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离子液体法MWCNTs/纤维素纤维的制备及其结构与性能的初探

陈桃  
【摘要】:离子液体作为纤维素的一种绿色新溶剂,在纤维素纤维生产中应用前景广阔。然而迄今为止,对纤维素/离子液体体系的研究仍是初步的,所纺制的纤维素纤维虽已符合服用纤维的要求,但还不能满足工业等用途的要求。目前,许多研究已表明,利用碳纳米管添加剂对聚合物体系进行改性已经成为制备高性能或功能化聚合物材料的一种有效途径。因此,如何利用这一类添加剂对离子液体法纤维素纤维进行改性,以拓展其在工业等领域的应用正逐渐引起各国研究者的关注。 迄今为止,有关碳纳米管在1-丁基-3-甲基咪唑氯盐([BMIM]Cl)离子液体中的分散性及其对所纺得的离子液体法纤维素纤维结构与性能的影响尚未见有报道。为此,本论文研究将[BMIM]Cl离子液体作为溶剂,探讨多壁碳纳米管(MWCNTs)在其中的分散性以及对纤维素纺丝原液性能的影响,在此基础上,通过干喷湿法纺丝制备出碳纳米管改性的新型纤维素纤维,并对所纺制的纤维的结构与性能进行分析。 本论文首先探讨了MWCNTs的纯化、研磨处理和表面功能化修饰及其在[BMIM]Cl离子液体中的分散稳定性。TEM、FTIR和Raman分析结果表明:通过硝酸纯化处理,提高了MWCNTs的纯度,并在MWCNTs表面引入了羧基和羟基等官能团,提高了MWCNTs的表面活性。沉降试验、吸光度测定及显微镜观察结果进一步表明:对MWCNTs进行硝酸纯化、研磨和表面活性剂功能化处理均可不同程度地改善其在[BMIM]Cl离子液体中的分散效果。在各种处理方法中,采用先硝酸纯化、后SDBS(十二烷基苯磺酸钠)功能化并进一步进行研磨的综合处理方法所得到的MWCNTs在[BMIM]Cl体系中的分散稳定性最佳,由此可进一步获得均匀的MWCNTs/纤维素/[BMIM]Cl纺丝原液。 本论文采用哈克流变仪、自制的无计量泵的气压式单孔纺丝装置及带有计量泵的多孔纺丝装置等研究了MWCNTs添加量对纤维素/[BMIM]Cl纺丝原液流变行为及纺丝性能的影响。研究结果表明:添加了MWCNTs的纤维素/[BMIM]Cl溶液为切力变稀流体,且随着溶液中MWCNTs添加量的增加,溶液体系表观粘度及弹性先逐渐增大,当MWCNTs含量达到1%时,两者均达到最大值,但随着MWCNTs含量的进一步增加,体系的粘度和弹性反而又出现下降的趋势。另外,研究还发现,在本论文实验范围内,若纺丝原液中MWCNTs含量较高,其可纺性相对欠佳。当MWCNTs含量低至1%及以下时,纺丝性能较好。 在上述研究基础上,本论文进一步采用强力仪、SEM、WAXD、二维X光衍射等对制得的各种MWCNTs/纤维素纤维的结构和性能进行了分析,结果发现:MWCNTs/纤维素纤维仍然具有纤维素Ⅱ晶型的特征;适量的MWCNTs可以均匀分散在纤维素纤维基体中并可使其力学性能有所提高。其中,1%MWCNTs含量纤维的断裂强度和初始模量分别比未添加MWCNTs的纤维提高22.7%和66.7%;另外,在保持纺丝稳定的前提下,通过适当提高喷头拉伸比也可改善MWCNTs/纤维素纤维的力学性能;纤维中,MWCNTs是基本沿纤维轴取向的,且沿纤维轴取向的程度随喷头拉伸比的增大而逐渐增大。通过TGA和低电流高阻测量仪分析结果进一步表明:MWCNTs的添加有利于改善离子液体法纤维素纤维的热稳定性;此外,在保证可纺性的条件下,尽可能提高纤维中MWCNTs的含量并设法减小纤维成型时所受的拉伸作用对提高该纤维的导电性能也是有利的。


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