煙用二醋酸纖維素的增塑及可紡性能研究

晁紅杰，張 健，李愛華

(1湖南農業大學農學院，長沙410128;2河南中煙工業有限責任公司黃金葉生產制造中心，鄭州450000)

煙用醋酸纖維濾嘴一般采用濕法紡絲，紡絲后，醋酸纖維內的有機溶劑殘留影響煙支的吸食口感。近幾年，隨著煙草行業市場競爭不斷加劇，降低卷煙濾嘴中殘留的有機溶劑成分已成為新的研究熱點[1～4]。因此，采用熔融法生產出性能良好的煙用絲束，不失為一種好的解決辦法[5]。

二醋酸纖維素的玻璃化溫度(Tg)和分解溫度(Tm)區間較小，在熔融法生產中易氧化分解[6]，在醋纖中加入環氧大豆油和乙酰檸檬酸三丁酯作為增塑劑可以增加Tg和Tm的區間，提高二醋酸纖維素的可紡性能。且環氧大豆油和乙酰檸檬酸三丁酯都是被國際認可的無公害、無毒性食品包裝或醫療用材料添加劑。

1 材料與方法

1.1 材料及設備

二醋酸纖維素:乙酰基含量39.5%，相對分子質量12 000，南通醋酸纖維有限公司生產;環氧大豆油:分子量950，環氧值≥6.0，天津市光復精細化工研究所生產;乙酰檸檬酸三丁酯:分子量402.4，市售。

恒溫加熱磁力攪拌裝置:DF－101S型，河南省予花儀器有限公司;平行雙螺桿擠出機:KS－20型，昆山科信橡塑機械有限公司;熔融紡絲機:自組裝小型紡絲機。

1.2 試驗設計

將二醋酸纖維素在70℃下烘12 h后，加入增塑劑。然后，置于高速混合機攪拌2 h，再放入真空干燥箱中保溫12 h后得到預混料;預混料經平行雙螺桿擠出機(轉速30 r/min)熔融造粒。將制備好的混料切片經熔融紡絲機紡絲，得到改性的醋酸纖維，具體配料如表1所示。

表1 改性的醋酸纖維的配方(%)

1.3 分析測試

傅里葉變換紅外光譜(FITR)分析:IR200型，上海市道墟星峰儀器廠，采用KBr壓片，掃描48次。

差示掃描量熱法分析:822e型，梅特勒托利多儀器(上海)有限公司，測試溫度為25～300℃，氮氣流量為80 mL/min，升溫速率為20℃/min，測試時試樣量約6 mg。

熱失重分析:STA409PC型，德國耐馳公司，在N2保護下對試樣進行測試，溫度為30～800℃，升溫速率為20℃/min，測試樣品質量約8 mg。

熔融指數測定:SRSY－1型，上海利浦自動化儀表廠。

2 結果與討論

2.1 FTIR分析

圖1為不同材料的FTIR圖譜。由圖中的4曲線可以看出，1 749.2 cm－1處的吸收峰為乙酰檸檬酸三丁酯中酯基的特征吸收峰，1 747.2 cm－1和1 226.5 cm－1處的峰值分別是醋酸纖維中C－O－C不對稱伸縮振動峰和C=0伸縮振動，855.7 cm－1處的峰為環氧基的特征吸收峰，曲線4與曲線1、2、3相比在3 500 cm－1附近的峰消失。這表明在3號樣品中氫鍵的消失，增塑劑環氧大豆油和乙酰檸檬酸三丁酯的加入沒有與二醋酸纖維素發生化學反應，只是以物理混合的方式存在于二醋酸纖維素中，對二醋酸纖維素的化學結構沒有產生影響[5]。

圖1 樣品的紅外光譜圖

2.2 差示掃描量熱法分析

圖2是純二醋酸纖維素和二醋酸纖維素中增塑劑含量不同的差示掃描量熱法曲線。由圖中的1號樣品曲線圖可以看出，未經改性的二醋酸纖維素為非結晶聚合物，在加熱過程中不經熔融直接分解，在60.5℃附近的吸熱峰為樣品中水分的揮發。2號樣品曲線圖可以看出加入20%增塑劑后，二醋酸纖維素開始有少量的結晶體，并在溫度為157.7℃時開始熔融。從樣品2、3、4曲線圖可以看出，隨著增塑劑含量的增加熔融峰的強度逐漸變大，即結晶體積逐漸變大，熔融溫度從 157.7℃逐漸升高至169.5℃。

出現這種現象有兩個方面的原因:一方面，增塑劑環氧大豆油和乙酰檸檬酸三丁酯中含有大量的羥基(－OH)，與二醋酸纖維素分子鏈之間形成很強的作用力，即氫鍵;另一方面，增塑劑的加入減弱了二醋酸纖維素分子鏈之間的相互作用力，使二醋酸纖維素分子鏈段運動能力增加，從而增大了醋酸纖維的玻璃化溫度與分解溫度區間之間的距離。

圖2 不同含量增塑劑的差示掃描量熱法曲線

2.3 熱失重分析

圖3是純二醋酸纖維素和二醋酸纖維素中增塑劑含量不同的熱失重分析曲線。由圖可以看出，純二醋酸纖維素在370℃開始失重，在370～423.4℃分解速度較慢，在423.4～500℃之間分解速度較快，整個過程可分為兩段。而加入增塑劑后的2、3、4號樣品的曲線可分為4段，開始分解溫度為150.6℃，第一段250.6～337.1℃，此段為環氧大豆油的分解或揮發，第二段337.1～425.1℃，此段為乙酰檸檬酸三丁酯的揮發和二醋酸纖維素側鏈的分解，第三段425.1～445.1℃，此段為二醋酸纖維素主鏈的分解，第四段445.1～500℃，為二醋酸纖維素中雜質的分解。因紡絲溫度在220℃以下，而兩種增塑劑的分解溫度都在250℃以后，所以在熔融紡絲過程中不會有增塑劑的揮發。

圖3 樣品的熱失重分析曲線

2.4 熔融指數及可紡性分析

表2為純二醋酸纖維素和不同增塑劑含量與可紡性能的關系。從表中可以看出，未添加增塑劑的二醋酸纖維素熔融指數較差，并且在紡絲過程中，二醋酸纖維素分解嚴重，基本不能成絲。當加入增塑劑的量為20%時，基本能成絲，但是強度較小，不足以應用。隨著增塑劑添加量的增加，可紡性能增加，絲的顏色接近透明狀。在試驗中發現，當增塑劑的量占30%時，可紡性能最好，增塑劑的量占比超過40%時，紡絲容易出現毛絲、斷頭現象。

表2 熔融指數與紡絲性能

3 結論

(1)FTIR和差示掃描量熱法分析表明，增塑劑環氧大豆油和乙酰檸檬酸三丁酯的加入對二醋酸纖維素的化學結構沒有產生影響，但是對CAD的結晶性能有明顯的促進作用。

(2)熱失重分析表明，兩種增塑劑的分解或者揮發都高于熔融紡絲的溫度，所以在紡絲過程當中不會有增塑劑的揮發。

(3)熔融指數測試和紡絲試驗表明，隨著增塑劑環氧大豆油和乙酰檸檬酸三丁酯添加量的增加，紡絲性能逐漸變好，但并不是增塑劑的量越多越好，試驗證明添加增塑劑的量為30%時效果最好。

(4)使用環氧大豆油(環氧大豆油)和乙酰檸檬酸三丁酯作為二醋酸纖維素的添加劑，然后，采熔融法紡成的二醋酸纖維絲束解決了原紡絲方法存在有機溶劑殘留問題，無新的有害成分增加。

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