二醋酸纤维素纤维纺丝溶液的动态黏弹性

DOI:10.13475/j.fzxb.2013.03.010

第34卷第3期2013年3月

文章编号：0253-9721（2013）03-0005-05

纺织学报

JournalofTextileResearch

Vol．34，No．3Mar．，2013

二醋酸纤维素纤维纺丝溶液的动态黏弹性

于

勤

1，2

，张

33

丽，曹建华，王11强，范雪荣

（1．生态纺织教育部重点实验室（江南大学），江苏无锡

江苏张家港

摘

要

214122；2．沙洲职业工学院纺织工程系，

226008）

215600；3．南通醋酸纤维有限公司技术中心，江苏南通

将木浆进行预处理、醋化和水解后得到的二醋酸纤维素片溶解于丙酮溶剂中，形成了不同质量分数二醋

酸纤维素纤维（CDA）的纺丝溶液。采用PhysicaMCR101流变仪进行动态扫描实验，考察了CDA纺丝溶液的动态随着CDA纺丝溶液质量分数的增大或温度的降低，纺丝溶液的储能模黏弹性。结果表明：当角频率一定时，

*

量（G'）、损耗模量（G″）和复数黏度（η）均呈现增加趋势，但损耗角正切（tanδ）逐渐降低。当纺丝溶液的质量分数*或温度一定时，随着角频率的增加，纺丝溶液的G'、和G″相应增加，而tanδ和η则随之降低。

关键词二醋酸纤维素；动态黏弹性；储能模量；损耗模量；损耗角正切；复数黏度

文献标志码：A

中图分类号：O636.11

Dynamicviscoelasticityofcellulosediacetatefiberspinningsolution

2

YUQin1，，ZHANGLi3，CAOJianhua3，WANGQiang1，FANXuerong1

（1．KeyLaboratoryofEco-Textiles（JiangnanUniversity），MinistryofEducation，Wuxi，Jiangsu2．DepartmentofTextileEngineering，ShazhouInstituteofTechnology，Zhangjiagang，Jiangsu

3．TechnicalCenter，NantongCelluloseFibersCo．Ltd．，Nantong，Jiangsu

214122，China；215600，China；

226008，China）

AbstractThewoodpulpafterpretreatment，acetificationandhydrolysiswasdissolvedintoacetone

solvent，hencecellulosediacetate（CDA）fiberspinningsolutionswithdifferentmassconcentrationswereprepared．DynamicviscoelasticityofCDAfiberspinningsolutionwasstudiedbydynamicscanningtestswithPhysicaMCR101rheoviscometer．Theresultsdemonstratedthatwhenangularfrequencywaskeptconstant，withincreasingofsolutionmassconcentrationordecreasingofsolutiontemperature，thestoragemodulus（G'），lossmodulus（G″），aswellascomplexviscosity（η*）appearedincrementaltrends，butthelosstangentreduced；andwhendopemassconcentrationordopetemperaturewasfixed，increasingtheangularfrequencyincreasedG'andG″accordingly，buttanδandη*wentdownward．

Keywordscellulosediacetate；dynamicviscoelasticity；storagemodulus；lossmodulus；losstangent；complexviscosity

醋酸纤维是以纤维素为原料，纤维素分子上的—OH与醋酐作用生成醋酸纤维素酯，也称醋酯纤维

［1］

织品、塑料制品和各种膜材料等

［2－4］

。

CDA的制备一般采用干法纺丝，主要原理是将纤维素溶解在溶剂里，制得的纺丝液从喷丝孔中压出，形成细流，在热空气中溶剂迅速挥发凝固成丝

［5－6］

。根据—OH被乙酰化的程度，醋酸纤维分为

三醋酸纤维和二醋酸纤维。其中二醋酸纤维（CDA）是一种天然再生纤维，属纤维素纤维类的兼具天然纤维（包括人造纤维）和合成半合成纤维，

广泛应用于烟用丝束，也可用于制造纺纤维的特性，

收稿日期：2012－02－14

修回日期：2012－05－31

。

CDA纺丝溶液压入喷丝孔时会在纺丝过程中，

部分能量消耗在溶液的形变上，大分产生入口效应，

基金项目：教育部长江学者和创新团队发展计划（IRT1135）；江苏高校优势学科建设工程资助项目（苏政办发（2011）137号）；

江苏省“青蓝工程”资助项目（苏教师（2012）39号）

E-mail：wxfxr@163．com。作者简介：于勤（1979—），男，讲师，博士生。研究方向为纺丝成型工艺。范雪荣，通信作者，

·6·纺织学报

反映体系的黏滞力液黏性大小，

化行为具有一定的指导意义。

［9］

第34卷

。所以研究CDA

并储存为弹性形变能，该弹子链的构象发生了改变，

性形变回复到原来的状态需要一定的时间即松弛时间

［7］

纺丝溶液的动态损耗模量和储能模量对喷丝孔口膨

图1示出温度为59℃时，不同质量分数（26%、27%、27.8%、28.5%、29.5%）的CDA纺丝溶液的储能模量和损耗模量随角频率的变化情况。可以看出：随着角频率的增加，同一质量分数CDA纺丝溶即角频率液的储能模量和损耗模量均呈增加趋势，纺丝溶液的弹性和黏性越强。这主要是由于：越高，

随着角频率的增加，剪切作用的时间缩短，单位时间内应变次数增加，醋酸纤维素分子链段之间的摩擦次数增加，消耗更多的能量，即损耗模量相应增加。在剪切角频率不断增加的同时，分子链间的键合点显著增加，储存能量的能力不断升高，储能模量也呈动态角频率在0.1～现增加趋势。图1还表明，

100rad/s的范围内变化时，G″＜G'，溶液的弹性表现出主导地位。在相同角频率的条件下，随着质量分损耗模量和储能模量也在逐渐增加。原数的增加，

因是随着CDA溶液质量分数的增大，分子链间键合分子间作用力增强，分子点和几何缠结点显著增多，

链在剪切作用下运动困难，循环运动时损耗更多的能量，故动态损耗模量呈增加趋势。同样由于发生动态储能模量也增加

。形变所需要的力增大，

。而纺丝溶液流经喷丝孔的时间远小于松弛

时间，所以CDA纺丝液进入甬道前并未完全回复到反而在喷丝孔口产生了膨化行为，即挤出初始状态，

胀大现象。CDA纺丝溶液流经喷丝孔发生形变（不可逆）时损耗的模量称为损耗模量，又称黏性模量（G″）；储存纺丝液弹性（可逆）变形能量称为储能模又称为弹性模量（G'）。量，

高聚物纺丝溶液的动态黏弹性是纺丝溶液加工CDA纺丝溶液也不例外。和使用性能的重要表征，

本文采用AntonPaar公司的PhysicaMCR101流变测试仪测试了不同角频率、质量分数和温度下CDA纺丝溶液的动态黏弹性，测试指标包括储能模量、损耗动态复数黏度与损耗角正切，为CDA纺丝过模量、

程的研究提供依据和参考。

1

1.1

试验部分

CDA纺丝溶液的制备

采用高纯度木浆为原料，利用醋酐对木浆进行

乙酰化，经过预处理、醋化和水解等工序得到二醋酸纤维素片。将二醋酸纤维素片溶解于丙酮溶剂中形成CAD纺丝溶液试样。

1.2CDA纺丝溶液动态黏弹性能测试

采用AntonPaar公司的PhysicaMCR101流变测

27%、27.8%、28.5%、试仪对不同质量分数（26%、

29.5%）和不同温度（55、57、59、61、63℃）的试样进测定其储能行扫描（动态频率为0.1～100rad/s），

*

损耗模量（G″）、动态复数黏度（η）与损模量（G'）、

耗角正切（tanδ）。

2

2.1

结果与讨论

质量分数对动态黏弹性能的影响

对动态模量的影响

Fig．1图1

G″）不同质量分数CDA纺丝液的动态模量（G'，

与角频率之间的关系

Relationshipbetweendynamicmodulusand

variousconcentrations

angularfrequencyforCDAspinningsolutionwith

2.1.1

纺丝溶液动态模量包括储能模量和损耗模量。在CDA纺丝溶液进入喷丝孔到离开喷丝孔的过程中由于切应力和法向应力差的存在，发生了弹性形变

［8］

，纺丝溶液在喷丝孔道中储存的弹性能与入口

2.1.2对损耗角正切的影响

区储存的弹性能相结合将影响喷丝孔口挤出胀大区的大小，纺丝液在喷丝孔受到挤压将产生能量损耗，即损耗模量，损耗模量越大，表明CDA纺丝液在喷丝孔口膨化现象越少。另外，损耗模量可表征纺丝

在交变压力的作用下，高分子材料的形变总是落后于应力的变化，发生滞后现象，在每个循环变化中就要消耗功，称为内耗

［10］

，也称为损耗角正切。

损耗角指的是高聚物由于黏性作用引起了应力与应

第3期于勤等：二醋酸纤维素纤维纺丝溶液的动态黏弹性·7·

变之间存在相位差，用δ表示。损耗角正切指的是损耗能量和储能模量的比值（G″/G'），用tanδ表示，该值是体系耗散能量能力的一个量度，反映材料黏性与弹性比例。

图2示出温度为59℃时，不同质量分数的CDA纺丝溶液的损耗角正切随角频率的变化情况。结果CDA纺丝液的tanδ呈下降表明：当角频率增加时，

原因是角频率较低时，分子链的运动跟不上外趋势，

滞后较大；而当角频率较高时，剪切应力力的变化，

对分子链作用时间缩短，链段来不及运动，不存在滞后，所以呈现不显著滞后现象，表现出高弹性。图2还表明，角频率一定时，质量分数较高的CDA纺丝溶液具有较低的tanδ。表明该体系中链段的内摩擦阻力减小，即体系的黏性响应较小而表现出弹性行为

［11］

图3Fig．3

不同质量分数CDA纺丝液的动态复数黏度与角频率之间的关系

Relationshipbetweendynamiccomplexviscosity

withvarious

concentrations

andangularfrequencyforCDAspinningsolution

。

图2

Fig．2

不同质量分数CDA纺丝液的损耗角正切

与角频率之间的关系

图4

质量分数为27.8%的CDA纺丝液在不同温度下的G″）与角频率之间的关系动态模量（G'，Fig．4

Relationshipbetweendynamicmodulusand27.8%atvarioustemperatures

angularfrequencyforCDAspinningsolutionwith

RelationshipbetweenlosstangentandangularfrequencyforCDAspinningsolutionwithvariousconcentrations

2.1.3对动态复数黏度的影响

不同质量分数CDA纺丝液的动态复数黏度与随着角频率角频率之间的关系见图3。不难看出，

CDA纺丝溶液的动态复数黏度呈现减小的的增加，

趋势，表现出切力变稀现象，表明CDA纺丝液为非线性流体。这是因为剪切应力增加时，醋酸纤维素分子的大分子链缠结现象变弱，流动阻力降低，所以复数黏度下降。同样随着CDA纺丝液质量分数的增加，其复数黏度也相应增加。

液的损耗模量和储能模量均呈增加的趋势。该变化规律与图1中CDA纺丝溶液的损耗模量和储能模量随着角频率的变化规律吻合。

CDA纺丝溶液体系的损耗在相同的角频率下，

模量和储能模量随着温度的升高而降低。原因是温度升高时，醋酸纤维素分子热运动能量增加，溶液的分子间距增大，分子间形成了更大的自由体积，分子链段跃迁的阻力变小，在切应力的作用下，链段之间的摩擦减小，所以损耗模量减小。另外，温度升高，分子链段固定的位置被“解结”大分子链的构时，

象重排进而释放更多的应力，所以储能模量较小；温度降低时，分子链段围绕在固定位置做振动，分子链段难以拆开，自由体积变小，链段运动难以跟上应力

2.2

2.2.1

温度对动态黏弹性能的影响

对动态模量的影响

图4示出质量分数为27.8%的CDA纺丝溶液

57、59、61、63℃）损耗模量和储在不同温度下（55、能模量的变化情况。

CDA纺丝

溶由图4可见，随着角频率的增加，

储能模量较大。的变化，2.2.2

对损耗角正切的影响

纺织学报第34卷

CDA纺丝溶液由图6可见，随着温度的升高，

复数黏度减小，原因是温度升高时，醋酸纤维素分子分子间距增大，较多的能量使体系无规则运动加剧，

内部形成的自由体积更大，使链段更易活动，从而复数黏度降低。

图5示出质量分数为27.8%、不同温度时CDA纺丝液的损耗角正切随角频率呈下降趋势的变化规律。所得结果与图2显示的变化规律相同

。

3结论

1）CDA纺丝溶液温度为59℃时，随着溶液质G″和η*均相应增加，量分数的增加，体系的G'、而tanδ则呈现降低趋势。

2）CDA纺丝溶液质量分数为27.8%时，随着G″和η*均呈现降低趋溶液温度的升高，体系的G'、势，而tanδ则逐渐增加。

图5Fig．5

质量分数为27.8%的CDA纺丝液在不同温度下损耗角正切与角频率之间的关系Relationshipbetweenlosstangentandangular

atvarioustemperatures

frequencyforCDAspinningsolutionwith27.8%

3）无论是溶液质量分数为27.8%时，温度发溶液质量分数发生变化；还是温度保持在59℃时，

生变化时，体系的G'、和G″随着角频率的增加均相应增加，tanδ和η的变化规律相反。参考文献：

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［6］WEEWK，MACKLEYMR．

Therheologyand（下转第14页）

*

FZXB

CDA纺丝液的tanδ随着温度的升高而另外，

增加，这是因为温度升高时，醋酸纤维素分子链段被分子运动加剧，使得储能模量和损耗模量降拆开，

低，且储能模量降低的程度更加显著于损耗模量，所以tanδ增加。而tanδ的值越大，说明体系耗散能量的能力越强，其内耗或内摩擦力越大2.2.3

对动态复数黏度的影响

［12］

。

图6示出不同温度下CDA纺丝溶液的复数黏度随着剪切角频率的增加呈下降趋势，表现出剪切

01

温变稀的特征。当角频率在10～10rad/s范围内，

度变化对动态复数黏度的影响较大

。

图6Fig．6

质量分数为27.8%的CDA纺丝液在不同温度下动态复数黏度与角频率之间的关系Relationshipbetweendynamiccomplexviscosity

27.8%atvarioustemperatures

andangularfrequencyforCDAspinningsolutionwith

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（上接第8页）

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a

concentrated

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