铜氨纤维的结构及性能

48 标准与测试V o l〃42N o〃10，2014
铜氨纤维的结构及性能
崔运花，陈佳
( 东华大学纺织学院，上海201620)
摘要: 通过扫描电镜、红外光谱、X －衍射、聚合度测定和热重分析等方法分析研究了铜氨纤维的形态结构、聚集态结构、分子结构、力学性能和热学性能，并且在此基础上研究了纤维的耐酸、碱、氧化剂和还原剂等化学性能。

结果显示，铜氨纤维的表
面具有均匀沟槽，横截面近似圆形，结晶度和取向度比棉和粘胶高，聚合度偏低，并更易热裂解。

铜氨纤维具有优良的
物理和化学性能，有利于后序的纺织加工。

关键词: 铜氨纤维; 结构; 力学性能; 热性能
中图分类号: TS101．921．1 文献标识码: B文章编号: 1001-2044( 2014) 10-0049-04
The structure and property of cupramm onium rayon
C U I Y unhua，C H E N J i a
(C o ll ege o f T ex til e s，D o n g hu a U n i ve rs it y，Sh a n g h a i201620，C h i n a)
A b s t r a c t:Th e s u r f ace m o r ph o l ogy，agg r ega ti o n s t r u c t u r e，m o l ec u l a r s t r u c t u r e，m e c h a n i ca l a nd t h e r m a l p r o p e r ti e s o f c up r a mm o n i u m r ayo n a r e s t ud i e d a nd a n a l y z e d b y m ea n s o f S E M，IＲ，X-d iff r ac ti o n a s w e ll a s o f m ea s u r i n g o f d eg r ee o f p o l y m e r i z a ti o n a nd a n a l y s i s o f T G i n t h e p a p e r w it h t h e fi b e rs’c h e m i ca l p r o p e r ti e s s u c h a s r e s i s t a n ce s o f ac i d，a l k a li，ox i d i z i n g a nd r e du c i n g age n t s d i s c u ss e d．Th e r e s u lt s h o w s t h a t t h e s u r f ace o f c up r a mm o n i u m r ayo n s h o w s un if o r m g r oove s w it h t h e c r o ss-s ec ti o n b e i n g a pp r ox i m a t e l y c i r c u l a r．I t h a s h i g h e r d eg r ee o f c r y s t a lli n it y a nd o r i e n t a ti o n co m p a r e d w it h co tt o n a nd V i s co s e fi b e r．L o w D P m a k e s it ea s y t o b e t h e r m o ll y d eg r a d e t e d．
B e s i d e s，t h e exce ll e n t ph y s i ca l a nd c h e m i ca l p r o p e r ti e s o f c up r a mm o n i u m r ayo n m a k e it s a ft e r p r oce ss i n g m o r e s m oo t h l y．
Key w or ds: cupra mm o ni um fi br e; s tr uc t ur e; m acha ni ca l pr ope rt y; hea t pr ope rt y
铜氨纤维是由包裹在棉籽上的棉短绒为原料制造而成的再生纤维素纤维，具有优良的服用性能，良好的触感，柔和的光泽和极佳的透气性。

近年来出现了很多的铜氨纤维与棉、羊毛和合成纤维等混纺的高附加值产品［1］，但由于对铜氨纤维的结构和各项性能没有深入的了解，在纺织和染整加工中出现很多问题。

本研究主要对铜氨纤维的形态、聚集态和分子结构进行系统研究，探讨其物理与化学性能，为铜氨纤维纺织加工出现的问题提供解决依据。

1 实验部分
1〃1原料
铜氨纤维: 120 D( 132 tex /84f) 的铜氨长丝。

1〃2结构研究
1〃2〃1表观形态观察
采用SJ M－ 5600V L 扫描电子显微镜进行铜氨纤维横截面和纵面形态的观察。

由于哈氏切片器会对试样产生挤压变形，因此采用树脂包埋的方法。

首先将纤维平铺在隔离片上，将环氧树脂和固化剂按照1 ∶ 1 的比例进行调和，用试验刷将树脂均匀地涂抹在排列整齐的纤维上，在真空泵中进行ＲT M真空辅助成型，
收稿日期: 2013－09－20
作者简介: 崔运花( 1965－) ，女，副教授，主要从事纺织加工化学研究。

固化7 h 后，将成型好的树脂包埋试样从隔离片上取下，在液氮中将其脆断，即得到纤维的横截面。

1〃2〃2X－衍射测试
将纤维试样剪碎至粉末状，在载样台中压实，采用
D/M AX－2400 型X射线衍射分析仪进行测试。

实验
条件: N i片滤波，靶型C u，辐射C u －Kα，电压46 kV，电流100 m A，测试范围2θ= 6°～ 60°，扫描速度8°/m i n。

1〃2〃3聚合度实验
将铜氨纤维剪碎，长度小于1 mm，溶解在0． 5 M 铜乙二胺溶液中，用磁力搅拌器搅拌 1 h，使其完全溶解。

将制成的铜氨纤维素铜乙二胺溶液吸至黏度计的上部刻度线，测出液面从上部刻线到下部刻线的流出时间，重复3 次取平均值，用于计算聚合度。

1〃2〃4红外光谱分析
采用NEXUS －670 型傅里叶红外测试仪，扫描范围为4 000 ～400 cm －1，分辨率4 cm －1 ，扫描次数为32 次。

1〃3物理与化学性能
1〃3〃1物理机械性能
根据GB / T 14337—2008《化学纤维短纤维拉伸性能试验方法》进行铜氨纤维断裂强度和伸长率的测试。

× 100%
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标准与测试
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1〃 3〃 2 化学性能
主要研究常用化学试剂酸、碱、氧化剂和还原剂对 铜氨纤维的影响，采用不同浓度的化学试剂进行处理， 用质量降低率和强力损失率表征纤维的损伤程度。

将 处理前后的两块试样放入恒温烘箱，于 105℃ 烘至恒 定质量，放入干燥器中冷却，分别称量，计算其减量率， 再根据物理机械性能的测试方法，计算强力损失率。

质
量降低率 =
处理前干质量 － 处理后干质量
处理前干质量
强力损失率 = 处理前强力 － 处理后强力
处理前强力
图 2 铜氨纤维的 X － 射线衍射曲线 表 1 各纤维的结晶度和取向度对比
2 试验结果分析
2〃 1 纤维结构 2〃 1〃 1 形态结构
图 1 为铜氨纤维的横截面与纵向形态图。

图 1 铜氨纤维横、纵向形态图
图 1( a ) 为铜氨纤维在液氮冷冻条件下折断的形 态，纤维截面近似圆形，纤维内部及表面都有较多孔 洞，有利于湿气和汗渍的排出，清爽不闷热。

铜氨纤维 无皮芯结构，并且孔洞在纤维内外相通，使纤维具有优 良的染色性能，在常压下也可染色，色彩明艳有光泽。

图 2( b ) 是纤维的纵向形态，可看出铜氨纤维表面 虽有凹槽，但均匀一致，直接接触皮肤时，摩擦力小，对 肌肤的刺激性小，给人舒适滑爽之感。

纤维表面的凹 槽是由于铜氨纤维采用湿法纺丝时，溶剂挥发后纤维 表面形成均匀的凹坑，甚至空隙。

纤维表面的纵向条 纹是
因为铜氨纤维在湿法纺丝后处理时，水分蒸发不
均匀造成的。

2〃 1〃 2 聚集态结构研究
图 2 是铜氨纤维的 X － 射线衍射曲线，谱图为 8 个衍 射 峰 的 叠 加: 2θ = 18〃 068，2θ = 12〃 216，2θ = 20〃 011，2θ = 21〃 938，2θ = 34〃 371，2θ = 38〃 705，2θ = 40〃 805，2θ = 42〃 694。

其中 2θ = 18． 068 为非晶峰，其 他为结晶峰。

根据结晶峰面积得出结晶度为66． 75% 。

几种天然和再生纤维素纤维的聚集态结构对比见表
1。

铜氨纤维的结晶度和取向度都比棉和粘胶高，铜
氨纤维在生产过程中通过对初生纤维进行机械拉伸， 大分子逐渐沿轴向排列，因此取向度较高; 棉纤维的大 分子在原纤中的取向很高，但原纤与纤维轴向的取向 有限，所以取向度低于麻类和铜氨纤维。

2〃 1〃 3 分子结构
( 1) 聚合度研究。

根据 GB 5888—1986 《苎麻纤 维素聚合度测定方法》进行铜氨纤维的聚合度测试， 分别测试棉、苎麻和铜氨纤维的聚合度进行对比，流经 黏度计的平均时间和对应的聚合度见表
2。

表 2 流经黏度计的平均时间和对应的聚合度
根据表 2 可知，铜氨纤维的聚合度比棉小得多，但 比普通粘胶大。

( 2) 红外光谱。

图 3 为铜氨纤维红外光谱图。

在 3 346 cm － 1 处出现宽而强的吸收峰，是 － OH 基的伸缩 振动 吸 收 所 致，是所有纤维素的特征吸收 峰。

在 2 892 cm － 1 处的吸收峰可归因于 C － H 的伸缩振动吸
收。

在 1 646 cm － 1
的吸收峰是因为纤维素纤维吸收水
分产生 H － O － H 吸收带
［2］。

在 1 367 cm － 1 出现的吸
收峰是由于 － C － H 的变形振动吸收所引起的。

在
× 100%
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1 200 cm －1的吸收峰认为是－C －H 弯曲振动。

在1 157 cm －1的吸收峰是环状C －O －C 不对称面内伸缩振动引起的，而1 024 cm －1 则认为是环状C －O －C的C －O 的伸缩振动导致。

896 cm －1的吸收峰认为是糖苷键振动的结果，也说明非结晶性谱带的吸收比较明显。

在668 cm －1 的吸收峰是羟基－OH 面外变形振动引起。

图 3 铜氨纤维红外光谱图
2〃2热重分析
纤维素的热裂解会伴随着很多物理和化学变化，铜氨纤维和棉的热裂解过程非常相似，主要分为 3 个阶段: 第 1 阶段主要是水分的蒸发和纤维表面油剂和污垢的分解; 第2 阶段为主要裂解阶段和第3 阶段( 残渣裂解阶段) 。

铜氨纤维的各个阶段对应的分解始温和终温见表3。

根据文献记载，棉纤维的热分解始温是340℃ ～360℃［3，4］，铜氨纤维的分解始温明显比棉纤维低，说明在同样条件下铜氨纤维更易热裂解。

表 3 各阶段对应的分解始温和终温
温度达到120℃之前，主要是纤维中水分的蒸发，此时纤维的质量损失率为7．5%，随着温度的升高，纤维表面的油剂也开始挥发，当温度为281．6℃时纤维的质量损失率达到10%，在292．2℃时，纤维进入主要裂解阶段，当温度为327．6℃时质量损失率达到50%; 在323．8℃时纤维的分解速率达到最大。

随着温度的升高，达到345．9℃时纤维的裂解速率趋于平缓; 接着进入了残渣裂解阶段，相对于第2 阶段来说，第3 阶段的裂解速率比较缓慢，在598．7℃时残渣的剩余率为15．7%。

2〃3铜氨纤维的物理化学性能
2〃3〃1物理机械性能
铜氨复丝的主要市场是服装的衬里( 通常与粘胶长丝混纺) 、外衣、内衣和家用纺织品( 毛巾、床上用品) 。

铜氨纤维可与棉、粘胶、醋酯、羊毛、苎麻和合成纤维混纺。

市场上低线密度铜氨纤维的产品包括长丝: 33 dt ex/24f～167 dt ex/70f; 短纤维: 1．4 dt ex×( 38～51 mm) ，1．7dt ex×( 38 ～51 mm) 和2．2dt ex×( 51 ～76 mm) ［4］。

表4 为几种纤维的机械性能的对比。

表 4 几种纤维的机械性能对比
由表4 可知，铜氨纤维的断裂强度比普通粘胶和棉要高，但断裂伸长率很低。

虽然铜氨纤维的聚合度较低，但结晶度和取向度都很大，因此纤维有很高的断裂强度。

断裂强度和伸长率受很多因素影响，如纤维的聚合度、结晶度、取向度和试验条件等。

结晶度越大，纤维中分子排列越规整，缝隙孔洞较少，分子间结合力越强，断裂强度越高，但相对伸长率低，脆性增加。

取向度决定有效承力分子数，取向度高，较多的大分子排列在平行纤维轴上，且夹角越小，拉伸纤维时，分子链张力在纤维轴向的有效分力越大，纤维强力就越大。

2〃3〃2化学稳定性
准备试样，将其烘干、称量后，进行化学处理，1 h 后进行水洗，将其再烘干和称量，然后进行化学性能分析。

( 1) 耐酸稳定性。

酸处理时纤维的质量损失率和强力损失率见表5。

表 5 酸处理时纤维的质量损失率和强力损失率
V o l〃42N o〃10，2014标准与测试51
常规纺织品酸处理的工艺条件是酸浓度为 4 ～6 g / L，40℃～50℃，放置45 ～ 60 min。

预试验发现，铜氨纤维在高温处理时，浓度60% 就可使之完全溶解。

为了探讨铜氨纤维溶解的临界点，选择常温20℃和50℃ ，酸浓度10% ～ 60% ，处理时间1 h 进行试验。

由表5 可以看出，纤维的质量损失率和强力损失率随着酸浓度的增加而增加，在常温下，浓度比较低时，酸液进入纤维的无定形区和晶区表面，接触到纤维素分子发生水解反应，此时纤维的外观虽然变化不大，但实际上纤维素分子的聚合度已经下降，无定形区分子间结合力减弱，纤维强力下降，由强力损失率可看出。

例如在常温条件下，随着浓度的增加，纤维的质量损失率变化不是很大，但相对应的强力损失率却达到10% ～30% ，当浓度大于50% 时，质量损失率突然增加，纤维在酸液中发生剧烈的水解反应，在50℃条件下，浓度增加到40% 时，纤维由于纤维素分子剧烈水解而断裂成为小于1 cm 的短纤维，几乎失去强力。

当浓度继续增加，纤维完全溶解，溶液呈浓黄色，纤维素分子完全水解成葡萄糖。

( 2) 耐碱稳定性。

碱处理时纤维的质量损失率和强力损失率见表6。

表 6 碱处理时纤维的质量损失率和强力损失率大。

在高温低碱浓度条件下，铜氨纤维对碱作用相对稳定。

但高温、有空气存在时，由于碱催化氧化，纤维强力会受损，所以在铜氨纤维的纺织加工过程中，应避免含碱液的铜氨纤维织物长时间与空气接触。

( 3) 耐氧化剂稳定性。

氧化处理时纤维的质量损失率和强力损失率见表7。

表7 氧化处理时纤维的质量损失率和强力损失率
由表7 可看出，铜氨纤维耐氧化稳定性较差，温度较低时，铜氨纤维纤维素分子是葡萄糖剩基构成的高分子，对还原剂稳定，因此铜氨纤维还原性比较强。

但剩基结构有一定的还原性，耐氧化性差。

受中强氧化剂作用后会发生分子链断裂，葡萄糖剩基上的羟基变成醛、酮或羧酸结构，受强氧化剂作用甚至完全分解成二氧化碳和水。

( 4) 耐还原性。

还原处理时纤维的质量损失率和强力损失率见表8。

表8 还原处理时纤维的质量损失率和强力损失率
在20℃条件下用浓碱液处理铜氨纤维时，发现纤维发生剧烈的溶胀，在溶液中呈现透明状，手感滑腻，处理完毕经水洗后纤维出现收缩，表面粗糙，如棉纤维一样出现碱缩现象。

浓NaOH 的这种溶胀作用不仅发生在纤维无定形区，而且可使部分结晶区的纤维大分子之间的结合力断开，也发生溶胀现象。

由于处理纤维时处于无张力条件下，分子链之间结合力降低，分子链发生松弛和取向降低现象，纤维纵向收缩，横向增
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3．5 其他因素对耐水压的影响
图5为有捻与无捻织物的耐水压性能比较。

图 5 捻度与耐水压关系
从图5 可以看出，无捻织物的耐水压大于有捻织
物，平均相差2 kPa。

因为具有一定捻度的纱线不利于
纱线的收缩，而且加捻后纱线直径相对较细，减小织物
覆盖系数，在织物中，纱线与纱线间的孔径较大，所以
耐水压较低。

4 结语
( 1) 织物中最先发生渗透处为最大孔径处，孔径
越小，防水性能越好。

一般当接触角为125°～135°
时，最大孔径在8～10μm，耐水压可达到7～7〃5k Pa。

( 2) 异收缩高密织物经过压光处理后，厚度越薄，
耐水压越高。

( 3 ) 无捻纱比有捻纱所织成的织物，耐水压性能更
好。

( 4) 影响高密防水透湿织物的主要因素为: 织物
孔径、接触角、织物厚度。

分别对耐水压影响占到了
35〃86%、34〃4%、23〃24%，尚有6%的影响因素不明确。

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檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨檨
( 上接第51 页)
考虑实际纺织加工需要，选择的还原剂为保险粉，
但保险粉性质不稳定，在有水分存在时，无论有无空气
存在都会剧烈分解。

浓度为1% 、5%时由于保险粉浓
度较低，分解现象不剧烈，对纤维的损伤也呈现上升趋
势; 但浓度为10%、15%时，配制溶液时保险粉剧烈分
解，产生大量的气泡和热量，因此在高浓度下质量损失
率反而呈下降趋势。

3 结语
( 1) 铜氨纤维的截面呈比较规则的圆形，并且表
面有均匀的凹槽和纵向条纹，使其具有优良的触感和
良好的吸湿性。

( 2) 铜氨纤维的结晶度66〃75%，取向度83〃7%，
并且铜氨纤维的特征基团和粘胶纤维几乎相同。

( 3) 铜氨纤维的聚合度为452，比麻和棉低，但比
粘胶高，具有比粘胶更好的机械性能。

( 4) 铜氨纤维的热分解始温为292〃2℃，更容易热
裂解。

因此铜氨织物在进行热处理时必须严格控制
温度。

( 5) 铜氨纤维的断裂强力为2〃49cN/dtex，断裂伸
长率为8〃62%，机械性能比粘胶高，但比棉稍低。

( 6) 铜氨纤维的化学稳定性较好，对碱和还原剂
的稳定性很好，对酸和氧化剂的稳定性差。

当酸浓度
为40% 、温度为50℃时，或当氧化剂浓度为20%、温
度为100℃ 时，铜氨纤维几乎完全溶解，机械性能完全
丧失。

因此铜氨纤维织物在生产和使用的过程中，要
严格控制酸和氧化剂的浓度，在不损伤产品质量的基
础上进行后处理。

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2014年10月·第42卷·第10期
V o l〃42N o〃10，2014
SHANGHA I TEXT I LE SC I ENCE ＆ TECHNOLOGY 上海纺织科技
标准与测试59。