纖維素與聚丙烯腈在離子液體中的溶解與紡絲研究.pdf

1、離子液體是一類熔點在100℃以下的有機鹽，具有結(jié)構(gòu)可調(diào)可控、穩(wěn)定性好、無揮發(fā)、可循環(huán)使用等特點，近來受到廣泛的關(guān)注。由于其對纖維素及其他高聚物的強溶解能力，為溶劑法纖維素纖維及其它功能性纖維的開發(fā)提供了可能。
　　本論文主要研究了纖維素與聚丙烯腈在一些咪唑類離子液體中的溶解、再生與紡絲性能；基于離子液體結(jié)構(gòu)性能可調(diào)可控的特點，通過對不同離子液體和紡絲方法，以及溶解紡絲工藝的研究，結(jié)合熱臺偏光顯微鏡、掃描電鏡、雙折射、密度測試、廣角

2、X射線衍射和小角X射線散射、濕摩擦、熱重分析、強力纖度儀等測試和表征方法，探討纖維素與聚丙烯腈在離子液體中溶解紡絲的工藝與機理，通過干濕法紡絲制備了具有優(yōu)異抗原纖化性能的纖維素纖維，通過濕法紡絲制備了具有較高力學(xué)性能的纖維素纖維，通過干濕法紡絲制備了具有改善了抗原纖化性能的PAN改性纖維素纖維，以及具有吸濕透氣特性、利于穿著舒適性的纖維素改性PAN纖維。
　　通過本文的系列研究，得到以下的主要研究結(jié)果：
　　1．研究的離子液

3、體按照對纖維素的溶解溫度由低到高依次為[EMIM]Ac<[BMIM]Ac<[AMIM]Cl<[EMIM]Cl<[BMIM]Cl<[BZMIM]Cl，其對纖維素的溶解能力依次降低，[EMIM]Br只能溶脹而不能溶解纖維素；DMSO的加入能夠降低溶劑的粘度，提高溶劑的滲透性，有效降低對纖維素的溶解溫度，提高對纖維素的溶解速度。再生纖維素膜光滑、致密、透明、具有一定強度，而本實驗由離子液體中再生的聚丙烯腈膜硬而脆，其中溶于[EMIM]Ac的P

4、AN發(fā)生了部分水解，部分腈基轉(zhuǎn)變?yōu)轸然Ｈ軇╇x子液體的粘度越高，雙擴散越緩慢，成膜孔隙越少、尺寸越小，在[BMIM]Cl中再生的膜具有最好的成膜性能；纖維素與聚丙烯腈具有一定的相容性，添加少量纖維素能夠改善聚丙烯腈成膜的性能，隨著纖維素含量的增加，相分離現(xiàn)象趨于明顯，膜中孔隙的尺寸和數(shù)量增加；進(jìn)一步隨著纖維素含量的增加，膜的致密性、柔韌性又增加。2．通過對纖維素/[EMIM]Ac溶液(12wt％)的濕法紡絲，成功制備得到了強度達(dá)2.88

5、cN/dtex的再生纖維素纖維。較高的纖維素濃度和牽伸比，改善了纖維的結(jié)晶度、取向度和強度；但擠出和牽伸速度的增加均使再生纖維素纖維易于原纖化。凝固浴溫度的升高提高了雙擴散和絲束凝固的速度，但帶來不均勻的纖維結(jié)構(gòu)，凝固浴濃度的升高與溫度的影響作用相反。
　　3．采用[EMIM]Ac為溶劑通過干濕法紡絲制備出了易于原纖化的纖維素纖維的同時，制備出了具有優(yōu)異抗原纖化性能的纖維素纖維。
　　紡絲過程中，在漿粕聚合度較低時，毛細(xì)波斷

6、裂是紡絲中主要的斷裂機理；在漿粕聚合度較高時，內(nèi)聚脆性斷裂是主要的斷裂機理。在漿粕聚合度較高，紡絲原液濃度較低時，有利于制備出纖度更低、強度更高的再生纖維素纖維；在漿粕聚合度較低時，有利于制備高濃度、高可拉伸性、高紡絲速度的紡絲原液，有利于提高紡絲效率。
　　原液配置時的含水量，對紡絲速度和可牽伸倍率的區(qū)間影響不大，但是會干擾溶劑化大分子在拉伸中的均勻取向以及凝固過程中均勻結(jié)構(gòu)的形成，所以隨著水分的增加，纖維的強度降低；但對于較低

7、聚合度的纖維素漿粕，由于原液中溶劑化大分子的有效滑移和取向效應(yīng)主導(dǎo)了纖維的結(jié)構(gòu)與性能，含水量對于纖維強度的影響降低并趨于消失。同時，由于較小聚合度漿粕的原液流變拉伸效果較好，由拉伸力驅(qū)動、縛結(jié)分子傳遞的結(jié)構(gòu)重排較小、取向排列相對較好，制備出的纖維孔隙尺寸較小，孔隙取向分布較窄。
　　采用[EMIM]Ac為溶劑干濕法紡制纖維素纖維時，增加側(cè)吹風(fēng)效果不大，反而會干擾絲條的穩(wěn)定拉伸，致使紡絲牽伸倍率難以提高，纖維性能降低；擠出絲在氣隙中

8、的流經(jīng)時間與原液的松弛時間匹配的時候，有利于纖維強度性能的最大化；擠出絲在氣隙中流經(jīng)時間的延長或縮短會帶來再生纖維素纖維干燥收縮率的增加或降低，及其干燥后纖維斷裂伸長的增加或降低；相對于[BMIM]Cl溶劑，以[EMIM]Ac為溶劑，在較低擠出速度下制備的纖維素纖維雖然強度偏低，斷裂伸長和纖維干燥后的收縮較大，但是其濕摩擦性能和抗原纖化性能優(yōu)異。
　　4．采用[BMIM]Cl為溶劑通過干濕法紡絲，制備得到了強度達(dá)4.81cN/dt

9、ex的再生纖維素纖維。隨著牽伸比的增加，再生纖維素纖維的強度增加，但是其濕摩擦?xí)r間和抗原纖化性能減少和降低；隨著聚合度增大，同樣條件下再生得到的纖維素纖維的強度增加，濕摩擦?xí)r間延長；紡絲氣隙對于成型纖維的結(jié)構(gòu)性能有很大影響，適宜的氣隙大小與原液的粘度、紡絲溫度相關(guān)，即與紡絲原液細(xì)流的松弛時間關(guān)系密切。再生纖維素纖維中的孔隙近似為長約200nm，半徑約25nm的圓柱形，孔隙沿纖維方向的取向在9～23°范圍，并隨著出絲速度、牽伸倍率、紡絲溫

10、度等工藝條件而變化。
　　5．采用[BMIM]Cl為溶劑通過干濕法紡絲制備了具有改善了抗原纖化性能的PAN共混改性纖維素纖維，其紡絲過程與純纖維素纖維的干濕法紡絲過程的總體規(guī)律相一致；由于PAN的引入，再生纖維素纖維的濕摩擦性能顯著提升，且對于低聚合度纖維素纖維濕摩擦性能的改善更為明顯，而對于高聚合度、低倍牽伸纖維素纖維的改善不明顯或不利。
　　6．采用[BMIM]Cl為溶劑通過干濕法紡絲制備了具有良好吸放濕性的纖維素共混改

11、性PAN纖維。
　　紡絲溫度的升高有利于增加氣隙中流變態(tài)拉伸，提高氣隙中的牽伸速率和牽伸倍率，從而可制備更細(xì)的纖維，同時有利于制備出強度和模量更高的纖維；洗滌牽伸浴中的預(yù)牽伸有利于纖維強度和模量的提升，在總牽伸倍率相同時，當(dāng)預(yù)牽伸倍率較高時，所得纖維的強度和模量較高。纖維素改性的PAN纖維，其截面呈致密圓形，側(cè)面形貌上有明顯溝槽；少量纖維素的引入對PAN纖維起到了增強增韌的作用，隨著纖維素含量增大，兩組分趨于相分離，纖維強度降低；