用于纺织材料的木质素纤维及其制备方法
阅读说明：本技术 用于纺织材料的木质素纤维及其制备方法 (Lignin fiber for textile material and preparation method thereof ) 是由 周凡雨 彭雄义 刘仰硕 董雄伟 李强 蔡亚君 彭其安 董会杰 张圣祖 吕少仿 于 2021-06-28 设计创作，主要内容包括：本发明涉及用于纺织材料的木质素纤维及其制备方法。该木质素纤维可采用如下方法制备得到：将碱木质素进行乙酰化处理制得乙酰化的碱木质素,然后,将乙酰化的碱木质素溶于二甲基甲酰胺和乙醇的混合溶剂中,并加入制备的纺丝助剂,制得纺丝液；最后,在静电纺丝机上进行静电纺丝,经水洗、上油和烘干工序制得。本发明制备的木质素纤维干断裂强度介于39～40cN/tex之间,其干断裂伸长率介于11%～12%之间,其湿断裂强度介于31～32cN/tex之间,其湿断裂伸长率介于12%～13%之间。本发明制备的木质素纤维的力学性能优于采购的粘胶纤维,该木质素纤维是一种合格的纺织材料用的纤维,其具有很好的应用前景。(The present invention relates to lignin fibers for textile materials and a method for their preparation. The lignin fiber can be prepared by the following method: acetylating alkali lignin to obtain acetylated alkali lignin, dissolving the acetylated alkali lignin in a mixed solvent of dimethylformamide and ethanol, and adding a prepared spinning auxiliary agent to prepare a spinning solution; and finally, carrying out electrostatic spinning on the electrostatic spinning machine, and carrying out the procedures of washing, oiling and drying to obtain the product. The dry breaking strength of the lignin fiber prepared by the method is 39-40 cN/tex, the dry breaking elongation is 11-12%, the wet breaking strength is 31-32 cN/tex, and the wet breaking elongation is 12-13%. The mechanical property of the lignin fiber prepared by the invention is superior to that of purchased viscose fiber, and the lignin fiber is a qualified fiber for textile materials and has good application prospect.)
技术领域
本发明属于纤维的制备技术领域，具体涉及用于纺织材料的木质素纤维及其制备方法。
背景技术
木质素是一类复杂的有机聚合物，其在维管植物和一些藻类的支持组织中形成重要的结构材料。木质素在细胞壁的形成中是特别重要的，特别是在木材和树皮中，因为它们赋予刚性并且不容易腐烂。在化学上，木质素是交叉链接的酚聚合物。木质素是一种可降解的天然高分子材料，它是地球上第二丰富的天然资源。目前石油资源正被大量消耗，同时也引发严重的环境污染等问题。由此，各国科研人员都在努力找寻可以替代石化资源的新材料，生物基天然材料自然成为研究热点。木质素拥有热稳定性好、无毒、耐候等优点，利用木质素制备生物质基高分子材料已经广泛应用于各个领域。作为一种高度芳构化的天然热塑性材料，木质素与高分子材料的共混能有效提高材料的一些应用性能，包括生物可降解性、吸湿性、力学性能等，还能减少合成高分子材料的使用量，从而降低成本。
木质素纤维是天然木材经过化学处理得到的有机纤维，外观为棉絮状，呈白色或灰白色。通过筛选、分裂、高温处理、漂白、化学处理、中和、筛分成不同长度和粗细度的纤维以适应不同应用材料的需要。由于处理温度高达250℃以上，在通常条件下是化学上非常稳定的物质，不为一般的溶剂、酸、碱腐蚀，具有无毒、无味、无污染、无放射性的优良品质，不影响环境，对人体无害，属绿色环保产品，这是其它矿物质素纤维所不具备的。纤维微观结构是带状弯曲的，凹凸不平的，多孔的，交叉处是扁平的，有良好的韧性、分散性和化学稳定性，吸水能力强，有非常优秀的增稠抗裂性能。
木质素纤维广泛用于沥青道路、混凝土、砂浆、石膏制品、木浆海棉等领域，对防止涂层开裂、提高保水性、提高生产的稳定性和施工的合宜性、增加强度、增强对表面的附着力等有良好的效果。其技术作用主要是：触变、防护、吸收、载体和填充剂。在路面铺设中，纤维稳定剂采用木质素纤维， 经工厂形成棉絮状纤维或颗粒状纤维。
虽然木质素纤维在很多领域得到广泛应用，但是，木质素纤维从溶液中析出时成型差，抱团成型难度大，因此，其用于纺织材料用纤维难度大。
发明内容
为了解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供用于纺织材料的木质素纤维及其制备方法。该木质素纤维可用于纺织材料，其具有价格低廉、可再生、强力性能好等优点。
本发明的目的在于提供用于纺织材料的木质素纤维， 该木质素纤维可采用如下方法制备得到：将碱木质素进行乙酰化处理制得乙酰化的碱木质素，然后，将乙酰化的碱木质素溶于二甲基甲酰胺和乙醇的混合溶剂中，并加入制备的纺丝助剂，制得纺丝液；在静电纺丝机上进行静电纺丝，经水洗、上油和烘干工序制得。
本发明的另一目的在于提供用于纺织材料的木质素纤维的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
（1）碱木质素的乙酰化处理：将碱木质素加入到含有乙酰化试剂的圆底烧瓶中，密封，50～60 °C下加热搅拌2～4 h， 反应结束后将溶剂在旋转蒸发器中迅速蒸干，所得固体即为乙酰化的碱木质素。
优选地，所述步骤（1）中乙酰化试剂由乙酰溴与冰醋酸组成，乙酰溴与冰醋酸的体积比为：1∶9～11。
优选地，所述步骤（1）中碱木质素(g)与乙酰化试剂(mL)的比为：1∶90～110。
（2）纺丝助剂的制备：称取烯丙基聚乙二醇、烯丙基缩水甘油醚和过硫酸铵引发剂，将占总量1/2的烯丙基聚乙二醇、烯丙基缩水甘油醚和过硫酸铵引发剂溶解于适量的去离子水中，控制温度为75～85℃，搅拌1～2h；然后将剩余1/2的烯丙基聚乙二醇、烯丙基缩水甘油醚和过硫酸铵引发剂溶于少量去离子水后滴加到刚刚搅拌的混合溶液中，滴加时间控制在2～3h，滴加完毕后，保温2～3h，保温结束后用NaOH溶液中和至pH=7～8，即制得纺丝助剂。
优选地，所述步骤（2）中烯丙基聚乙二醇(mol)、烯丙基缩水甘油醚(mol)和过硫酸铵(g)的比为：1∶2～4∶9～11。
优选地，所述步骤（2）中烯丙基聚乙二醇的分子量为500、1000或2000。
（3）纺丝液的制备：将乙酰化的碱木质素溶于二甲基甲酰胺和乙醇的混合溶剂中，加入步骤（2）制备的纺丝助剂，搅拌20～30分钟，制得纺丝液。
优选地，所述步骤（3）中混合溶剂中乙醇与二甲基甲酰胺的体积比为：1∶10～20。优选地，所述步骤（3）中纺丝助剂的用量占混合溶剂的体积比为：1～3%。
优选地，所述步骤（3）中乙酰化的碱木质素（g）与混合溶剂（mL）的比为：1∶3～5。
（4）丝线的制备：将步骤（3）配好的纺丝液在静电纺丝机上进行静电纺丝。
优选地，所述步骤（4）中纺丝的条件为：电压5～10KV，喷射速度3～5mL/h，喷射距离80～100mm。
（5）纤维的水洗：将步骤（4）处理后的纤维浸入60～70℃的热水中进行水洗，水洗时间为1～2分钟，浴比1︰10～20。
（6）纤维的上油：将步骤（5）处理后的纤维浸入2～3g/L的油浴溶液，油浴温度为60～70℃，时间为1～2分钟，浴比1︰10～20。
（7）纤维的烘干：将步骤（6）处理后的纤维经过烘干处理后得到用于纺织材料的木质素纤维。
本发明具有如下显著特点：
（1）本发明自制了纺丝助剂，该助剂的加入，为制备合适粘度的纺丝液创造了条件。
（2）本申请的发明人意外地发现，在配置纺丝液时，在纺丝液中加入了少量的乙醇，乙醇的加入为纺丝过程中固液的快速分离提供条件，解决了木质素纤维从溶液中析出时成型差，抱团成型难度大的难题。
（3）本发明制备的木质素纤维干断裂强度介于39～40cN/tex之间，其干断裂伸长率介于11%～12%之间，其湿断裂强度介于31～32cN/tex之间，其湿断裂伸长率介于12%～13%之间。从力学性能的测试结果来看，木质素纤维的力学性能优于采购的粘胶纤维，由此可见，本发明制备的木质素纤维是一种合格的纺织材料用的纤维。
附图说明
图1 实施例1中制备的静电纺丝机装置示意图（1.电源；2.接收转轴；3.射流；4.针头；5.支架；6.导管；7.聚合物溶液；8.针筒；9.推进器）；
图2 实施例1中制备的用于纺织材料的木质素纤维a的电镜图。
具体实施方式
以下所述实施例详细说明了本发明。
实施例1
在本实施例中，用于纺织材料的木质素纤维采用如下方法制备而成，包括如下步骤：
（1）碱木质素的乙酰化处理：将10g碱木质素加入到含有1000mL乙酰化试剂的圆底烧瓶中，密封，55 °C下加热搅拌3h， 反应结束后将溶剂在旋转蒸发器中迅速蒸干，所得固体即为乙酰化的碱木质素；所述乙酰化试剂由100mL乙酰溴与900mL冰醋酸组成。
（2）纺丝助剂的制备：称取0.01mol分子量为1000的烯丙基聚乙二醇、0.03mol的烯丙基缩水甘油醚和0.1g过硫酸铵引发剂，将占总量1/2的烯丙基聚乙二醇、烯丙基缩水甘油醚和过硫酸铵引发剂溶解于200mL的去离子水中，控制温度为80℃，搅拌1.5h；然后将剩余1/2的烯丙基聚乙二醇、烯丙基缩水甘油醚和过硫酸铵引发剂溶于100mL去离子水后滴加到刚刚搅拌的混合溶液中，滴加时间控制在2.5h，滴加完毕后，保温2.5h，保温结束后用NaOH溶液中和至pH=7～8，即制得纺丝助剂。
（3）纺丝液的制备：将10g乙酰化的碱木质素溶于40mL二甲基甲酰胺和乙醇的混合溶剂中，加入1mL步骤（2）制备的纺丝助剂，搅拌25分钟，制得纺丝液；所述混合溶剂中乙醇与二甲基甲酰胺的体积比为：1∶15。
（4）丝线的制备：将步骤（3）配好的纺丝液在静电纺丝机上进行静电纺丝，静电纺丝机装置示意图如图1所示；纺丝的条件为：电压8KV，喷射速度4mL/h，喷射距离90mm。
（5）纤维的水洗：将步骤（4）处理后的纤维浸入65℃的热水中进行水洗，水洗时间为1.5分钟，浴比1︰15；
（6）纤维的上油：将步骤（5）处理后的纤维浸入2.5g/L的油浴溶液，油浴温度为65℃，时间为1.5分钟，浴比1︰15；
（7）纤维的烘干：将步骤（6）处理后的纤维经过烘干处理后得到用于纺织材料的木质素纤维a，用于纺织材料的木质素纤维a的电镜图如图2所示。
实施例2
在本实施例中，用于纺织材料的木质素纤维采用如下方法制备而成，包括如下步骤：
（1）碱木质素的乙酰化处理：将10g碱木质素加入到含有900mL乙酰化试剂的圆底烧瓶中，密封，55 °C下加热搅拌3h， 反应结束后将溶剂在旋转蒸发器中迅速蒸干，所得固体即为乙酰化的碱木质素；所述乙酰化试剂由90mL乙酰溴与810mL冰醋酸组成。
（2）纺丝助剂的制备：称取0.01mol分子量为1000的烯丙基聚乙二醇、0.02mol的烯丙基缩水甘油醚和0.1g过硫酸铵引发剂，将占总量1/2的烯丙基聚乙二醇、烯丙基缩水甘油醚和过硫酸铵引发剂溶解于200mL的去离子水中，控制温度为80℃，搅拌1.5h；然后将剩余1/2的烯丙基聚乙二醇、烯丙基缩水甘油醚和过硫酸铵引发剂溶于100mL去离子水后滴加到刚刚搅拌的混合溶液中，滴加时间控制在2.5h，滴加完毕后，保温2.5h，保温结束后用NaOH溶液中和至pH=7～8，即制得纺丝助剂。
（3）纺丝液的制备：将10g乙酰化的碱木质素溶于30mL二甲基甲酰胺和乙醇的混合溶剂中，加入1mL步骤（2）制备的纺丝助剂，搅拌25分钟，制得纺丝液；所述混合溶剂中乙醇与二甲基甲酰胺的体积比为：1∶10。
（4）丝线的制备：将步骤（3）配好的纺丝液在静电纺丝机上进行静电纺丝，静电纺丝机装置示意图如图1所示；纺丝的条件为：电压8KV，喷射速度4mL/h，喷射距离90mm。
（5）纤维的水洗：将步骤（4）处理后的纤维浸入65℃的热水中进行水洗，水洗时间为1.5分钟，浴比1︰15；
（6）纤维的上油：将步骤（5）处理后的纤维浸入2.5g/L的油浴溶液，油浴温度为65℃，时间为1.5分钟，浴比1︰15；
（7）纤维的烘干：将步骤（6）处理后的纤维经过烘干处理后得到用于纺织材料的木质素纤维b。
实施例3
在本实施例中，用于纺织材料的木质素纤维采用如下方法制备而成，包括如下步骤：
（1）碱木质素的乙酰化处理：将10g碱木质素加入到含有1100mL乙酰化试剂的圆底烧瓶中，密封，55 °C下加热搅拌3h， 反应结束后将溶剂在旋转蒸发器中迅速蒸干，所得固体即为乙酰化的碱木质素；所述乙酰化试剂由100mL乙酰溴与1000mL冰醋酸组成。
（2）纺丝助剂的制备：称取0.01mol分子量为1000的烯丙基聚乙二醇、0.04mol的烯丙基缩水甘油醚和0.1g过硫酸铵引发剂，将占总量1/2的烯丙基聚乙二醇、烯丙基缩水甘油醚和过硫酸铵引发剂溶解于200mL的去离子水中，控制温度为80℃，搅拌1.5h；然后将剩余1/2的烯丙基聚乙二醇、烯丙基缩水甘油醚和过硫酸铵引发剂溶于100mL去离子水后滴加到刚刚搅拌的混合溶液中，滴加时间控制在2.5h，滴加完毕后，保温2.5h，保温结束后用NaOH溶液中和至pH=7～8，即制得纺丝助剂。
（3）纺丝液的制备：将10g乙酰化的碱木质素溶于50mL二甲基甲酰胺和乙醇的混合溶剂中，加入1mL步骤（2）制备的纺丝助剂，搅拌25分钟，制得纺丝液；所述混合溶剂中乙醇与二甲基甲酰胺的体积比为：1∶20。
（4）丝线的制备：将步骤（3）配好的纺丝液在静电纺丝机上进行静电纺丝，静电纺丝机装置示意图如图1所示；纺丝的条件为：电压8KV，喷射速度4mL/h，喷射距离90mm。
（5）纤维的水洗：将步骤（4）处理后的纤维浸入65℃的热水中进行水洗，水洗时间为1.5分钟，浴比1︰15；
（6）纤维的上油：将步骤（5）处理后的纤维浸入2.5g/L的油浴溶液，油浴温度为65℃，时间为1.5分钟，浴比1︰15；
（7）纤维的烘干：将步骤（6）处理后的纤维经过烘干处理后得到用于纺织材料的木质素纤维c。
对比例1
在本对比例中，在制备过程中不加入纺织助剂，具体方法为不实施“（2）纺丝助剂的制备”，同时，将“加入1mL步骤（2）制备的纺丝助剂”删去；其它制备方法参考实施例1，制得用于纺织材料的木质素纤维d。
对比例2
在本对比例中，在制备过程中不加入乙醇，即“将10g乙酰化的碱木质素溶于40mL二甲基甲酰胺和乙醇的混合溶剂中”调整为“将10g乙酰化的碱木质素溶于40mL二甲基甲酰胺溶剂中”其它制备方法参考实施例1制得用于纺织材料的木质素纤维e。
性能测试：
纤维力学性能测试：对上述具体实施例1～3和对比例1～2制备得到的用于纺织材料的木质素纤维a、b、c、d、e进行强力性能测试，测试方法参考GB/T-24218.3-2010《纺织品、非织造布试验方法第3部分：断裂强力和断裂伸长率的测定》，采用FAVIMAT - BOBOT2全自动单纤维万能测试仪测定试样的强力性能，测试试样不少于30根，取测试平均值。测试结果如表1所示，其中，用于纺织材料的木质素纤维a、b、c、d简称纤维a、b、c、d，采购市场上的粘胶纤维来自于绍兴丹澳纺织品有限公司。
表1 纤维a、b、c、d、e和市场上的粘胶纤维的力学性能
从表1可见，实施例制备的木质素纤维干断裂强度介于39～40cN/tex之间，略高于采购市场上的粘胶粘胶纤维，实施例制备的木质素纤维干断裂伸长率介于11%～12%之间，略高于采购市场上的粘胶纤维；实施例制备的木质素纤维湿断裂强度介于31～32cN/tex之间，略高于采购市场上的粘胶纤维，实施例制备的木质素纤维湿断裂伸长率介于12%～13%之间，略高于采购市场上的粘胶纤维。对比例制备的木质素纤维的主要性能参数均低于实施例制备的木质素纤维。实施例和对比例的结果可以认为：纺织助剂的加入、乙醇溶剂的掺入对木质素纤维的性能有重要影响。从力学性能的测试结果来看，木质素纤维的力学性能优于采购的粘胶纤维，由此可见，本发明制备的木质素纤维是一种合格的木质素纤维。
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