木漿離子液體氯化1-丁基-3-甲基咪唑溶液體系流變性能研究

木漿離子液體氯化1-丁基-3-甲基咪唑溶液體系流變性能研究

2002年，羅加斯等人。本試驗(yàn)對(duì)兩種纖維素/ILs溶液體系,木漿/ILs溶液體系和水洗汽爆麥草/ILs溶液體系在不同濃度、不同溫度下的流變性能進(jìn)行了研究。1實(shí)驗(yàn)1.1纖維素dp的合成木漿粕:DP=800,由北京賽特瑞斯公司贈(zèng)送。水洗汽爆麥草:汽爆麥草用70℃水洗滌至洗液呈無色,在105℃下烘干至恒重,其中纖維素含量為53.00%,木質(zhì)素含量15.08%,半纖維素含量11.02%,纖維素DP=340。[BMIM]Cl:實(shí)驗(yàn)室內(nèi)合成,使用前在真空干燥箱中75℃真空干燥8h。二甲基亞砜(DMSO)、1,4-二氧六環(huán)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAC):分析純(北京化學(xué)試劑公司)。1.2試驗(yàn)設(shè)備真空干燥箱;旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)(上海精科儀器廠,NDJ-1)。1.3機(jī)械攪拌-溶劑稱取一定重量的木漿或水洗汽爆麥草,加入一定重量的離子液體中,在100℃下溶解,溶解過程中輔以機(jī)械攪拌。在一定溫度下脫泡,木漿溶液為琥珀色的溶液,水洗汽爆麥草溶液中含有少量雜質(zhì),呈現(xiàn)棕黑色,可能是木質(zhì)素。2結(jié)果與討論2.1等摩爾氯丁烷和n,n-二甲基咪唑反應(yīng)48h的合成離子液體[BMIM]Cl是在348K(75℃)下,由等摩爾的氯丁烷和N,N-二甲基咪唑反應(yīng)48h合成的。合成產(chǎn)物通過萃取和旋轉(zhuǎn)蒸發(fā),348K(75℃)真空干燥,得到目的產(chǎn)物2.2纖維素原料/ils溶液5.1%木漿/[BMIM]Cl溶液和1%水洗汽爆麥草[BMIM]Cl溶液的粘度都基本不受轉(zhuǎn)速的影響;粘度隨溫度升高而降低(圖2和圖3)。但是當(dāng)水洗汽爆麥草的濃度提高至3%時(shí),發(fā)現(xiàn)在348K(75℃)至358K(85℃)溶液的粘度隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增加而降低,而當(dāng)溫度高于363K(90℃)時(shí),溶液的粘度不再隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化而變化(圖4)。因此對(duì)濃度較高的纖維素原料/ILs溶液體系,其加工溫度應(yīng)高于90℃。當(dāng)木漿的濃度增加至3%時(shí),其[BMIM]Cl溶液粘度大于100,000mPa·s,超出了本試驗(yàn)所用粘度計(jì)的量程,因此沒有再繼續(xù)進(jìn)行測(cè)定。據(jù)報(bào)道即隨著溫度的升高,熔體的自由體積增大,鏈段的活動(dòng)能力增強(qiáng),分子間的相互作用減弱,使高聚物的流動(dòng)性能增大,熔體粘度隨溫度升高以指數(shù)方式降低,因而在高聚物加工過程中,溫度是進(jìn)行粘度調(diào)節(jié)的首要手段2.3木漿濃度對(duì)溶液體系粘度的影響在高聚物溶液加工成型過程中,除溫度以外,高聚物溶液中高聚物的含量對(duì)加工條件的選擇和產(chǎn)品的性能也有很大的影響。木漿、水洗汽爆麥草/[BMIM]Cl溶液中木漿和水洗汽爆麥草的含量對(duì)溶液粘度的影響如圖5。從圖5中可以看出:水洗汽爆麥草濃度只升高了2%,但同一溫度下溶液的粘度卻都增加了10倍多。木漿濃度的提高對(duì)粘度的影響更為明顯,當(dāng)木漿濃度為3%時(shí),溶液體系的粘度大于100,000mPa·s(圖中沒有列出),提高了300倍以上。由此可見,纖維素含量對(duì)溶液粘度的影響很大。兩種原料在低濃度時(shí)粘度相差相對(duì)較小,而當(dāng)濃度提高時(shí)粘度相差較大,木漿溶液體系的粘度要遠(yuǎn)大于水洗汽爆麥草溶液體系的粘度。主要有兩方面的原因:(1)水洗汽爆麥草中的纖維素含量低于木漿中纖維素含量,約為木漿纖維素含量的50%。(2)木漿的聚合度為800,遠(yuǎn)大于水洗汽爆麥草中纖維素的聚合度340。而聚合度對(duì)溶液粘度具有很大影響因此,在生產(chǎn)過程中,若纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和聚合度較低,則溶液的流動(dòng)性能較好,產(chǎn)品易于加工成型,但生產(chǎn)效率低,產(chǎn)品質(zhì)量差;若纖維素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、聚合度較高,則流動(dòng)性能較差,加工困難,產(chǎn)品質(zhì)量也會(huì)受到影響。因此,溶液中纖維素含量的選擇是制備高性能產(chǎn)品的一個(gè)重要因素。適宜的纖維素含量要隨原料種類、聚合度大小及溶解溫度而定。2.4溶液粘度的影響在前期試驗(yàn)中,曾對(duì)纖維素/[BMIM]Cl溶液制備纖維素膜的工藝做了一定研究,發(fā)現(xiàn)隨著纖維素濃度、聚合度的增加,溶液的成膜的力學(xué)性能提高,但是溶液的粘度會(huì)增大,流動(dòng)性能降低,給操作帶來困難。因此,試驗(yàn)中選用二甲基亞砜(DMSO)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)和1,4-二氧六環(huán)三種添加劑試圖改善溶液體系的流變性能。DMAC/LiCl體系是纖維素的良好溶劑由圖6可以看出,加入添加劑后,溶液體系的粘度都有所降低,其中以DMSO降低粘度的效果最明顯,其次是DMAC,而1,4-二氧六環(huán)的效果最差。肖長(zhǎng)發(fā)3纖維素原料/[bmim]cl溶液體系(1)纖維素原料/[BMIM]Cl溶液體系的粘度隨溫度的升高而降低,其1%濃度溶液流動(dòng)活化能低,適宜加工的溫度范圍為90～120℃。(2)纖維素原料/[BMIM]Cl溶液體系中纖維素含量對(duì)溶液粘度影響很大,纖維素