超临界CO2 处理对PLA纤维微结构和性能的影响rz-081207-1
杨文芳, 张之秋, 苏志武 天津工业大学,天津300160
收稿日期:
2008-04-24
作者简介: 杨文芳(1963-),女,副教授,硕士,主要研究方向功能纺织品、染整新技术。
原载：印染2008/16；4-7
网上来稿：zhanyizhen，2008/12/7
【摘要】 采用超临界CO2 流体处理聚乳酸纤维(PLA) ,探讨了处理后纤维的熔点、纤维对染料的吸附性和纤维取向度的变化。结果表明,经超临界CO2 处理后,聚乳酸纤维的熔点提高,取向度降低,纤维对染料的吸附量减小,且上述变化均随着处理温度、压力和时间的增加而加剧。
【关键词】 染色; 分散染料; 超临界二氧化碳; 聚乳酸纤维
【中图分类号】 TS1931638 文献标识码: A 文章编号: 1000-4017(2008)16-0004-04
聚乳酸纤维( PLA)属于脂肪族聚酯高聚物,具有较好的物理机械性能,以及较高的结晶度、取向度和强度。与聚酯和聚酰胺纤维相比,其手感和悬垂性更好,比重低,抗紫外线性能好,不易燃烧,燃烧时发烟量小,卷曲性和保形性较好[1,2]。聚乳酸降解后产生二氧化碳和水,对环境无污染[3]。
超临界CO2 染色没有水资源的消耗和废水排放问题,是环境友好型加工过程,其应用于涤纶的染色研究已取得重要进展[4,5] ,而应用于PLA纤维虽有报道[6],但资料很少,还需从不同角度多方面研究。本试验对PLA纤维经超临界CO2 流体处理后,在物理性能、染色性能和微结构上的变化进行研究。
1 试验部分
1. 1 设备及仪器
FY120250201超临界二氧化碳染色机(南通飞宇石油科技开发有限公司) ,旋转式红外线小样机(靖江新旺染整设备厂) , SF600 Plus电脑测色仪(美国Datacolor公司),WC21纤维熔点测定仪(四川大学科仪厂) 。
1. 2 材料与药品
染料 C. I.
Disperse Yellow 23
聚乳酸纤维 0.1 tex
38 mm (山东德州棉纺厂提供,美国产)
1. 3 测试
熔点 用纤维熔点仪测定。
染色性能 测试染色纤维的K/S值。
1. 4 染色工艺
PLA纤维染色工艺
处方
C. I.
Disperse Yellow 23 /% (owf) 2
冰醋酸/ ( g/L)
1
浴比1 ∶30
工艺曲线
还原清洗/(g/L)
碳酸钠
2
保险粉
2
浴比 1∶30
温度/℃
70
时间/min 10
2 结果与讨论
2. 1 处理温度对PLA纤维性能的影响
当工作温度和压力高于二氧化碳的临界点时,才能达到超临界状态,且处理温度对超临界CO2 的物理状态和纤维微结构有很大影响。试验条件: 压力20MPa,处理温度分别为70、80、90、100、110、120 ℃,时间30 min。
基础实验工艺为:压力20MPa,时间30 min,温度90 ℃。在探讨工艺条件变化对纤维性能及结构的影响时,固定该基础工艺中两个条件,变化一个条件。基础实验条件的确定是根据前期探索实验结果确定的,此处略去了这一过程。
2. 1. 1 对纤维熔点的影响
超临界CO2 流体能进入纤维内部,对其产生增塑和溶胀作用,进而改变其聚集态结构,导致纤维熔点变化。图1显示了不同温度超临界CO2 流体处理后纤维熔点的变化。
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图1 处理温度对PLA纤维熔点的影响 |
图1表明,在处理压力和时间一定的条件下, PLA纤维的熔点随超临界CO2 处理温度的升高而升高。超临界CO2 处理时,在高温和CO2 流体的增塑作用下,PLA纤维大分子链段的活动性增强,发生重排,使结晶度或晶体规整性或晶体尺寸有所提高,进而使处理后PLA纤维熔点升高。此外, PLA纤维经水处理后,其熔点也随处理温度升高而升高(水处理在红外线染色机上进行,浴比1 ∶30) ,但升高程度小于超临界CO2。这是因为与水处理相比,超临界CO2 流体的增塑膨化作用更强烈,对纤维大分子链段重排的影响更大。
2. 1. 2 对纤维取向度的影响
双折射率是表征纤维大分子取向程度的重要参数。纤维双折射现象源于大分子或微晶体的各向异性,如果纤维中大分子完全没有取向,纤维就不存在双折射现象;反之,则取向度越大。
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图2 处理温度对PLA纤维取向度的影响 |
图2表明,与未处理试样相比,经超临界CO2 处理后, PLA纤维双折射率降低,而且随处理温度升高,纤维双折射率逐渐减小,即PLA纤维取向度下降。纤维经过超临界CO2 流体处理后,由于流体的增塑膨化作用,使部分晶区或无定形区取向部分的反式构象链段向无定形区无规则的顺式构象转变[7],因而导致纤维大分子链段取向度下降。而处理温度升高导致非晶区大分子链段的活动性增强,加剧了链段解取向,使其取向度降低。水处理PLA纤维的双折射率也随处理温度的升高而降低,但降低程度比超临界CO2 要小,表明水处理的增塑作用要小于超临界CO2 流体的作用。
2. 1. 3 对PLA纤维染色性能的影响
采用常规分散染料染色方法, 分别对经超临界CO2 处理的PLA纤维和未处理纤维进行染色试验,结果如图3和表1所示。
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图3 不同温度处理的PLA纤维的染色深度 |
表1 不同温度处理的PLA纤维对染料的吸附性
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处理温度/℃ |
未处理 |
70 |
80 |
90 |
100 |
110 |
120 |
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吸光度 |
0.460 |
0.392 |
0.388 |
0.367 |
0.362 |
0.350 |
0.345 |
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相对上染百分率/% |
100 |
85.2 |
84.3 |
79.8 |
78.7 |
76.1 |
75 |
注:用20 mL二甲基甲酰胺对0. 100 g染色纤维剥色,之后取5 mL剥色液稀释至25 mL,测其吸光度值。
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相对上染百分率/% = |
处理纤维吸光度 |
×100 |
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未处理纤维吸光度 |
图3表明,经超临界CO2 处理的PLA纤维,随处理温度升高,纤维染色的K /S值逐渐减小。表1中,处理温度升高,染料对纤维的上染率减小,这与纤维的结晶度变化有关,纤维结晶区增大,无定形区减小,染料上染率减小。
2. 2 处理时间对PLA纤维性能的影响
试验条件 温度90 ℃,压力20 MPa,处理时间分别为10、20、30、40 min时。
2. 2. 1 对PLA纤维熔点的影响
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图4 处理时间对PLA纤维熔点的影响 |
图4表明,随着处理时间的延长, PLA纤维熔点增高。因为介质在PLA纤维内部的增塑膨化作用逐渐充分,纤维有序度增幅越大,纤维熔点越高。水处理后纤维的熔点随处理时间的延长而升高,但增幅亦低于超临界CO2。
2. 2. 2 对PLA纤维取向度的影响
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图5 处理时间对PLA纤维取向度的影响 |
图5表明,经超临界CO2 流体处理后, PLA纤维取向度减小。说明处理时间的延长,超临界CO2 对纤维的增塑和溶胀作用较充分,导致更多的大分子链段或结晶解取向。水处理的PLA纤维也有此变化,但程度低于超临界CO2。
2. 2. 3 对PLA纤维染色性能的影响
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图6 超临界CO2 处理时间对PLA染色性能的影响 |
表2 不同处理时间对PLA纤维染色性能的影响
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时间/min |
未处理 |
10 |
20 |
30 |
40 |
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吸光度 |
0.460 |
0.438 |
0.373 |
0.367 |
0.344 |
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相对上染百分率/% |
100 |
95.2 |
81.1 |
79.8 |
71.8 |
图6和表2表明,经超临界CO2 处理的PLA 纤维,染色后的K/S 值和剥色液的吸光度均随处理时间的延长而逐渐减小,即纤维对染料的吸附性减小。说明随着超临界CO2 处理时间的延长,纤维的结晶度提高,无定形区比例减小。
2. 3 处理压力对PLA纤维性能的影响
压力对超临界CO2 流体的物理性状有直接影响,不同物理性状的超临界CO2 流体对纤维的作用结果不同。因此,在温度90 ℃,时间30 min,压力分别为10、15、20、25、30MPa的条件下进行试验。
2. 3. 1 对PLA纤维熔点的影响
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图7 不同处理压力对PLA纤维熔点的影响 |
图7表明,随着处理压力的升高, PLA纤维的熔点提高。因为压力的增加,使超临界CO2 流体密度增大,进入纤维非晶区后对纤维的增塑和溶胀作用加剧,使大分子链段的活动性增强并发生重排,促进了纤维结晶度或晶体尺寸的提高,因而熔点升高。
2. 3. 2 对PLA纤维取向度的影响
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图8 不同处理压力对PLA纤维取向度的影响 |
图8表明,在其它条件一定的情况下,随着处理压力的增大, PLA纤维的双折射率逐渐减小,即纤维取向度降低。
2. 3. 3 对PLA纤维染色性能的影响
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图9 超临界CO2 处理压力对PLA染色深度的影响 |
图9表明,随着处理压力的增大,经超临界CO2 处理的PLA纤维,染色后的K /S 值减小。
表3 不同处理压力对PLA纤维染色性能的影响
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压力/Mpa |
未处理 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
|
吸光度 |
0.460 |
0.412 |
0.368 |
0.367 |
0.332 |
0.285 |
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相对上染百分率/% |
100 |
89.6 |
80.0 |
79.8 |
72.1 |
62.0 |
表3中的吸光度值和上染率数据说明,随处理压力的增加,纤维对染料的吸附性下降,这是由于处理压力增大,纤维结晶度提高,无定形区减小。
3 结论
PLA纤维经超临界CO2 处理后,其熔点得到提高,而取向度和上染性均降低。上述性能的变化均随处理温度、压力和时间的增加而进一步加剧。
参考文献:
[1]俞建勇,赵恒迎,程隆棣. 新型绿色环保纤维2聚乳酸纤维性能及其应用[J] 纺织导报,2003,(3):17
[2]L. E. Scheyer, A. Chiweshe. App
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&ADR,2001,3(2):44-48
[3]廖镜华. 聚乳酸纤维[J]化纤与纺织技术,
2003(12):23-27
[4]RitaM,De
Giorgi, et a1. Dyeing polyester fibres with disperse dyes in supercritical CO2 [J] Dyes and Pigments, 2000, 45:75-79
[5]余志成,林鹤呜,张 珍. 涤纶织物在超临界二氧化碳中的染色性能研究[J]纺织学报, 2004, 25(4):18-20
[6]杨文芳,王雷. 超临界CO2 在PLA纤维染色中的应用[J]纺织学报, 2007, 28(10): 59-62.
[7]龙家杰,陆同庆,程安康. 超临界二氧化碳对涤纶纤维结构和性能的影响[J]丝绸,2004,(3):34-36