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海藻酸钠和羧甲基纤维素钠纺丝溶液的流变性能研究

发布日期:2015-01-07 13:50:31

流变性

采用毛细管流变仪测定海藻酸钠/羧甲基纤维素钠纺丝溶液的流变性能,结栗表明:海藻酸钠/羧甲基纤维素钠纺丝溶 液是“切力变稀”流体,随着剪t刀速率的增加,纺丝液的表观粘度私下降.钫丝液中cmc的含矍和温度影响纺丝液的流变性,纺丝液 的表观粘度私和结构粘度指数△!?随羧串基纤维素钠含量的降低和纺丝液瀝度的升高而下降;纺丝液的非牛顿指数n随羧甲基纤维 素钠含鐘的降低和纺丝液湍度的升高而升高.因此,纺丝时应控制401左右的纺丝液中CMC的含量低于20%.

海藻酸钠(ALG)是从天然海藻中提取的一种线形 多糖,由P-D-甘露糖醛酸(简称M单元)和a-L-古罗 糖醛酸(简称G单元)两种组分构成斤21竣甲基纤维素 钠(CMC)是纤维素葡萄糖环上羟基的氢原子被羧甲 基取代后的产物,是一种水溶性纤维素醚.131以ALG或CMC为原料开发的纤维,具有生物可降解、生物活性 高、与人体相容性好等优点,非常适合用作医用纤维, 也是近年来开发的两种典型的高科技医用敷料.^1在 海藻酸钠(G单元含量较高)纺丝液中加人羧甲基纤维 素钠,可以制得综合两种纤维优势的ALG/CMC共混
纤维.该共混纤维既有优异的吸湿性能,又有良好的 物理-机械性能.另外,在海藻酸盐纤维中添加羧甲基 纤维素钠,有利于降低纤维的成本,易于这种新型敷 料推广.MCI
可纺性能优良的纺丝原液是纺制优良品质纤维 的前提条件,纺丝液性能的好坏不仅影响其加T性能, 还影响纺丝工艺的选择和成品纤维的质量指标.因此, 对海藻酸钠/竣甲基纤维素钠纺丝原液流变性能的研 究,不但在理论上有重要价值,而ft对海藻酸钠/羧甲 基纤维素钠共混纤维纺丝工艺的选择具有一定的指 导意义.
1试验
1.1药品与仪器
药品:海藻酸钠(ALG),数均相对分子质量(風〇为 357 475,相对分子质量分布(MyMJ为1.392,M/G值为 0.32,青岛明月海藻集团小米彩票平台;羧甲基纤维素钠 (CMC),数均相对分子质量(紙)为197 018,相对分子质 量分布为1.429,取代度为0.913,安丘市雄鹰纤 维素有限责任公司.
仪器:DZF铟真空干燥箱(北京市永光明医疗仪器 厂),JB90-D型强力电动搅拌机(上海市标本模型厂), RT-2000毛细管流变仪(德闰GOETTFERT公司),HH- 4恒温水浴锅(江苏省金坛市宏华仪器厂
1.2ALG/CMC共混溶液的制备
称取一定量的ALG和CMC混合均匀,然后加人 一定量的蒸馏水,机械搅拌得到ALG/CMC共混溶液. 其中,ALG的质M分数为3.6%,CMC质量分数分别为 0、5%、10%、15%、20%、25%(对 ALG 质量,下同).上述 共混溶液分别标记为1#、2*、3#、4#、5#、6*,然后将1*~6# 溶液放入真空烘箱中脱泡,待用.
1.3ALG/CMC共混溶液的流变性能测试
采用毛细管流变仪,在不同温度(25丈、30尤、35 140L45 1)和剪切速率下,分别测定1#~6#纺丝溶 液的表观粘度和剪切应力测试参数如下:毛细 管直径1 mm;毛细管长度40 mm;操作模式为恒定速 度;活塞起始速度0.3 mm/s.
2结果与讨论
2.1影响ALG/CMC纺丝溶液表观粘度的因素 2.1.1 CMC 含霣
从图1可以看出,随着剪切速率的增加,1*~6#溶液 的也都呈现下降趋势,表现出“切力变稀”行为.原因 是纺丝液中的ALG与CMC大分子链之间发生了缠 结,形成了一些缠结点.这些缠结点具有瞬变性质,不 断地拆散和重建,并在某一特定条件下达到动态平衡. 当剪切速率增大时,部分缠结点被拆散,缠结点浓度 的下降相应地使r/a下降.另外,当剪切速率增大时,缠 结点间链段中的应力来不及松弛,在剪切方向发生取 向,导致大分子链在流层间传递动量的能力减小,故流 层间的牵曳力也随之减小,表现为%的下降.因此,纺 丝流体在切力变稀的同时显现弹性现象,这也是%中 包括有弹性贡献的原因.1I1PW0°
从图1还可以看出,随着纺丝液中CMC含量的提 高,纺丝液的&升高,特别是剪切速率较小时,增加的 幅度越明显.原因是:随着纺丝液中CMC含量的增加, 纺丝液中大分子间的缠结点浓度升高,纺丝液的%升 高,当剪切速率较大时,大部分缠结点被破坏掉,所以 1#~6#纺丝液的爪之间的差距在高剪切速率段比剪 切速率较小时减小.另外,当纺丝液中CMC的含量低 于20%时,纺丝液的rja增加较缓慢,可以满足纺丝液 的要求;当CMC的含量高于ALG的20%时,纺丝液的 ^比海藻酸酸钠纺丝液1#增加较大,使得纺丝液的 流动性变差.所以,应该控制纺丝液中CMC的含量低 于 20%.
剪切速率y/ri
图1 CMC含量不同时ALG/CMC纺丝液的7/,-y曲线(25 *C)
2.1.2温度
从图2可以看出,相同剪切速率下,随着温度的升 高,纺丝液的%呈下降趋势.根据高分子流动的分段 跃迁机理,高分子溶液的流动主要是分子链重心沿着 流动方向发生了位移和链间的相互滑动.温度升高,为 链段的滑移提供了能量,链段的活动能力增强,分子 间相互摩擦力减小,导致纺丝液的%下降.1121
提高纺丝液的温度能够改善纺丝流体的流动性, 但是增加了能源消耗,而且高温容易造成纺丝高分子 的降解,所以,纺丝过程要严格控制纺丝液的温度_从 图2还可以看出,当纺丝液的温度达到40 ^时,再升 高温度,纺丝液的&变化不大.故纺丝过程中,应控制 纺丝液的温度在40尤左右.
样品编号
2.2 ALG/CMC纺丝溶液的非牛顿指数n
从图1和图2可知,ALG/CMC纺丝溶液是假塑 性流体,其偏离牛顿流体的程度可以用非牛顿指数《 表本,非牛顿流体的n值都小于1(牛顿流体的n值= 1),且n值越小,偏离牛顿流体的程度越大.根据“幂律 定律”叫lg r=lg A+ralg y(r是剪切应力,y是剪切速率), 作lgr~lg7曲线,直线的斜率即为n,由此可求出1#~ 6#纺丝液在不同温度下的非牛顿指数n,所得结果见 表1.
表1不同组成的ALG/CMC纺丝液在不同温度的非牛顿指数
非牛顿指数n
样品编号
25 1C 30 X. 35 X. 40 X. 45 X
0.6330.6990.7230.7930.807
0.6170.6620.6930.7670.782
0.5920.6470.6710.7350.752
0.5690.6130.6430.6900.717
0*4720.5300.5630.6030.629
0.4390.4860.5100.5620.602
从表1可以看出,随着纺丝液中CMC含量的增 加,纺丝液的非牛顿指数《呈现下降趋势,说明纺丝 液中大分子缠结愈发严重,导致体系粘度增大,纺丝 液的流动更加偏离牛顿流体.其次,随着温度的升高, 纺丝液的非牛顿指数《呈现上升趋势,说明温度的升 高有助于改善纺丝液的流变性能,使纺丝液的流动更 接近于牛顿流体.
2.3 ALG/CMC纺丝溶液的结构粘度指数%
纺丝液对纺丝的影响在于其有结构粘性,当溶液 静止时粘度会随着时间的延长而上升,当受剪切作用 B寸,溶液内部由高分子的次价结合而产生的构造就会 发生变化,使得溶液的表观粘度随着剪切速率的增大 而下降.纺丝液的结构粘度指数AT?值可以用来表征切力变稀流体的结构粘度指数值越 大,表明纺丝溶液的结构化程度越大.有研究表明:结 构粘度指数与纺丝溶液的可纺性相关,纺丝溶液的结 构化程度越小,不仅吋纺性好,而且制备的纤维质量 也好_«M2〇从表2可以看出随着纺丝液温度的升高 和CMC含量的降低,海藻酸钠/羧甲基纤维素钠纺丝 溶液的结构粘度指数AT?值减小.因此,可以通过提高 纺丝液的温度和降低纺丝液中CMC含量的方法,改 善ALG/CMC溶液的可纺性.
3结论
(1)ALG/CMC纺丝溶液为“切力变稀”型流体,随 着剪切速率的增大,溶液的表观粘度%逐步下降.
(2)随着纺丝_中CMC含量的增加,纺丝液的表 观粘度仏增加,当CMC的含量达到20%时,纺丝液的 流动性变差.所以,应该控制纺丝液中CMC的含量低 于20%;随着温度的升高,纺丝液的表观粘度%下降, 当纺丝液的温度达到40弋时,再升高温度,纺丝液的 %变化不大,因此,纺丝过程中,应控制纺丝液的温度 在40 ^左右.
(3)随着温度的升高和纺丝液中CMC含量的降低, 海藻酸钠/竣甲基纤维素钠纺丝溶液的非牛顿指数/I 上升.因此,可以通过提高纺丝液的温度和降低纺丝 液中CMC的含量的方法,使纺丝液的流动更接近于 牛顿流体,从而改善纺丝液的流变性能.
(4)随着温度的升高和纺丝液中CMC含量的降低, 海藻酸钠/羧甲基纤维素钠纺丝溶液的结构粘度指数 △7?值减小,因此可以通过降低纺丝液中CMC的含量
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