木浆离子液体氯化1-丁基-3-甲基咪唑溶液体系流变性能研究

木浆离子液体氯化1-丁基-3-甲基咪唑溶液体系流变性能研究

2002年，罗加斯等人。本试验对两种纤维素/ILs溶液体系,木浆/ILs溶液体系和水洗汽爆麦草/ILs溶液体系在不同浓度、不同温度下的流变性能进行了研究。1实验1.1纤维素dp的合成木浆粕:DP=800,由北京赛特瑞斯公司赠送。水洗汽爆麦草:汽爆麦草用70℃水洗涤至洗液呈无色,在105℃下烘干至恒重,其中纤维素含量为53.00%,木质素含量15.08%,半纤维素含量11.02%,纤维素DP=340。[BMIM]Cl:实验室内合成,使用前在真空干燥箱中75℃真空干燥8h。二甲基亚砜(DMSO)、1,4-二氧六环、N,N-二甲基乙酰胺(DMAC):分析纯(北京化学试剂公司)。1.2试验设备真空干燥箱;旋转粘度计(上海精科仪器厂,NDJ-1)。1.3机械搅拌-溶剂称取一定重量的木浆或水洗汽爆麦草,加入一定重量的离子液体中,在100℃下溶解,溶解过程中辅以机械搅拌。在一定温度下脱泡,木浆溶液为琥珀色的溶液,水洗汽爆麦草溶液中含有少量杂质,呈现棕黑色,可能是木质素。2结果与讨论2.1等摩尔氯丁烷和n,n-二甲基咪唑反应48h的合成离子液体[BMIM]Cl是在348K(75℃)下,由等摩尔的氯丁烷和N,N-二甲基咪唑反应48h合成的。合成产物通过萃取和旋转蒸发,348K(75℃)真空干燥,得到目的产物2.2纤维素原料/ils溶液5.1%木浆/[BMIM]Cl溶液和1%水洗汽爆麦草[BMIM]Cl溶液的粘度都基本不受转速的影响;粘度随温度升高而降低(图2和图3)。但是当水洗汽爆麦草的浓度提高至3%时,发现在348K(75℃)至358K(85℃)溶液的粘度随转子转速的增加而降低,而当温度高于363K(90℃)时,溶液的粘度不再随转子转速的变化而变化(图4)。因此对浓度较高的纤维素原料/ILs溶液体系,其加工温度应高于90℃。当木浆的浓度增加至3%时,其[BMIM]Cl溶液粘度大于100,000mPa·s,超出了本试验所用粘度计的量程,因此没有再继续进行测定。据报道即随着温度的升高,熔体的自由体积增大,链段的活动能力增强,分子间的相互作用减弱,使高聚物的流动性能增大,熔体粘度随温度升高以指数方式降低,因而在高聚物加工过程中,温度是进行粘度调节的首要手段2.3木浆浓度对溶液体系粘度的影响在高聚物溶液加工成型过程中,除温度以外,高聚物溶液中高聚物的含量对加工条件的选择和产品的性能也有很大的影响。木浆、水洗汽爆麦草/[BMIM]Cl溶液中木浆和水洗汽爆麦草的含量对溶液粘度的影响如图5。从图5中可以看出:水洗汽爆麦草浓度只升高了2%,但同一温度下溶液的粘度却都增加了10倍多。木浆浓度的提高对粘度的影响更为明显,当木浆浓度为3%时,溶液体系的粘度大于100,000mPa·s(图中没有列出),提高了300倍以上。由此可见,纤维素含量对溶液粘度的影响很大。两种原料在低浓度时粘度相差相对较小,而当浓度提高时粘度相差较大,木浆溶液体系的粘度要远大于水洗汽爆麦草溶液体系的粘度。主要有两方面的原因:(1)水洗汽爆麦草中的纤维素含量低于木浆中纤维素含量,约为木浆纤维素含量的50%。(2)木浆的聚合度为800,远大于水洗汽爆麦草中纤维素的聚合度340。而聚合度对溶液粘度具有很大影响因此,在生产过程中,若纤维素的质量分数和聚合度较低,则溶液的流动性能较好,产品易于加工成型,但生产效率低,产品质量差;若纤维素的质量分数、聚合度较高,则流动性能较差,加工困难,产品质量也会受到影响。因此,溶液中纤维素含量的选择是制备高性能产品的一个重要因素。适宜的纤维素含量要随原料种类、聚合度大小及溶解温度而定。2.4溶液粘度的影响在前期试验中,曾对纤维素/[BMIM]Cl溶液制备纤维素膜的工艺做了一定研究,发现随着纤维素浓度、聚合度的增加,溶液的成膜的力学性能提高,但是溶液的粘度会增大,流动性能降低,给操作带来困难。因此,试验中选用二甲基亚砜(DMSO)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)和1,4-二氧六环三种添加剂试图改善溶液体系的流变性能。DMAC/LiCl体系是纤维素的良好溶剂由图6可以看出,加入添加剂后,溶液体系的粘度都有所降低,其中以DMSO降低粘度的效果最明显,其次是DMAC,而1,4-二氧六环的效果最差。肖长发3纤维素原料/[bmim]cl溶液体系(1)纤维素原料/[BMIM]Cl溶液体系的粘度随温度的升高而降低,其1%浓度溶液流动活化能低,适宜加工的温度范围为90～120℃。(2)纤维素原料/[BMIM]Cl溶液体系中纤维素含量对溶液粘度影响很大,纤维素