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        Lyocell纖維素原液的穩(wěn)態(tài)流變特性

        2022-12-19 02:36:46施龍生武佳佳王嘉駿張鴻晨
        紡織報(bào)告 2022年11期
        關(guān)鍵詞:模型

        施龍生,武佳佳,王嘉駿,張鴻晨

        (1.啟東市巨龍石油化工裝備有限公司,江蘇 啟東 226200;2.浙江大學(xué) 化學(xué)工程與生物工程學(xué)院 化學(xué)工程聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310027;3.南通職業(yè)大學(xué),江蘇 南通 226007)

        Lyocell纖維被稱為綠色纖維,具有染色性好、透氣性佳、取向度高、斷裂強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn),可應(yīng)用于高級時(shí)裝、過濾材料、電工紙、輪胎簾子線等領(lǐng)域[1-2]。Lyocell纖維的原料為木材、豆粕、棉花等天然纖維素,其分子鏈結(jié)構(gòu)為D-吡喃葡萄糖單元通過β-(1,4)-糖苷鍵連接的線型分子[3-4]。Lyocell纖維是通過將天然纖維素原料溶解于溶劑中再進(jìn)行紡絲加工制成,制造工藝簡單,溶劑回收率達(dá)99.5%,符合可持續(xù)發(fā)展及環(huán)保的要求[5]。

        熔噴法非織造布技術(shù)是主要的紡絲加工工藝,原料在螺桿擠出機(jī)中受熱熔融,經(jīng)噴絲孔流出,噴絲孔兩側(cè)通入高速熱氣流,流體在高速熱氣流的強(qiáng)烈拉伸作用下形成超細(xì)纖維[6-7]。采用熔噴法紡絲的前提是Lyocell纖維素原液具有良好的流動(dòng)性和可紡性,通過對其流變性能的研究,為合理設(shè)置加工工藝參數(shù)提供數(shù)據(jù)指導(dǎo)。本實(shí)驗(yàn)以工廠中的Lyocell纖維素原液為研究對象進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流變性能探究,得到了該溶液的非牛頓指數(shù)、零剪切黏度、黏流活化能、結(jié)構(gòu)黏度指數(shù)等,回歸出準(zhǔn)確度較高的黏度預(yù)測方程,具有重要的理論研究價(jià)值。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 實(shí)驗(yàn)原料

        實(shí)驗(yàn)對某工廠的Lyocell纖維素原液進(jìn)行取樣,測試其穩(wěn)態(tài)流變特性。

        1.2 穩(wěn)態(tài)流變測試

        穩(wěn)態(tài)流變測試采用旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)(德國HAAKE公司,VT550)的同軸筒式套件進(jìn)行測定,流變測試溫度為80~120 ℃,剪切頻率為0.1~3.5 s-1,模擬體系生產(chǎn)加工過程中的流變行為。

        1.3 流變理論

        Lyocell纖維素原液屬于假塑性非牛頓流體,其剪切稀化行為近似符合冪律定律:

        式中:ηa為表觀黏度;K為黏度系數(shù),Pa·sn;n為非牛頓指數(shù),n值的大小代表流體非牛頓行為的強(qiáng)弱,n越小,其非牛頓性越顯著;為剪切頻率,s-1。

        Cross方程相比冪律定律可以更全面地描述聚合物從第一牛頓區(qū)到剪切稀化區(qū)的轉(zhuǎn)折。當(dāng)剪切速率為無窮大時(shí),假定Lyocell纖維素原液的表觀黏度為0,則Cross方程如下:

        式中:λ為松弛時(shí)間,s。

        剪切應(yīng)力與表觀黏度和剪切速率的關(guān)系如下:

        式中:τ為剪切應(yīng)力,Pa。

        溫度是分子熱運(yùn)動(dòng)程度的反映,溫度升高使聚合物內(nèi)的自由體積增大,造成黏度下降。表觀黏度與溫度的關(guān)系符合Arrhenius方程:

        式中:A為指前因子;Eη為黏流活化能,表征流體對溫度的敏感程度;R為氣體常數(shù);T為絕對溫度。

        結(jié)構(gòu)黏度指數(shù)Δη如下:

        結(jié)構(gòu)黏度指數(shù)Δη表征溶液的結(jié)構(gòu)化程度,有利于確定紡絲工藝。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 Lyocell纖維素原液的流體類型

        圖1為Lyocell纖維素原液在不同溫度下的黏度曲線。由圖1可見,在相同剪切速率下,隨著溫度的升高,Lyocell纖維素原液的表觀黏度降低,說明分子間的相互作用力減弱,溶液的間隙增大,分子的運(yùn)動(dòng)能力增強(qiáng),更容易發(fā)生分子鏈的解纏結(jié)。

        在5種溫度下,Lyocell纖維素原液的表觀黏度經(jīng)過第一牛頓區(qū)后均隨著剪切速率的增大而減小,說明該Lyocell纖維素原液屬于假塑性非牛頓流體,呈現(xiàn)剪切稀化特征。在第一牛頓區(qū),由于剪切速率較小,Lyocell纖維素原液中分子鏈解纏結(jié)的速率與鏈纏結(jié)的速率達(dá)到平衡,表現(xiàn)為表觀黏度不變。此時(shí)的表觀黏度為Lyocell纖維素原液的零剪切黏度(η0);隨著剪切速率繼續(xù)增大,其分子鏈解纏結(jié)的速率大于鏈纏結(jié)的速率,表現(xiàn)為表觀黏度降低;開始出現(xiàn)剪切稀化的速率為臨界剪切速率()。如表1所示,溫度越高,該溶液的零剪切黏度越小,臨界剪切速率左移。

        表1 Lyocell纖維素原液的零剪切黏度

        圖2為lgηa與的散點(diǎn)圖,利用式(5)擬合lgηa對的斜率,求得結(jié)構(gòu)黏度指數(shù)。如表1所示,結(jié)構(gòu)黏度指數(shù)是衡量紡絲溶液可紡性的重要尺度,在非牛頓區(qū)域內(nèi),流體的結(jié)構(gòu)指數(shù)Δη>0。隨著溫度的升高,Δη減小,說明流體的結(jié)構(gòu)化程度越小,可紡性越好,得到的纖維質(zhì)量好。

        圖2 結(jié)構(gòu)黏度指數(shù)的擬合

        2.2 纖維素原液的非牛頓指數(shù)

        圖3 為Lyocell纖維素原液的流動(dòng)曲線,反映了該溶液在剪切作用下剪切應(yīng)力對剪切速率的依賴性,為其紡絲加工工藝設(shè)計(jì)提供依據(jù)。從圖3可以看到,在相同的剪切速率下,溫度越高,分子鏈運(yùn)動(dòng)性越強(qiáng),所需的剪切應(yīng)力越小。在5種溫度下,剪切應(yīng)力隨著剪切速率的增大而增大,即該溶液需要施加更大的剪切應(yīng)力才能實(shí)現(xiàn)剪切速率的增大。

        圖3 Lyocell纖維素原液的流動(dòng)曲線

        表2 Lyocell纖維素原液的流變參數(shù)

        2.3 黏流活化能

        在2.1小節(jié)中測得5種溫度下Lyocell纖維素原液的零剪切黏度(η0),零剪切黏度與溫度的關(guān)系如圖4所示。從圖4可以看出,零剪切黏度隨著溫度的升高而降低。利用式(4)對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到該溶液零剪切黏度與溫度的關(guān)系:η0=1.91×10-5exp(53 700/RT),黏流活化能Eη為53.70 kJ/mol,R2為0.998。

        圖4 Lyocell纖維素原液與T的關(guān)系

        2.4 Cross-Arrhenius黏度模型的建立

        結(jié)合Cross模型和Arrhenius方程建立Cross-Arrhenius黏度模型來預(yù)測Lyocell溶液表觀黏度與溫度、剪切速率的關(guān)系。首先,利用Cross模型對不同溫度下的黏度曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,效果如圖5所示。

        圖5 Cross模型對數(shù)據(jù)的擬合效果

        不同溫度下Cross模型參數(shù)如表3所示,可見隨著溫度的升高,纖維素分子鏈的松弛時(shí)間逐漸減少,n逐漸減小。

        表3 Cross模型擬合參數(shù)

        將Cross模型中的松弛時(shí)間λ、非牛頓指數(shù)n與溫度T進(jìn)行關(guān)聯(lián),如圖6所示。假定松弛時(shí)間λ與溫度T呈線性關(guān)系,得到λ=-0.006 5T+2.65;假定n與溫度T呈指數(shù)型關(guān)系,得到n=3.71exp(-T/3.06)+0.97。

        圖6 Cross模型中各參數(shù)隨溫度的變化

        零剪切黏度η0與溫度T的關(guān)系符合Arrhenius方程,將Arrhenius方程和Cross模型聯(lián)立,得到Cross-Arrhenius黏度模型:

        采用式(6)預(yù)測80~120 ℃下Lyocell纖維素原液的表觀黏度隨剪切速率的變化,并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行對比,如圖7所示,吻合效果較好,所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的平均相對誤差為8.0%(圖8)。

        圖7 Cross-Arrhenius黏度模型擬合

        圖8 模型計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對比

        3 結(jié)論

        本實(shí)驗(yàn)采用同軸圓筒型流變儀對Lyocell纖維素原液進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流變探究,得出以下結(jié)論:

        (1)Lyocell纖維素原液為假塑性非牛頓流體,在80~120 ℃條件下,非牛頓指數(shù)的范圍在0.60~0.92,黏流活化能為53.70 kJ/mol。

        (2)該溶液的結(jié)構(gòu)黏度指數(shù)隨著溫度的升高而減小,說明溫度升高可以增強(qiáng)該溶液的流動(dòng)性,其開始出現(xiàn)剪切稀化的臨界剪切速率左移,使其更易于紡絲加工。

        (3)回歸出關(guān)聯(lián)溫度、剪切速率的Cross-Arrhenius黏度模型,準(zhǔn)確度較高,為該溶液的流變性能預(yù)測、紡絲加工工藝參數(shù)設(shè)置提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。

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