離子液體-二甲基亞復(fù)合溶劑濕法制備纖維素纖維的研究

離子液體-二甲基亞復(fù)合溶劑濕法制備纖維素纖維的研究

近年來，隨著石油基纖維原料資源的日益緊張和污染額的日益嚴重，人們逐漸關(guān)注生物基礎(chǔ)的纖維纖維。離子液體作為一種綠色溶劑得到蓬勃發(fā)展,其能直接溶解纖維素的特點被運用于纖維素紡絲技術(shù)1試驗部分1.1化學(xué)試劑有限公司棉纖維,由江蘇龍馬綠色纖維有限公司提供,聚合度為550。DMSO,分析純,國藥集團化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)。離子液體(IL),自制。1.2制備纖維素紡絲以復(fù)合溶劑[m(IL)∶m(DMSO)=3∶7]為纖維素溶劑,纖維素固含量為17%,在80℃下加熱攪拌溶解1h,用偏光顯微鏡觀察確定溶解完全后,對溶液進行過濾、脫泡。將纖維素紡絲液緩慢倒入自制紡絲機(如圖1所示)料釜中,在0.3MPa壓力下將紡絲液擠出紡絲。紡絲主要工藝參數(shù)設(shè)定為:紡絲溫度80℃;噴絲板孔數(shù)50孔,孔徑80μm;泵供量0.71mL/min;凝固浴槽規(guī)格240cm×8.3cm;水洗槽規(guī)格145cm×17.5cm;凝固牽伸比0.85、0.90、0.95、1.00、1.05、1.10、1.15;水洗牽伸比1.10、1.15、1.20、1.25、1.30、1.35;水洗溫度55、60、65、70℃。1.3測試測試1.3.1晶體結(jié)構(gòu)及尺寸測量采用X射線衍射儀(Rigaku,D/max-2550PC型)測試纖維的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。測試前將紡得的纖維試樣剪成粉末。測試條件:反射法,Cu靶,電壓為40kV,電流為200mA,掃描范圍為5°~40°。采用PeakFit軟件對數(shù)據(jù)進行分峰,并通過式(1)計算得到結(jié)晶度:式中:α為結(jié)晶度;S根據(jù)謝樂公式來計算晶粒尺寸:式中:κ是一個參數(shù),取0.9;λ是輻射的波長,取0.15nm;β是衍射峰的半高寬;θ是半衍射角。纖維晶區(qū)的取向因子(f式中:ψ1.3.2斷裂強度和斷裂伸長率采用單絲纖維強力儀(上海新纖XQ-1型)對纖維的斷裂強度和斷裂伸長率進行測試。采用單絲纖維纖度儀(上海新纖XQ-3型)對纖維纖度進行測試。每種纖維樣品重復(fù)測定20次,結(jié)果取平均值。1.3.3纖維表面和截面的觀察采用掃描電子顯微鏡(HITACHIS-3000N型)觀察纖維的表面和截面。將樣品絲束在液氮中進行淬斷,噴金處理后對其表面和截面進行觀察。2結(jié)果與討論2.1凝固牽伸比對纖維力學(xué)和結(jié)晶性能的影響表1是不同凝固牽伸比得到的初生纖維結(jié)晶度、晶區(qū)取向因子及晶粒尺寸。與負牽伸相比,正牽伸加載的張力顯著增大,有利于纖維取向,所以采用正牽伸得到的初生纖維結(jié)晶度、取向度都大于負牽伸,且晶粒尺寸較小;但是當(dāng)凝固牽伸比增大到1.1時,由于纖維素初生絲條在凝固浴中停留時間較短,導(dǎo)致結(jié)晶取向不完善,所以結(jié)晶度與取向度降低。綜合比較看來,當(dāng)凝固牽伸比為1.05時,初生纖維的力學(xué)性能與結(jié)晶性能較好。2.2水洗牽伸比對纖維力學(xué)和結(jié)晶性能的影響選擇凝固牽伸比為1.05,通過調(diào)節(jié)第二紡絲輥的速度紡制不同水洗牽伸比的纖維。圖3是不同水洗牽伸比得到的纖維的斷裂強度和斷裂伸長率。表2是不同水洗牽伸比得到的纖維的結(jié)晶度、晶區(qū)取向因子及晶粒尺寸。由圖3及表2可見:隨著水洗牽伸比的增大,有利于纖維素大分子的取向定形,形成致密的結(jié)構(gòu),纖維素纖維的斷裂強度、結(jié)晶度、取向度逐漸增大,晶粒尺寸減小;但是當(dāng)水洗牽伸比增大到1.35時,由于牽伸比過大,導(dǎo)致紡絲過程中纖維容易斷裂,纖維斷裂強度、結(jié)晶度、取向度降低。因此綜合考慮,水洗牽伸比為1.3時纖維性能較好。2.3纖維拉伸缺陷圖4分別為水洗牽伸比1.1和1.3的纖維表面及斷面的掃描電子顯微鏡(SEM)照片。由圖4(a)和(c)可以看出:在水洗牽伸比為1.1時,由于外加作用力較小,纖維斷面出現(xiàn)空洞,表面缺陷較多,這些缺陷在拉伸過程中極易發(fā)生應(yīng)力集中,導(dǎo)致纖維斷裂強度降低。由圖4(b)和(d)可以看出:在水洗牽伸比為1.3時,纖維斷面接近圓形或橢圓形,不同于黏膠纖維的鋸齒形截面,并且沒有皮芯結(jié)構(gòu),由于外加作用力增大,使得纖維表面的微纖排列變得緊密,纖維表面光滑、沒有裂紋。2.4水洗溫度和時間對纖維斷裂強度和結(jié)晶、取向的影響表3是不同水洗溫度得到的纖維斷裂伸長率、斷裂強度、結(jié)晶度、取向度及晶區(qū)取向因子。從表3可知:隨著水洗溫度的提高,纖維斷裂伸長率逐漸降低,但斷裂強度、結(jié)晶度、晶區(qū)取向因子均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。這是因為隨著水洗溫度的升高,分子運動加快,纖維溶脹加快,有利于纖維內(nèi)的溶劑向水浴中擴散和水向纖維內(nèi)滲透,進而有利于降低纖維內(nèi)溶劑的含量,從而提高纖維斷裂強度。另外,水洗溫度的升高也有利于加快纖維素的結(jié)晶、取向;但是如果水洗溫度太高,纖維表面的溶劑分子擴散速度過快,會導(dǎo)致纖維直徑不均勻,結(jié)晶度與強度降低。因此綜合考慮,當(dāng)水洗溫度為60℃時,纖維性能較好。3凝固牽伸比對纖維力學(xué)和結(jié)晶性能的影響本試驗以少量離子液體與大量DMSO為復(fù)合溶劑制備固含量為17%的纖維素紡絲液,系統(tǒng)研究了高濃度纖維素紡絲液的濕法紡絲工藝。(1)凝固牽伸比為正牽伸時,有利于提高初生纖維的斷裂強度、取向度與結(jié)晶度,當(dāng)凝固牽伸比為1.05時,可得到性能較好的初生纖維。(2)隨著水洗牽伸比和水洗溫度的升高,纖維的結(jié)晶度、取向度、斷裂強度先增大后減小,但斷裂伸長率一直減小。當(dāng)水洗牽伸比為1.3、水洗溫度為60℃時,可得到斷裂強度為2.11cN/dtex、斷裂伸長率為10.29%、結(jié)晶度為43.25%、晶區(qū)取向因子為0.851的性能較好的再生纖維素纖維。圖2是不同凝固牽伸比得到的初生纖維斷裂強度和斷裂伸長率。從圖2可知:隨著凝固牽伸比從負牽伸增大到正牽伸,纖維素纖維的斷裂強度先增大后