木桨纤维溶解过程分析及溶液表观粘度测试

韩永良，李 贺，严小育，刘丽妍

(1.天津汉晴环保科技有限公司，天津 300384；2.天津工业大学，天津 300387)

木桨纤维溶解过程分析及溶液表观粘度测试

韩永良1，李 贺2，严小育2，刘丽妍2

(1.天津汉晴环保科技有限公司，天津 300384；2.天津工业大学，天津 300387)

文章在最佳配比溶液条件下，利用偏光显微镜对采用脱胶工艺得到的两种木桨纤维的溶解过程进行观察和分析，并使用旋转粘度计测试了不同的纤维投放量以及溶解温度对溶解木桨纤维后的溶液表观粘度的影响。实验结果表明纤维溶解过程为先由一根完整的纤维断裂为多段残缺的纤维，这些小段再继续溶解；纤维溶液的表观粘度随着纤维投放量的增加逐渐增加，随着温度的增加逐渐降低。

木桨纤维；溶解过程；温度；表观粘度

近年来，随着人们环保意识的不断提高，消费者更加倾向于选择绿色环保型纺织品。绿色环保型纤维也成为纺织领域关注的热点。木浆纤维是由木材经机械加工和化学处理后所制备的一种天然纤维素纤维，具有吸湿性好、柔软、可生物降解等特性，是一种纯天然绿色纤维[1～3]。本文根据有关文献[1～16]以及前期基础性试验，配置氢氧化钠、硫脲和尿素的水溶液，在最佳配比的条件下，通过偏光显微镜对纤维的溶解过程进行观察和分析，并对溶解后的纤维素溶液的表观粘度进行测试。

1 试验部分

1.1 试验原料与仪器

试验材料：采用经脱胶处理后得到的两种木材的木浆工艺纤维，纤维I和纤维II，均来自天津汉晴环保科技有限公司。

试验试剂：氢氧化钠、硫脲、尿素、氯化钠。

试验仪器：JJ-1精密定时电动搅拌器、BC-90D冰箱、WND-100型高速中药粉碎机、TG16-WS高速离心机、DZF-6050型真空干燥箱、LQ-A10002电子天平、NDJ-79型旋转粘度计、SYC超级恒温水槽、BK-POL-22R透反射偏光显微镜。

1.2 试验过程

1.2.1 纤维的预处理

将脱胶后的纤维I和纤维II在DZF-6050型真空干燥箱中70℃条件下烘干6 h后，再用中药粉碎机将烘干好的纤维进行充分粉碎并存储备用。

1.2.2 纤维的溶解过程

配制2组氢氧化钠/硫脲/尿素/水质量比为6/4.5/8/81.5的100 g溶剂，将其放入冰箱中预冷至-10℃。分别将4 g的纤维Ⅰ与纤维Ⅱ投放入溶剂中，在冰盐水浴中用2000 rpm的转速各搅拌5 min后。用玻璃棒沾取一滴纤维素溶液滴在载玻片上，用偏光显微镜观察其显微结构的变化。

1.2.3 纤维溶液表观粘度性质的测试

在溶剂为最佳配比的情况下，分别投放2 g、3 g、4 g、5 g质量的纤维I和纤维II，在SYC超级恒温水槽中使用NDJ-79型旋转粘度计测定不同浓度的纤维素溶液在不同温度下的表观粘度。

2 结果与分析

2.1 木桨纤维在氢氧化钠/硫脲/尿素/水体系溶解过程分析

氢氧化钠/硫脲/尿素/水体系对于木桨纤维的溶解机理为：首先，木桨纤维中的纤维素与氢氧化钠水溶液反应生成带负电荷的碱纤维素，引起纤维素的剧烈溶胀，碱液还可以破坏纤维素分子间氢键；其次，尿素与硫脲具有协同作用，可以破坏木桨纤维中纤维素分子内的氢键，同时尿素和硫脲可以减缓凝胶现象的发生[4～8]。

图1 纤维I放进溶剂未搅拌溶解初始态

图2 纤维I放进溶剂搅拌10 min后溶解状态

图1和图2是将纤维I放入溶剂后不同阶段的照片，从图1可以看出纤维在刚放入溶剂未经搅拌的时候，纤维呈分散、松散的状态。从图2可以看出，用电动搅拌器以2000 rpm的速度搅拌10 min后，溶液逐渐变得粘稠，无法用肉眼观察到明显的纤维，溶液颜色也逐渐与纤维的颜色相接近，绝大部分纤维已经被溶剂所溶解。

图3为通过偏光显微镜观察到的纤维I在溶解过程中搅拌不同时间后溶液中纤维形态的放大图片。

图3 纤维I的显微结构 (放大100倍，视场φ=22 mm)

图4为通过偏光显微镜观察到的纤维II在溶解过程中搅拌不同时间后溶液中纤维形态的放大图片。

图4 纤维II的纤维结构 (放大100倍，视场φ=22 mm)

从图3和图4中可以看出，在纤维刚放入溶剂中时，纤维都是互相缠结在一起。在搅拌5 min时大部分的纤维开始分散，并开始溶解。在搅拌10 min时，纤维溶液中出现了明显的纤维小段，说明大部分纤维经溶解发生断裂，纤维I溶解后的纤维段与纤维II相比要细小，未溶解的残余纤维的含量少。说明在相同试验条件下，纤维I在复合溶剂中的溶解性比纤维II效果好。在搅拌时间延长到15 min时，纤维的溶解情况没有很明显的变化，说明其溶解能力已经显著下降。

整个溶解过程为：两种木桨纤维首先分散在溶剂体系中，然后由一根完整的纤维溶解成若干段，这些若干段再逐步进行溶解。这种溶解方式具有两方面的优点：(1)增大接触面积，有助于溶剂对纤维的充分作用。(2)若干段残缺纤维同时进行溶解，减少达到最大相对溶解度所需要的时间。

2.2 纤维溶液表观粘度的研究

实验设计4组氢氧化钠/硫脲/尿素/水质量比为6/4.5/8/81.5的100 g溶剂，将其放入冰箱中预冷至-10℃。分别将2 g、3 g、4 g、5 g的纤维Ⅰ与纤维Ⅱ投放入溶剂中，在冰盐水浴中用电动搅拌器以2000 rpm的转速对溶液搅拌10 min。再用高速离心机以10000 rpm的速度离心6 min，最终获得不同浓度的木桨纤维溶液。然后再用旋转粘度计来测试不同浓度、不同温度下的纤维素溶液Ⅰ和纤维素溶液Ⅱ的表观粘度。

2.2.1 纤维投放量对木桨纤维溶液表观粘度的影响

粘度是指液体对流动所表现的阻力，是液体流动时内摩擦力大小的一种度量[9]。如图5所示，纤维I和纤维II的表观粘度随着纤维投放量的增加而增加，但是当纤维I的投放量为5 g时，相比投放量为2 g、3 g、4 g，其表观粘度骤增；而纤维II随着投放量的增加其表观粘度增加的程度大致相同。纤维I在质量分数4%左右时发生骤变，可能是达到溶液的临界投放点。当纤维素I的含量低于4%时，粘度主要是由其链内结构单元的相互作用，当纤维素I的含量高于4%时，此时分子链间的相互作用占了主要因素，从而使粘度出现骤增现象[10～12]。

图5 纤维投放量对木桨纤维溶液表观粘度的影响

2.2.2 温度对木桨纤维溶液表观粘度的影响

由图6所示，纤维I和纤维II在一定的温度范围内，随着温度的升高木桨纤维溶液的表观粘度逐渐降低，产生这种现象的原因是随着温度上升分子链活动能力增强，破坏了原有的溶液内部的氢键和大分子链的缠结，降低了流动阻力，因而溶液粘度下降[13～16]。在同样的温度条件下纤维I的表观粘度均大于纤维II的表观粘度，这在一定程度上与纤维在溶剂中的溶解度有关系，在该试验条件下，纤维I的溶解度为84.49%，纤维II的溶解度为83.33%。

图6 温度对木桨纤维溶液表观粘度的影响

3 结论

本文对两种木桨纤维，纤维I和纤维II在达到最佳相对溶解度的条件下，对木桨纤维的溶解过程进行了分析并对溶解后的溶液的表观粘度进行测试，结果发现纤维在溶解过程中，先由一根完整的纤维断裂为多段残缺的纤维，这些小段再同时进行溶解，这扩大了溶剂与纤维的接触面积，达到快速溶解的目的。在常温条件下(25℃)，随着纤维投放量的增加，纤维溶液的表观粘度也随之增加，其中纤维I当其纤维投放量为5 g时，其表观粘度骤增；纤维溶液的表观粘度随着温度的增加逐渐降低，且在相同条件下纤维I的表观粘度大于纤维II的表观粘度，这与纤维I与纤维II在溶剂中的溶解度有关。

[1] 李海娇，靳向煜，徐原.木浆纤维水刺复合不同加固结构纤网时的流失现象[J].东华大学学报(自然科学版)，2015，41(2)：196—203.

[2] 范华.木浆纤维织物的开发[J].江苏纺织，2009，27(7)：44—46.

[3] 王前文，李桂付，苗秀爱.棉/木浆纤维/羊绒/绢丝柔洁色纺针织纱的开发[J].上海纺织科技， 2014，42(11)：51—56.

[4] 孙海燕.采用氢氧化钠/尿素/水溶液溶解体系生产纤维素纤维的工艺讨论[J].江苏纺织， 2014，30(3)：35—37.

[5] 孙玉山，徐纪刚，李昭锐，等.新溶剂法纤维素纤维开发概况与展望[J].纺织学报，2014， 35(2)：126—132.

[6] 刘睿，韩卿，钱威威.纤维在NaOH-尿素体系中的溶解性能[J].中国造纸，2015，34(7)：18—22.

[7] 解芳，邵自强.天然纤维素纤维的溶解机理及纺丝技术发展[J].华北工学院学报，2002， 23(2)：119—122.

[8] Chauve M，Barre L，Tapin-Lingua S，et al. Evolution and Impact of Cellulose Architecture During Enzymatic Hydrolysis by Fungal Cellulases[J].Advances in Bioscience & Biotechnology，2013，4(12)：1095—1109.

[9] 查纯喜，金华进，顾利霞.纤维素在氢氧化钠/硫脲/尿素/水溶液中的溶解和溶液特性[J].东华大学学报(自然科学版)，2008，34(34)：20—23.

[10] 李荣超.新型纤维素溶剂体系的研究[D].青岛：青岛大学，2011.

[11] 张帅.新型溶剂制备再生纤维素纤维及其结构性能研究[D].上海：东华大学，2010.

[12] 张俐娜，阮东，高山俊.溶解纤维素的硫脲碱水溶剂及制备再生纤维素膜的方法[P].中国专利：CN1358769，2002—07—17.

[13] 李琳，赵帅，胡红旗.纤维素溶解体系的研究进展[J].纤维素科学与技术，2009，17(2)：69—75.

[14] 吕昂，张俐娜.纤维素溶剂研究进展[J].高分子学报，2007，1(10)：937—944.

[15] 张须友.纤维素在铜氨溶液和铜乙二胺溶液中的溶解及再生[D].青岛：青岛大学，2012.

[16] 师少飞，王兆梅，郭祀远.纤维素溶解的研究现状[J].纤维素科学与技术，2007，15(3)：74—78.

Analysis of Wood Pulp Fiber Dissolution Process and Testing Apparent Viscosity of the Solution

HanYongliang1,LiHe2,YanXiaoyu2,LiuLiyan2

(1.China Clear (Tianjin) Environment Protection Tech Co., Ltd, Tianjin 300384, China; 2.Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China)

In this paper the dissolution processes of two kinds of degummed wood pulp fibers were observed and analyzed by polarizing microscope, and content of fiber and solution temperature effected on apparent viscosity of the solution were tested by rotational viscometer. The results show that one fiber is broken into several small parts in the solution, then they are continued to dissolve. The apparent viscosity of the solution is increased with the increasing content of fiber,decreased with the increasing of temperature.

wood pulp fiber; the dissolution process; temperature; apparent viscosity

2016-09-07

韩永良(1975—)，男，吉林桦甸人，工程师。

TS101.92+1

B

1009-3028(2016)06-0028-04