高强度纤维素纤维的制备及其抗紫外性能研究

发布时间：2020-05-21 21:48

【摘要】：纤维素是世界上产量最大的可再生资源,在石油资源日益枯竭的情况下,开发以纤维素为原料的各种高性能材料具有良好的发展前景。以纤维素为原料制备高性能、高强度的纤维,能够代替部分合成聚合物纤维,极大程度的缓解能源的压力。N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)/氯化锂(LiCl)/纤维素溶解体系较高的稳定性、良好的可纺性和DMAc的可回收性,使其成为溶解纤维素的良好选择。但是,由于采用DMAc/LiCl溶解体系制备的纤维素材料微观呈现无定型状态,导致其力学性能较差。针对这个缺点,本文分别采用化学交联法和诱导结晶法制备高强度纤维素纤维。具体内容如下:化学交联法是将交联剂对二氯苄溶解在纤维素溶液中形成均相溶液后刮制成膜,再将其浸入NaOH溶液中完成交联。采用正交设计,研究了反应条件如交联剂用量(摩尔比)、反应时间、NaOH溶液浓度对纤维素交联膜的拉伸强度的影响,获得了最佳反应条件:交联剂用量为1:0.125(-OH:-Cl)、NaOH 浓度为0.1mol/L、反应时间3h。通过FTIR、XPS、XRD及SEM等表征了反应的交联情况及交联条件对纤维素膜结构的影响:并表征了纤维素膜的拉伸强度、抗紫外性和热稳定性。参考上述最优条件制备了交联再生纤维素纤维,表征了纤维的表面结构、力学性能和抗紫外性能。结果表明,交联纤维素纤维表面变得粗糙,且断裂强度达到了2.13 cN/dtex,较未交联纤维力学性能提高了2.3倍;断裂伸长率达31.92%,提高了1.3倍;交联后纤维具备了一定的抗紫外性。通过诱导结晶法制备了纤维素复合纤维。首先将1,7-二溴庚烷和氰基联苯酚以乙腈为溶剂在80℃,反应8 h合成了成核剂中间体,再由中间体与N-甲基咪唑在80℃反应6 h合成了成核剂。将成核剂添加到纤维素溶液中,制备纤维素复合膜。通过POM和DSC考察了成核剂对纤维素复合膜结晶行为的影响,并采用FTIR、XRD、SEM表征了纤维素复合膜的结构。同时表征了纤维素复合膜的力学性能和抗紫外性能,结果表明,诱导结晶能提高纤维素材料的力学性能和抗紫外性能。将成核剂加入到纤维素纺丝液中,通过控制纺丝过程中空气浴与凝固浴的温度诱导纤维素结晶,从而制备纤维素复合纤维。从结果中发现,改性过的纤维断裂强度达到0.89 cN/dtex,提高了37.3%,断裂伸长率提高了109%并具有一定的抗紫外性能。
【图文】：

结晶形态,不同晶型,纤维素,相互转化

逡逑象［８］。图１－１为Ｐ－Ｄ－葡萄糖的椅式构象，有平（沿赤道方向）和直（沿轴向）两种取向逡逑方式连接取代基的键。图１－２为纤维素的椅式构象。逡逑６邋６逡逑ＣＨ２0Ｈ逦ｐＨ２0Ｈ逦0Ｈ逡逑ＯＨ逦0Ｈ逡逑图１－１邋Ｐ－Ｄ－Ｂ比喃葡萄糖环椅式构象逡逑Ｆｉｇ．邋１邋Ｒｉｎｇ－ｃｈａｉｒ邋ｃｏｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｂｅｔａ－Ｄ－ｐｙｒａｎ邋ｇｌｕｃｏｓｅ逡逑＿２Ｃ逦0Ｈ逡逑ｈ0ｈ２ｃ逡逑图１－２纤维素椅式构象逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１－２邋Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ邋ｃｈａｉｒ邋ｃｏｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ逡逑聚合物链分子相互堆砌、排列，聚集成为高聚物时的状态称为聚集态结构。逡逑纤维素分子中的重复单元以不同方式形成多种的晶型。不同晶型之间的堆砌方逡逑式、物理性质、化学性质和链构象存在着差异。纤维素的晶型主要有Ｉ、ＩＩ、ｉｎ、逡逑ＩＶ以及无定型等。纤维素材料的晶型组成对其力学性能有极大的影响［９］。如图逡逑１－３所示，纤维素的不同晶型之间可以互相转变［１（）］。纤维素ＩＩ型结构是纤维素逡逑Ｉ经过处理之后，，氢键作用得到增强使得晶胞更加紧密、结晶形态更加稳定［１１］。逡逑酸逡逑逦［ｔｊ邋．ｔ＇ｊ．邋２６０Ｃ逦逡逑ｉｕ逦＞逡逑Ｏ邋ｌｒａｏｌＬＮａＯＨ．

示意图,实验过程,示意图,细流

液在０．３ＭＰａ的氮气压力下下通过计量泵，然后从喷丝头挤出的溶液细流经由空逡逑气浴进入水凝固浴，溶液细流中的溶剂向凝固浴扩散，浴中的凝固剂向细流内部逡逑扩散，于是纤维素在凝固浴中析出而形成纤维，具体过程如图２－２所示。其中喷逡逑丝头的挤出速度为１．７邋ｍ／ｍｉｎ，气隙高度为１０邋ｃｍ。纺丝装置如图所示。纺丝结束逡逑后，将所得的纤维浸溃于０．１邋ｍｏｌ／ＬＮａＯＨ溶液中３邋ｈ后，用蒸馏水清洗干净并冷逡逑冻干燥。逡逑＿逦？逦ｆｔｏｔｕｒｃ邋ＭＨｉｎａｔｎｒ逡逑＂□逦逡逑—［５５５°°逡逑逦逡逑Ｑ逦＼＞逡逑＾逦￣￣—？煖逡逑■邋ＷｆｃａｌＭｋ逡逑ｊｇｊ逦逦＂．ｉ．逦逦邋ｉ邋■■逦Ｉ—逡逑图２－２干湿法纺丝过程示意图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２－２邋Ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋Ｄｒｙ－Ｗｅｔ邋Ｓｐｉｎｎｉｎｇ邋Ｐｒｏｃｅｓｓ逡逑１５逡逑
【学位授予单位】：天津工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ341

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