强力仪对2种阻燃粘胶纤维的干湿强力进行对比，结果如表2所示。
由表2可以看出，加入APG后改进生产的粘胶纤维强度较常规阻燃粘胶纤维有明显的提高，其中干强比常规阻燃粘胶纤维提高了17％，湿强提高了19％。这是因为粘胶纤维分子量相对较低，纤维湿态断裂是以氢键断裂、分子间滑移为主要破坏形式，常规阻燃纤维因是在胶液中直接加入阻燃剂，阻燃剂分子与纤维大分子不能有效结合，喷丝后，大多共混镶嵌于纤维中，从而导致纤维强力下降；而加入APG作分散剂后，活性基团在喷丝和牵伸过程中与大分子结合，与粘胶纤维大分子及阻燃材料形成交联网，纤维分子链之间的结合增强，使粘胶纤维的分子链更加协同抵抗外力的破坏，并且使纤维材料结构发生有序变化，减少了大分子结构的不均匀性，有利于消除薄弱环节，从而提高了粘胶纤维的力学强度。
3.6改进前后的阻燃粘胶纤维极限氧指数对比
将2种阻燃纤维制成6 mm×3 mm×70 mm的辫状纤维束，每个样品制备5个纤维束，在适当的氧，氮比例下点燃纤维束，记录燃烧50 mm长的时间。根据GB/T5454-1997标准确定纤维的极限氧指数值，结果如图3所示。
由图3可以看出，在相同阻燃剂用量时，以APG作为阻燃材料分散剂制备的阻燃纤维测得的极限氧指数值比常规阻燃粘胶纤维要高。常规阻燃粘胶纤维在胶液中加入阻燃剂用量为5％时，极限氧指数值为28，达到纤维阻燃标准；而以APG作为阻燃材料分散剂制备的粘胶纤维在阻燃剂用量为4％时，纤维的极限氧指数值则为29，已达到了阻燃标准规定，若以产成纤维中用量计算，比常规制得的阻燃纤维用量降低了20％。
4结论
通过上述实验得出：在粘胶纺丝过程中，以APG为分散剂对阻燃材料进行分散乳化，可使喷丝后制成的阻燃纤维取向度发生改变，比常规阻燃粘胶纤维有了显著提高。阻燃材料在纺丝过程中与纤维素共聚形成互相嵌套的交联网，纤维的结晶区比常规阻燃纤维明显增加。干湿强度提高了17％以上，改善了阻燃粘胶纤维的服用性能。成丝阻燃剂用量比常规阻燃粘胶纤维降低了200/0，极限氧指数可达29。
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