纤维素在离子液体中的溶解与纺丝成形

论文摘要

离子液体是一种完全由离子（一般是有机阳离子,有机或者无机阴离子）构成的化合物。一般来说,熔点在100℃以下的熔融盐都可以称为离子液体。由于具有不挥发、热稳定性好、易于回收等优点,离子液体作为一种绿色溶剂被科学家们广泛关注,在化学合成、材料加工、电化学和化学分离等方面都有广泛的应用前景。本论文主要研究内容包括离子液体的合成与表征、离子液体/水溶液的物理性质、纤维素在离子液体中的溶解性和溶解过程、纤维素/离子液体浓溶液的流变特性以及纤维素/离子液体/水体系的溶液纺丝成型。首先,在实验室中合成了咪唑基离子液体1-丁基-3-甲基-咪唑氯化盐（[BMIM]Cl）、1-乙基-3-甲基-咪唑溴化盐（[EMIM]Br）、1-丁基-3-甲基-咪唑溴化盐（[BMIM]Br）、1-丁基-3-甲基-咪唑四氟硼酸盐（[BMIM]BF4）和1-烯丙基-3-甲基-咪唑氯化盐（[AMIM]Cl）,并通过红外光谱、核磁共振和元素分析手段进行表征。结果表明,合成的产物就是纯度较高的离子液体。第二,研究了这几种离子液体水溶液的物理性质,包括在整个液态范围内的密度、折光指数、粘度、表面张力和电导率。根据所测量的数据计算出摩尔电导率、电离度,并与理想溶液体系、强电解质体系和弱电解质体系等进行比较,发现了离子液体在水中的聚集特性,并用激光光散射实验进行进一步的证明。根据实验结果,把离子液体/水溶液分为富水区、富离子区和富盐区,为离子液体回收等研究提供理论基础。第三,研究了不同的聚合物在各种离子液体中的溶解性,最终选择纤维素/离子液体[BMIM]Cl、[AMIM]Cl体系进行研究。测定了纤维素在[AMIM]Cl和[BMIM]Cl中的溶解度和溶解速率,结果发现,相同条件下,纤维素在[AMIM]Cl中具有较大的溶解度和较快的溶解速率;随着纤维素聚合度的增大,纤维素在离子液体中的溶解度降低。进一步通过WXRD、FTIR、13C-NMR和粘度法分析了溶解前后纤维素的化学结构、结晶结构和聚合度,结果表明,纤维素在离子液体中的溶解属于直接溶解,纤维素经离子液体溶解和再生后,晶型由纤维素Ⅰ转变为纤维素Ⅱ;溶解时间和温度对再生纤维素的聚合度有较大的影响,随着溶解时间的延长（5小时以上）和溶解温度的提高（100℃以上）,再生纤维素聚合度明显降低。第四,研究了纤维素/离子液体浓溶液的稳态和动态流变行为。在高剪切速率区,纤维素/离子液体溶液的表观粘度随着剪切速率的增大而降低,表现为切力变稀的流变行为。低剪切速率时,随着浓度的升高,纤维素/离子液体溶液的表观粘度增大,剪切速率增大到一定程度后,高浓度的纤维素/离子液体溶液反而具有较低的粘度。我们推测这可能是由于纤维素/离子液体溶液在剪切作用下,呈现出一种有序的超分子结构。纤维素/离子液体溶液的粘度随着温度的升高和聚合度的降低而减小,纤维素离子液体溶液的粘流活化能较大,温度对粘度的影响较大。纤维素溶液的弹性随着溶液浓度的增大、温度的降低和聚合度的增大而增大。稳态和动态流变数据的关联表明,在高剪切速率下,Cox-Merz规则不适用于纤维素/离子液体溶液体系。最后,以纤维素浆粕为原料,离子液体为溶剂,水为凝固剂,采用干喷湿纺技术成功地制备了纤维素纤维,并对纤维的纤度、取向度、断裂强度等结构性能进行了表征。这种纤维素纤维的截面接近于圆形,但是与莱赛尔纤维相比,表面还有较多的杂质和缺陷。所得纤维素纤维的断裂强度为1.83 cN/dtex,断裂伸长率为6.17%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 纤维素纤维的发展历史与现状
• 1.1.2 纤维素纤维的现有加工体系与优缺点
• 1.1.3 纤维素在离子液体中的溶解
• 1.2 离子液体的发展历史
• 1.3 离子液体的结构与性质
• 1.3.1 离子液体的结构
• 1.3.2 离子液体的分类
• 1.3.3 离子液体的物理性质
• 1.3.3.1 离子液体的熔点
• 1.3.3.2 离子液体的热稳定性
• 1.3.3.3 离子液体的粘度
• 1.4 离子液体的合成与表征
• 1.4.1 离子液体的合成
• 1.4.2 离子液体的纯化
• 1.4.3 离子液体合成的规模化
• 1.5 研究目的
• 1.6 研究内容
• 参考文献
• 第二章 离子液体/水混合物的物理性质
• 2.1 引言
• 2.1.1 离子液体/水混合物的物理性质研究意义
• 2.1.2 离子液体/水混合物的物理化学性质研究进展
• 2.1.2.1 密度与体积
• 2.1.2.2 电导率与表面张力
• 2.1.2.3 粘度与折光指数
• 2.2 实验仪器及测试方法
• 2.2.1 原料
• 2.2.2 离子液体/水混合物的密度
• 2.2.3 离子液体/水混合物的折光指数
• 2.2.4 离子液体/水混合物的粘度
• 2.2.5 离子液体/水混合物的表面张力
• 2.2.6 离子液体/水混合物的电导率
• 2.2.7 静态光散射和动态光散射
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 离子液体/水混合物的密度
• 2.3.2 离子液体/水混合物的折光指数
• 2.3.3 离子液体/水混合物的粘度
• 2.3.4 离子液体/水混合物的表面张力
• 2.3.5 离子液体/水混合物的电导率
• 2.3.6 离子液体/水混合物的光散射研究
• 2.4 离子液体/水混合物的聚集形态
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 纤维素在离子液体中的溶解性和溶解过程
• 3.1 引言
• 3.1.1 纤维素在离子液体中的溶解基础研究
• 3.1.2 纤维素/离子液体成纤关键技术研究
• 3.2 实验仪器及测试方法
• 3.2.1 原料
• 3.2.2 测量纤维素在离子液体中的溶解度
• 3.2.3 纤维素在离子液体中的溶解过程观察
• 3.2.4 红外光谱法（FTIR）测定纤维素化学结构
• 13C-NMR测定纤维素化学结构'>3.2.5¹³C-NMR测定纤维素化学结构
• 3.2.6 X-射线衍射法测定纤维素结晶结构
• 3.2.7 纤维素聚合度测定
• 3.2.8 纤维素热性能分析
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 不同聚合物在不同离子液体中的溶解性
• 3.3.2 纤维素在离子液体中的溶胀与溶解
• 3.3.2.1 纤维素在离子液体中的溶解度
• 3.3.2.2 纤维素在离子液体中的溶解速率
• 3.3.3 纤维素在离子液体中溶解前后结构变化
• 3.3.3.1 化学结构
• 3.3.3.2 结晶结构
• 3.3.3.3 聚合度
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 纤维素/离子液体浓溶液的流变性质
• 4.1 引言
• 4.2 实验仪器及测试方法
• 4.2.1 原料
• 4.2.2 实验仪器
• 4.2.3 纤维素/离子液体溶液的制备
• 4.2.4 纤维素/离子液体溶液流变性能测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 纤维素/离子液体浓溶液的稳态流变性能
• 4.3.1.1 离子液体结构的影响
• 4.3.1.2 浓度的影响
• 4.3.1.3 温度的影响
• 4.3.1.4 聚合度的影响
• 4.3.1.5 法向应力差
• 4.3.1.6 结构粘度指数
• 4.3.2 纤维素/离子液体浓溶液的动态流变性能
• 4.3.2.1 复数粘度
• 4.3.2.2 粘弹性分析
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 纤维素/离子液体/水体系的湿法纺丝成型
• 5.1 引言
• 5.2 实验仪器及实验方法
• 5.2.1 原料
• 5.2.2 实验仪器
• 5.2.3 纤维素/离子液体纺丝原液的制备
• 5.2.4 纤维素/离子液体/水体系的纺丝成型
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 纤维的机械性能
• 5.3.2 纤维的形态结构
• 5.3.3 纤维的超分子结构
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 结论
• 附录1 离子液体的合成方法
• 附录2 离子液体的红外光谱分析
• 附录3 离子液体的核磁共振分析
• 附录4 离子液体的元素分析
• 附录5 离子液体/水混合物的密度
• 附录6 离子液体/水混合物的折光指数
• 附录7 离子液体/水混合物的粘度
• 附录8 离子液体/水混合物的表面张力
• 附录9 离子液体/水混合物的电导率
• 附录10 离子液体/水混合物的摩尔电导率
• 附录11 纤维素/离子液体/水纺丝体系纺丝机示意图
• 致谢