离子液体-二甲基亚复合溶剂湿法制备纤维素纤维的研究

离子液体-二甲基亚复合溶剂湿法制备纤维素纤维的研究

近年来，随着石油基纤维原料资源的日益紧张和污染额的日益严重，人们逐渐关注生物基础的纤维纤维。离子液体作为一种绿色溶剂得到蓬勃发展,其能直接溶解纤维素的特点被运用于纤维素纺丝技术1试验部分1.1化学试剂有限公司棉纤维,由江苏龙马绿色纤维有限公司提供,聚合度为550。DMSO,分析纯,国药集团化学试剂有限公司产。离子液体(IL),自制。1.2制备纤维素纺丝以复合溶剂[m(IL)∶m(DMSO)=3∶7]为纤维素溶剂,纤维素固含量为17%,在80℃下加热搅拌溶解1h,用偏光显微镜观察确定溶解完全后,对溶液进行过滤、脱泡。将纤维素纺丝液缓慢倒入自制纺丝机(如图1所示)料釜中,在0.3MPa压力下将纺丝液挤出纺丝。纺丝主要工艺参数设定为:纺丝温度80℃;喷丝板孔数50孔,孔径80μm;泵供量0.71mL/min;凝固浴槽规格240cm×8.3cm;水洗槽规格145cm×17.5cm;凝固牵伸比0.85、0.90、0.95、1.00、1.05、1.10、1.15;水洗牵伸比1.10、1.15、1.20、1.25、1.30、1.35;水洗温度55、60、65、70℃。1.3测试测试1.3.1晶体结构及尺寸测量采用X射线衍射仪(Rigaku,D/max-2550PC型)测试纤维的结晶结构。测试前将纺得的纤维试样剪成粉末。测试条件:反射法,Cu靶,电压为40kV,电流为200mA,扫描范围为5°~40°。采用PeakFit软件对数据进行分峰,并通过式(1)计算得到结晶度:式中:α为结晶度;S根据谢乐公式来计算晶粒尺寸:式中:κ是一个参数,取0.9;λ是辐射的波长,取0.15nm;β是衍射峰的半高宽;θ是半衍射角。纤维晶区的取向因子(f式中:ψ1.3.2断裂强度和断裂伸长率采用单丝纤维强力仪(上海新纤XQ-1型)对纤维的断裂强度和断裂伸长率进行测试。采用单丝纤维纤度仪(上海新纤XQ-3型)对纤维纤度进行测试。每种纤维样品重复测定20次,结果取平均值。1.3.3纤维表面和截面的观察采用扫描电子显微镜(HITACHIS-3000N型)观察纤维的表面和截面。将样品丝束在液氮中进行淬断,喷金处理后对其表面和截面进行观察。2结果与讨论2.1凝固牵伸比对纤维力学和结晶性能的影响表1是不同凝固牵伸比得到的初生纤维结晶度、晶区取向因子及晶粒尺寸。与负牵伸相比,正牵伸加载的张力显著增大,有利于纤维取向,所以采用正牵伸得到的初生纤维结晶度、取向度都大于负牵伸,且晶粒尺寸较小;但是当凝固牵伸比增大到1.1时,由于纤维素初生丝条在凝固浴中停留时间较短,导致结晶取向不完善,所以结晶度与取向度降低。综合比较看来,当凝固牵伸比为1.05时,初生纤维的力学性能与结晶性能较好。2.2水洗牵伸比对纤维力学和结晶性能的影响选择凝固牵伸比为1.05,通过调节第二纺丝辊的速度纺制不同水洗牵伸比的纤维。图3是不同水洗牵伸比得到的纤维的断裂强度和断裂伸长率。表2是不同水洗牵伸比得到的纤维的结晶度、晶区取向因子及晶粒尺寸。由图3及表2可见:随着水洗牵伸比的增大,有利于纤维素大分子的取向定形,形成致密的结构,纤维素纤维的断裂强度、结晶度、取向度逐渐增大,晶粒尺寸减小;但是当水洗牵伸比增大到1.35时,由于牵伸比过大,导致纺丝过程中纤维容易断裂,纤维断裂强度、结晶度、取向度降低。因此综合考虑,水洗牵伸比为1.3时纤维性能较好。2.3纤维拉伸缺陷图4分别为水洗牵伸比1.1和1.3的纤维表面及断面的扫描电子显微镜(SEM)照片。由图4(a)和(c)可以看出:在水洗牵伸比为1.1时,由于外加作用力较小,纤维断面出现空洞,表面缺陷较多,这些缺陷在拉伸过程中极易发生应力集中,导致纤维断裂强度降低。由图4(b)和(d)可以看出:在水洗牵伸比为1.3时,纤维断面接近圆形或椭圆形,不同于黏胶纤维的锯齿形截面,并且没有皮芯结构,由于外加作用力增大,使得纤维表面的微纤排列变得紧密,纤维表面光滑、没有裂纹。2.4水洗温度和时间对纤维断裂强度和结晶、取向的影响表3是不同水洗温度得到的纤维断裂伸长率、断裂强度、结晶度、取向度及晶区取向因子。从表3可知:随着水洗温度的提高,纤维断裂伸长率逐渐降低,但断裂强度、结晶度、晶区取向因子均呈现先增加后减小的趋势。这是因为随着水洗温度的升高,分子运动加快,纤维溶胀加快,有利于纤维内的溶剂向水浴中扩散和水向纤维内渗透,进而有利于降低纤维内溶剂的含量,从而提高纤维断裂强度。另外,水洗温度的升高也有利于加快纤维素的结晶、取向;但是如果水洗温度太高,纤维表面的溶剂分子扩散速度过快,会导致纤维直径不均匀,结晶度与强度降低。因此综合考虑,当水洗温度为60℃时,纤维性能较好。3凝固牵伸比对纤维力学和结晶性能的影响本试验以少量离子液体与大量DMSO为复合溶剂制备固含量为17%的纤维素纺丝液,系统研究了高浓度纤维素纺丝液的湿法纺丝工艺。(1)凝固牵伸比为正牵伸时,有利于提高初生纤维的断裂强度、取向度与结晶度,当凝固牵伸比为1.05时,可得到性能较好的初生纤维。(2)随着水洗牵伸比和水洗温度的升高,纤维的结晶度、取向度、断裂强度先增大后减小,但断裂伸长率一直减小。当水洗牵伸比为1.3、水洗温度为60℃时,可得到断裂强度为2.11cN/dtex、断裂伸长率为10.29%、结晶度为43.25%、晶区取向因子为0.851的性能较好的再生纤维素纤维。图2是不同凝固牵伸比得到的初生纤维断裂强度和断裂伸长率。从图2可知:随着凝固牵伸比从负牵伸增大到正牵伸,纤维素纤维的断裂强度先增大后