丙烯酰胺接枝海藻酸纤维的耐碱性研究

RJ 显著下降, 并在丙烯酰胺质量分数 40% 时, 纤 维的耐碱性最佳, RJ 低至 0. 23% 。但随着浓度的 进一步的提高, 丙烯酰胺单体间发生了聚合反应, 在纤维表面形成一层隔膜, 阻碍了纤维的接枝反 应, 浓度越大, 单体间的聚合反应越多, 纤维的接 枝率就越低, 耐碱性改善越不明显。因此, 选择丙 烯酰胺质量分数 40% 为最佳值。
( 2)
纤维断裂强度: 采用电子单纤维强力机在标
准大气压条件下测试纤维的力学性能。测试中,
纤维预加张力为 0. 1 cN, 隔距为 10 mm。
2 结果与讨论
2. 1 接枝共聚物的表征 由图 1可以看出, 与未处理试样 ( 0# ) 比较, 接
枝后 2#试样的红外光谱在 3 300~ 3 000, 1 100~ 1 000, 850~ 750 cm - 1谱带区间均有所变化。接 枝后的 试样在 3 143. 3 cm - 1 处出现了新 的吸收 峰, 该 峰 属 于伯 酰 胺 N H 的 伸 缩 振动; 在 1 070. 4 cm- 1处增加了酰胺基团的 C N 的伸缩 振动; 在 886. 2 cm - 1处出现的新的吸收峰属于酰 胺基团的 C O 面外弯曲振动。结合以上 3处吸
海藻酸纤维具有优异 的吸湿性和生 物相容 性, 在医用领域越来越受到人们的关注 [ 1- 2] 。但 当强碱作用于海藻酸纤维时, 纤维结构中的羧基 极易与强碱发生反应, 钙离子会与强碱中的钠进 行离子交换, 造成纤维的解体, 这无疑影响了海藻 酸纤维的使用范围。
等离子体处理是近年来迅速发展起来的一种 绿色的表面改 性技术 [ 3] 。等离子 体引发接 枝共 聚是由等离子体所产生的活性自由基引发具有功 能性的单体在材料表面进行接枝共聚, 可有效改 善材料的 亲水 性、生物 相容 性、染色 性、粘接 性 等 [ 4- 6] 。作者采用等离子体处理接枝共聚的方法 对海藻酸纤维进行表面改性, 研究了接枝改性后 纤维的耐碱性、吸湿性和断裂强度, 为进一步扩大 海藻酸纤维的应用提供参考。
RJ 先明显下降, 在 60 m in时达到最小值 0. 23% , 说明丙烯酰胺的用量达到饱和。继续延长接枝时 间到 80 m in 时, 可 见 纤 维 的 RJ 急 剧 上 升 到 2. 09% , 这主要是由于发生了均聚反应, 所产生的 均聚物会影响丙烯酰胺与纤维大分子上自由基的 结合, 从而导致纤维的耐碱性下降。所以, 最佳丙 烯酰胺接枝时间确定 60 m in。
图 39 碱溶解度与丙烯酰胺浓度的关系 F ig. 39 R elationsh ip b etw een alkali solub il ity and acrylam id e con centrat ion
放电功率 100 W, 放电时间 4 m in, 接枝时间 60 m in。
2. 2. 4 接枝时间对耐碱性的影响 由图 6可见, 随着接枝 时间的增 加, 纤 维的
收稿日期: 2009 08 07; 修改稿收到日期: 2010 03 21。 作者简介: 祝侣 ( 1979 ), 女, 博 士, 副 教授。主要 从事新 型纺织材料及功能纺织品研究。 * 通讯联系人 ( pzhu99@ 163. com ) 。
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合成纤维工业
2010年第 33卷
红外光谱 ( FT IR ): 利用红外光谱仪对试样进
图 37 碱溶解度与放电功率的关系 F ig. 37 R elationsh ip b etw een alkali solub ility and d ischarge pow er
放电时间 4 m in, 丙烯酰胺质量分数 40% , 接枝时间 60 m in。
2. 2. 2 放电时间对纤维耐碱性的影响 从图 4可以看出, 纤维的 RJ 随着放电时间的
T ab. 1 P rocess conditions of gra fting m od ifica tion of algina te fiber initia ted by plasm a
试样
1# 2# 3# 4# 5# 6# 7# 8# 9# 10# 11# 12# 13#
放电功 率 /W
75 100 125 150 100 100 100 100 100 100 100 100 100
1. 3 实验方法 将清洗好的海藻酸纤维试样置于等离子体发
生装置中, 按一定的等离子体放电功率处理一定 时间。然后将处理好的试样浸于温度为 60 的 丙烯酰胺溶液中进行接枝反应。接枝后的纤维试 样在 40 的真空烘箱中烘干。 0#试样为未处理 的海藻酸纤维, 其他试样接枝改性条件见表 1。
表 1 等离子体引发接枝改性的工艺条件
第 3期
祝侣等. 丙烯酰胺接枝海藻酸纤维的耐碱性研究
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增加先降到最低值 0. 23% , 然后又有所回升。这 主要是由于等离子体对纤维作用时间的延长可以 引入更多的活性基团从而在纤维大分子上接枝更 多的酰胺基团, 使得纤维的耐碱性发生显著改善。 但如果等离子体作用时间过长, 由于氧气的存在, 纤维大分子链会发生氧化, 等离子体所引发的羟 基会部分氧化成羰基, 纤维表面会形成较多的氧 化纤维素, 以致阻碍了纤维随后的接枝反应。所 以, 等离子体的放电时间的最佳值选择为 4 m in。
行表征。采用 KB r压片法制样。
耐碱性: 将纤维试样于真空烘箱中干燥, 迅速
称重 ( M 0 ), 然后以 1 / 10质量浴比放入质量分数
2% 的 N aOH 溶液中静置 5 m in, 取出纤维, 用蒸馏
水清洗, 用真空干燥后称其质量 ( M 1 ) 。纤维的 碱溶解度 ( RJ )按下式计算:
图 38 碱溶解度与放电时间的关系 F ig. 38 R elat ionsh ip betw een alkali solub il ity and d isch arge t im e 放电功率 100 W, 丙烯酰胺质量分数 40% , 接枝时间 60 m in。
2. 2. 3 丙烯酰胺浓度对耐碱性的影响 由图 5可见, 随着丙烯 酰胺浓度 增加, 纤维
图 35 接枝前后海藻酸纤维的红外光谱 Fig. 35 FT IR spectra of alg inate fib er before and
after grafting m od ification
由图 2可看出, 未处理试样 ( 0# )的 SEM 照片 显示纤维表面光滑, 纵向存在着不均匀的沟槽, 这 是由于固化成型过程中需要脱除大量溶剂所造成
放电时 丙烯酰胺 间 /m in 质量分数, %
4
40
4
40
4
40
4
40
2
40
3
40
5
40
4
30
4
50
4
60
4
40
4
40
4
40
接枝时 间 /m in
60 60 60 60 60 60 60 60 60 60 20 40 80
1. 4 测试 表面形貌分析: 海藻酸纤维试样表面经喷金
处理后, 采用 SEM 观察纤维的表面形貌。
图 40 碱溶解度与接枝时间的关系 F ig. 40 R elat ion sh ip betw een alkali solubi lity and graft ing tim e 放电功率 100 W, 丙烯酰胺质量分数 40% , 放电时间 4 m in。
2. 3 纤维的吸湿性和力学性能 由表 2可看出, 经等离子体处理接枝改性后,
1 实验 1. 1 材料
海藻酸纤维: 自制; 丙烯酰胺、无水乙醇: 分析 纯, 国药集团化学试剂有限公司产; 氢氧化钠: 化 学纯, 天津市恒兴化学试剂制造有限公司产。 1. 2 仪器设备
等离子体装置: CTP 2000K 型介质阻挡放电 发生器, 电压 5~ 10 kV , 频率 10 H z, 采用大气压 空气放电, 南京 苏曼电子有限公司制; Sir ion 200 型扫描电镜 ( SEM ): 荷兰 FE I公司制; TENSOR27 型傅里叶变换红外光谱仪: 德国 B ruker光谱仪器 公司制; YG /B /003A 电子单纤维强力仪: 温州市 大荣纺织仪器有限公司制。
海藻酸纤维的回潮率与未处理试样的没有明显变
化。这是由于海藻酸纤维本身含有亲水性基团, 如羟基, 羧基等, 经等离子体处理接枝后的酰胺基 也是较强的亲水基团, 故纤维的回潮率改变不大。
表 2 接枝前后海藻酸纤维的吸湿性和断裂强度的变化
Tab. 2 M oisture absorption and breaking streng th of
2. 2 纤维接枝后的耐碱性 2. 2. 1 放电功率对纤维耐碱性的影响
由图 3可见, 未处理样的 RJ 为 3. 2% , 经等离 子体处理接枝后的纤维的 RJ 明显下降, 说明等离 子体引发接枝改性可以有效地改善纤维的耐碱性 能。随着等离子体放电功率的增加, 纤维的 RJ 逐 渐下降, 在 100 W 功率时 RJ 达到最低值 0. 23% 。 一般来说, 提高等离子体的放电功率可以增加纤 维表面自由基数目, 从而触发更多的羧基分解, 加 大了接枝反应的数量, 更多的酰胺基团因此也被 引入到纤维表面, 使纤维的耐碱性得到提高。不 过, 随着放电功率进一步的增加, 纤维的碱溶解性 有所上升, 放电功率为 150 W 功率时 RJ 增加到 1. 1% 。这是由于等离子体中活性基团对纤维作 用能量过大, 粒子轰击对纤维的结构可能会产生 一定的破坏, 引起无定形区刻蚀, 造成纤维在碱 性环境下容易发生分解, 耐碱性降低。由此可见, 等离子体处理功率的最佳条件为 100 W。
收峰的变化, 可以推断丙烯酰胺单体与海藻酸纤
维大分子发生了接枝聚合, 引入了酰胺基团。
的。接枝后的 2# 试样纤维表面如涂覆了 一层薄 膜, 并有少量的沉积物, 这可能是接枝物引起的。