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Lyocell纤维纺丝原液稳定性关键影响因素研究

陈保磊  
【摘要】:以“制造棉花”取代“种植棉花”的政策在我国由来已久,所以,至今我国仍然是粘胶纤维产量最大的国家。时至今日,面对日益严峻的环境和能源问题,粘胶纤维高污,染高能耗的现实决定了该产业终将被淘汰的命运。早在上个世纪后期,国外便出现了溶剂法纤维素纤维(Lyocell纤维)生产工艺,然而历年来一直对中国进行技术封锁。近年来,国外相关专利保护期限将近,国外企业开始向中国进行技术输出。相当一段时间以来,国内关于Lyocell纤维的研究仍然集中于纤维的结构以及相关工艺方面,对纺丝过程中副反应的研究相对薄弱。然而,在国内Lyocell纤维工厂建设过程尤其是设备的加工定制过程中,对纺丝原液化学稳定性问题频频涉及,所以迫切需要对其进行相关的研究。本论文研究中,在实验室条件下通过间接溶解工艺制备了不含稳定剂、含单一稳定剂和含复合稳定剂的三种Lyocell纤维纺丝原液,并分别就产业化生产中可能出现的金属离子、酸、高温等因素对纺丝原液稳定性的影响展开了研究。采用纺丝原液的表观黏度变化和N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)提取液的紫外-可见吸收光谱分别表征纤维素降解程度以及NMMO分解程度。此外,研究了各影响因素的作用效果以及作用机理,并将研究结果转化为与生产相关的结论。通过研究发现,不含稳定剂的Lyocell纤维纺丝原液(本文称为纤维素/NMMO/水三元体系)自身稳定性较差,并不能满足生产需要。本文将各常用稳定剂单独使用,并进行相关研究。实验发现,羟胺(HA)与1,2-环己二胺四乙酸(CDTA)虽可在一定程度上抑制NMMO的分解,但其对纤维素的降解有促进作用;没食子酸丙酯在单独作用时虽然不会引起纤维素的降解,但没食子酸丙酯的分解产物会引起NMMO溶液较深的颜色变化,以至于影响最终产品的外观。即目前单一的稳定剂体系并不能制备出高品质的Lyocell纤维纺丝原液,为实现Lyocell纤维纺丝原液的稳定化目标,需要采用多种稳定剂配合使用这一方案。本文采用了一种目前被广泛使用的,复合稳定剂方案,制备出了含复合稳定剂的碱性Lyocell纤维纺丝原液,并进行相关实验。实验结果表明:在无外界干扰情况下,纺丝原液可在98℃温度条件下保持性质稳定;该纺丝原液容许存在的最大铁含量在0.050mg/g左右,最大铜含量不超过0.098mg/g;在储存和输送过程中允许的最高温度为110℃左右;纤维素溶解之前活化阶段残留酸对纺丝原液稳定性的影响可忽略不计。除了考察各因素的影响效果外,同时探究了内部机理,通过实验发现了Lyocell纤维纺丝原液中NMMO分解过程可分为五个阶段,分析了纺丝原液内部因副反应而生成的多种化学结构,并提出以280m左右的紫外光吸光度来表征NMMO降解情况这一新的测试方法;通过对Lyocell纤维纺丝原液中表观黏度的研究发现了纺丝原液表观黏度降低的原理;另外还发现氧化铁(Fe2O3)与硫酸铜(CuSO4)对Lyocell纤维纺丝原液中的副反应所具有的不同催化效果,并分析了造成不同催化效果的原因。


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