以CNTs為添加劑制備高性能Lyocell纖維的研究.pdf

1、Lyocell是一種新型的再生纖維素纖維，它不僅可作為優(yōu)良的服用纖維，且經(jīng)過適當改性，還有望開發(fā)成輪胎簾子線用纖維、碳纖維原絲、導電纖維等工業(yè)纖維。而碳納米管(CNTs)是準一維納米材料，由于其具有較大的長徑比、優(yōu)良的電學和力學性能、比表面積大等特點，因此，利用CNTs添加劑對聚合物體系進行改性已經(jīng)成為制備高性能聚合物纖維材料的一種有效途徑。
　　 迄今為止，只有本課題組的魯江等曾采用多壁碳納米管(MWNTs)對Lyocell纖

2、維進行改性，但尚未達到高性能工業(yè)絲所需標準，而目前國內(nèi)外尚無利用單壁碳納米管(SWNTs)改性Lyocell纖維的相關研究報道。由于SWNTs和MWNTs的結構與性質各不相同，其對聚合物的增強效果也不同。因此，本論文采用Lyocell工藝，分別以SWNTs和MWNTs為添加劑，探討了純化及功能化處理對CNTs的性質及其在NMMO水溶液中的分散穩(wěn)定性的影響，并采用合適的紡絲工藝與裝置，制備了CNTs改性的Lyocell纖維，比較了CNTs

3、類型對CNTs/Lyocell纖維結構與性能的影響，優(yōu)選出SWNTs對Lyocell纖維進行改性;在此基礎上，系統(tǒng)地研究了SWNTs/纖維素/NMMO·H2O紡絲原液的的流變性能行為和紡絲性能;并通過結合其他手段，如提高纖維素漿粕的聚合度、優(yōu)化紡絲裝置、對CNTs/Lyocell初生纖維進行熱處理及添加NH4Cl等，進一步提高Lyocell纖維的性能。
　　 本論文首先探討CNTs的純化、表面功能化處理及其在NMMO水溶液中的分

4、散穩(wěn)定性。TEM、FE-SEM、Raman和FTIR分析結果表明:通過硝酸純化處理，兩種CNTs的純度均提高，并在CNTs表面引入了羧基和羥基等親水性官能團，提高了CNTs的表面活性。通過沉降實驗和吸光度觀察結果進一步表明:酸洗純化處理和表面活性劑功能化處理對兩種CNTs在NMMO水溶液中的分散均有促進作用;其中SWNTs在NMMO水溶液中的分散穩(wěn)定性比MWNTs好;而在不同的表面活性劑中，經(jīng)SDBS(十二烷基苯磺酸鈉)功能化處理的SW

5、NTs在NMMO水溶液中分散穩(wěn)定性最好。
　　 本論文分別以SWNTs和MWNTs為添加劑，采用自制的無計量泵的氣壓式單孔紡絲裝置，紡制了不同CNTs含量的CNTs/Lyocell復合纖維，比較了CNTs類型對CNTs/Lyocell纖維結構與性能的影響。WAXD和SEM分析結果表明:CNTs的類型并未影響CNTs/Lyocell纖維的結晶結構與形態(tài)結構，兩種CNTs/Lyocell復合纖維均具有纖維素Ⅱ型結構，適量的CNTs可

6、以均勻分散在纖維素纖維基體中，但隨著CNTs含量的增加，兩種CNTs/Lyocell纖維表面均變得逐漸粗糙。通過TG和低電流高阻測量儀的分析結果進一步表明:兩種CNTs/Lyocell纖維的熱穩(wěn)定性和導電性能均比純Lyocell纖維提高，其中SWNTs/Lyocell復合纖維比MWNTs/Lyocell纖維具有更好的熱性能和導電性能。此外，強力儀結果表明:適量CNTs的加入能夠提高Lyocell纖維的力學性能，當CNTs得含量達到1％時

7、，CNTs/Lyocell復合纖維的力學性能最佳;含1wt％SWNTs(MWNTs)的復合纖維的斷裂強度和初始模量分別比純Lyocell纖維提高24.2％(18.8％)和55.8％(47.9％)，表明SWNTs比MWNTs的增強效果更明顯，從而優(yōu)選出SWNTs為添加劑以進行后續(xù)研究。
　　 此外，本論文還采用哈克流變儀和上述單孔紡絲裝置對SWNTs/纖維素/NMMO·H2O紡絲液的流變行為和紡絲性能進行了系統(tǒng)的研究。研究結果表明

8、:不同SWNTs含量的纖維素/NMMO·H2O紡絲液均呈現(xiàn)出切力變稀行為，且隨著溶液中SWNTs含量的增加，纖維素的表觀相對分子質量、紡絲原液的粘度及彈性均逐漸提高，當SWNTs含量增至3％時達到最大值;但隨著SWNTs含量的進一步提高，溶液體系的表觀相對分子質量、粘度和彈性則呈現(xiàn)明顯下降的趨勢;在SWNTs含量相同的情況下，隨著纖維素漿粕聚合度的提高，纖維素/NMMO·H2O紡絲原液的粘度和彈性均增大;隨著SWNTs含量的增加，纖維素

9、/NMMO·H2O紡絲原液越來越不均勻，當SWNTs含量≤1％時，SWNTs/纖維素/NMMO·H2O紡絲原液的可紡性較好;隨SWNTs含量的提高，紡絲液的可紡性下降。因此，在后續(xù)SWNTs/Lyocell纖維的研究中，所采用的SWNTs含量均不超過1％。
　　 為了進一步制備高性能的Lyocell纖維，本論文通過提高漿粕的聚合度、采用帶有計量泵的多孔紡絲裝置以及使用孔徑更細的多孔噴絲板，紡制了不同SWNTs含量的SWNTs/L

10、yocell復合纖維。通過采用WAXD、二維X光衍射、強力儀和小角X光散射儀等對纖維的結構與性能進行了分析，結果發(fā)現(xiàn):當SWNTs含量≤1％時，在相同的噴頭拉伸比下，隨著SWNTs含量的增加，SWNTs/Lyocell復合纖維的結晶度和晶區(qū)取向因子均增大，平均孔徑減小，其力學性能也隨之提高;而在SWNT含量相同的情況下，隨著噴頭拉伸比的增大，SWNTs/Lyocell復合纖維的結晶度和晶區(qū)取向因子均增大，纖維的平均孔徑減小，使其力學性能