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        季銨陽離子型接枝淀粉漿料的漿膜性能

        2018-11-28 03:54:02張朝輝徐珍珍徐文正
        紡織學報 2018年11期
        關鍵詞:季銨親水性漿膜

        張朝輝, 徐珍珍, 徐文正, 李 偉

        (安徽工程大學 紡織服裝學院, 安徽 蕪湖 241000)

        眾所周知,漿紗時部分漿液被烘干后形成被覆于經(jīng)紗表面的漿膜[1],依靠這層漿膜的保護作用,可避免經(jīng)紗直接受到外界的磨損,漿紗耐磨性能提高[2];此外,漿膜可阻止纖維移出紗體形成毛羽。理想的漿膜要有良好的強伸度和韌性,并具備一定的水溶性,以滿足退漿的要求。

        淀粉是一種資源豐富、價格低廉[3]、對環(huán)境污染小、可再生的天然高聚物,用作紡織漿料已有悠久的歷史。但由于淀粉分子的每個葡萄糖剩基中含有3個羥基,較多的羥基以及淀粉的環(huán)狀結構使其成膜性能不佳[4],漿膜表現(xiàn)出硬而脆的屬性[5],織造時漿膜易破碎脫落,從而弱化了漿膜對經(jīng)紗的保護,降低了漿紗的耐磨性,而且在織造時容易產生大量的再生毛羽,導致開口不清和經(jīng)紗斷頭,嚴重影響織機的生產效率和織物品質。因此,改善淀粉漿膜硬而脆的屬性,提高淀粉漿料的使用性能,具有重要的意義。大量的研究表明,對淀粉進行變性是提高淀粉漿膜性能的有效手段[6]。

        季銨陽離子型3-丙烯酰胺丙基三甲基氯化銨接枝淀粉(簡稱S-g-PATC)是變性淀粉的一種,它是利用水相非糊化狀態(tài)淀粉在引發(fā)劑作用下與季銨陽離子單體3-丙烯酰胺丙基三甲基氯化銨(簡稱ATC)進行接枝共聚合反應而制得。季銨陽離子接枝支鏈的空間位阻作用將降低淀粉分子間作用力,接枝支鏈的親水性將提高淀粉的水分散性,從而改善淀粉的成膜性,提高漿膜的韌性,進而改善淀粉漿膜硬而脆的屬性。但國內外有關S-g-PATC漿膜的研究報道很少,為此,本文將對不同接枝率的S-g-PATC漿膜性能進行研究,以期為S-g-PATC的開發(fā)和應用提供一定的參考依據(jù)。

        1 實驗部分

        1.1 主要材料與試劑

        玉米淀粉,工業(yè)級,山東恒仁工貿有限公司,漿液黏度為48 mPa·s;3-丙烯酰胺丙基三甲基氯化銨(ATC),質量分數(shù)為75%的水溶液,上海梯希愛化成工業(yè)發(fā)展有限公司;過氧化氫(H2O2),質量分數(shù)為30%的水溶液;鹽酸、氫氧化鈉(NaOH)、硫酸亞鐵銨((NH4)2Fe(SO4)2)、對苯二酚均為分析純,國藥集團化學試劑有限公司。

        1.2 S-g-PATC的合成

        將玉米淀粉在使用前按照文獻[7]酸解的方法預處理,使其黏度降為10 mPa·s。稱取降黏后干態(tài)質量為120 g的酸解淀粉(簡稱ATS)均勻分散于280 mL蒸餾水中,用稀鹽酸調節(jié)體系的pH值至3~4,轉移至500 mL四口燒瓶中,攪拌條件下水浴至30 ℃,通入氮氣0.5 h后,同時滴加H2O2溶液、(NH4)2Fe(SO4)2溶液和ATC單體。接枝單體和引發(fā)劑要在15~20 min內同時均勻滴加完畢。在氮氣保護的情況下反應3 h后,向體系加入對苯二酚溶液終止反應。用稀NaOH溶液中和至體系pH值為6.5 ~7,最后經(jīng)抽濾、洗滌、烘干、研磨和過篩,制得粉末狀S-g-PATC。通過調整ATC和ATS的質量比,即可合成不同接枝率的S-g-PATC。

        按照文獻[8] Kjeldahl方法測試S-g-PATC樣品的含氮量WN,然后根據(jù)下式計算接枝率:

        1.3 性能測試與表征

        1.3.1分子結構表征

        將干燥的ATS和S-g-PATC分別與KBr按1∶100的質量比充分混合、研磨并制成壓片。用IRPrestige-21型傅里葉變換紅外光譜儀對ATS和S-g-PATC進行分子結構表征。掃描范圍為4 000~400 cm-1。

        1.3.2漿膜力學性能測試

        按照文獻[9]的方法制備漿膜,再將漿膜制成長度為220 mm、寬度為10 mm的條形,置于溫度為20 ℃、相對濕度為65%的環(huán)境中1 d,用HD021N型電子單紗強力機測試漿膜的力學性能。測試條件:定速拉伸速度為50 mm/min,隔距為100 mm,有效實驗次數(shù)為30。

        1.3.3淀粉膨脹度測試

        按照文獻[10]的方法稱取干態(tài)質量為1 g的淀粉樣品均勻分散于49 mL蒸餾水中,在攪拌條件下水浴至95 ℃并保溫0.5 h,冷卻到室溫后在轉速為3 000 r/min的條件下離心20 min,倒出上清液,先于80 ℃烘干,再在105 ℃烘至恒態(tài)質量。根據(jù)下式計算膨脹度:

        式中:m為離心沉淀物質量,g;mg為淀粉樣品干態(tài)質量,g;m0為上清液烘至恒態(tài)質量后殘留物的質量,g。

        1.3.4漿膜結晶性能測試

        將漿膜置于溫度為20 ℃、相對濕度為65%的環(huán)境中1 d,用XRD-6000型X射線衍射儀對ATS和S-g-PATC漿膜的結晶度進行分析。測試條件:掃描速度為6(°)/min,掃描范圍為5°~40°,步長為0.02°。

        1.3.5漿膜吸濕率測試

        按照文獻[11]的方法將25 ~30 cm2的漿膜置于溫度為20 ℃、相對濕度為65%的環(huán)境中1 d并稱量,然后將其于105 ℃下烘至恒態(tài)質量,冷卻至室溫,再次稱量。根據(jù)下式計算漿膜吸濕率:

        式中:m1為漿膜吸濕后的質量,g;m2為漿膜干燥后的質量,g。

        1.3.6漿膜水溶速率測試

        按照文獻[12]的方法將漿膜制成長度為100 mm、寬度為20 mm的條形,在長度方向的中間位置劃一標記,下端施加0.5 g重物,用80 ℃的水恰好浸沒標記,記錄標記以下漿膜全部脫落的時間。有效實驗次數(shù)為20。

        2 結果與討論

        2.1 分子結構分析

        ATS和S-g-PATC的紅外光譜如圖1所示。S-g-PATC除保留ATS的特征吸收峰外,在1 650、1 482 cm-1處出現(xiàn)新的特征吸收峰,分別為酰胺羰基的雙鍵伸縮振動峰[13]和C—N的伸縮振動峰[14]。這2個特征吸收峰的出現(xiàn)表明季銨陽離子支鏈成功接枝到淀粉分子上。

        圖1 ATS和S-g-PATC的紅外光譜Fig.1 FT-IR spectra of ATS and S-g-PATC

        2.2 S-g-PATC漿膜的力學性能

        S-g-PATC漿膜的力學性能如表1所示??梢钥闯?,用季銨陽離子對淀粉接枝變性可提高漿膜的韌性,改善淀粉漿膜硬而脆的屬性。當接枝率由2.8%增加到10.6%,S-g-PATC漿膜的斷裂伸長率由2.56%增加到3.92%,而漿膜斷裂強度則由28.04 MPa減小到24.27 MPa。

        表1 S-g-PATC漿膜的力學性能Tab.1 Mechanical properties of S-g-PATC film

        淀粉漿液在成膜時,伴隨著水分的連續(xù)蒸發(fā),淀粉大分子鏈段之間發(fā)生相互擴散運動,彼此糾纏在一起,使淀粉之間產生黏合,從而形成大片的連續(xù)漿膜[2]。所形成淀粉漿膜的性能與淀粉的親水性、水分散性有關。淀粉的親水性強,它在水中的分散性一般會較好,從而有利于鏈段之間相互擴散、糾纏[15],淀粉成膜性和漿膜性能也較佳。一般淀粉的親水性可通過淀粉膨脹度來反映[16]。S-g-PATC的膨脹度如圖2所示。可以看出,用季銨陽離子對淀粉接枝變性可增大淀粉的膨脹度,并且隨著接枝率的增加,S-g-PATC膨脹度逐漸增大。這是因為隨著接枝率的增加,S-g-PATC引入的親水性接枝支鏈變多,與它發(fā)生親和作用的水分子也多,膨脹度增大。膨脹度增大表明S-g-PATC的親水性、水分散性良好,這對提高淀粉成膜性和漿膜性能有利,漿膜斷裂伸長率越大。

        圖2 S-g-PATC的膨脹度Fig.2 Swelling power of S-g-PATC

        淀粉漿膜結晶度也會影響其力學性能。圖3示出ATS和S-g-PATC的X射線衍射圖譜??梢钥闯觯cATS相比,S-g-PATC漿膜的衍射強度減弱,峰型變得彌散。計算得到ATS和S-g-PATC(接枝率為6.7%)漿膜的結晶度分別為20.2%、15.4%,這表明用季銨陽離子對淀粉接枝變性可降低漿膜的結晶度。這是因為S-g-PATC引入的接枝支鏈會產生“空間位阻”作用,破壞淀粉分子間羥基的締合,降低分子間作用力,使淀粉大分子堆砌松散,漿膜結晶度降低。S-g-PATC漿膜結晶度的降低有利于提高漿膜的韌性,漿膜斷裂伸長率增大,漿膜斷裂強度減小。

        圖3 ATS和S-g-PATC漿膜的X射線衍射圖譜Fig.3 X-ray diffraction patterns of ATS and S-g-PATC films

        淀粉漿膜的吸濕率也會影響其力學性能。圖4示出S-g-PATC漿膜的吸濕率。可以看出,用季銨陽離子對淀粉接枝變性可提高漿膜的吸濕率,并且隨著接枝率的增加,S-g-PATC漿膜的吸濕率逐漸增強。這是因為隨著接枝率的增加,S-g-PATC引入的親水性接枝支鏈變多,它對水的親和能力、吸收空氣中水分和保留水分的能力均增大,S-g-PATC漿膜吸濕率增強。水分能對淀粉漿膜起外增塑作用[17],使S-g-PATC漿膜斷裂伸長率增大,漿膜斷裂強度減小,漿膜韌性提高,淀粉漿膜硬而脆的屬性改善。

        圖4 S-g-PATC漿膜的吸濕率Fig.4 Moisture regain of S-g-PATC film

        2.3 S-g-PATC漿膜的水溶速率

        S-g-PATC漿膜的水溶速率如表2所示??梢钥闯觯眉句@陽離子對淀粉接枝變性可提高淀粉漿膜的水溶速率。

        表2 S-g-PATC漿膜的水溶速率Tab.2 Time required for breaking S-g-PATC film in water

        一方面,S-g-PATC引入的接枝支鏈會產生“空間位阻”作用,使淀粉大分子堆砌松散,有利于更多水分子進入淀粉大分子間隙中,從而增大分子之間的距離,有助于漿膜溶脹;另一方面,S-g-PATC引入的親水性接枝支鏈有效地增強了淀粉與水分子之間的親和能力,有助于溶脹的漿膜向水中擴散,漿膜的水溶速率提高。需要強調的是,S-g-PATC漿膜水溶速率的提高,對改善淀粉漿料的退漿性能具有積極的意義。

        3 結 論

        1)用季銨陽離子對淀粉接枝變性可提高漿膜的韌性,改善淀粉漿膜硬而脆的屬性。當接枝率由2.8%增加到10.6%,S-g-PATC漿膜的斷裂伸長率由2.56%增加到3.92%,而漿膜斷裂強度則由28.04 MPa減小到24.27 MPa。

        2)用季銨陽離子對淀粉接枝變性可增大淀粉的膨脹度,且隨著接枝率的增加,S-g-PATC的膨脹度逐漸增大;接枝變性可降低漿膜的結晶度,提高漿膜的吸濕率,且隨著接枝率的增加,S-g-PATC漿膜的吸濕率逐漸增強。

        3)用季銨陽離子對淀粉接枝變性可提高淀粉漿膜的水溶速率,對改善淀粉漿料的退漿性能具有積極的意義。

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