离子液体/有机溶剂混合体系特性及其纤维素溶液纺丝成形研究

摘要

本文研究了不同结构的离子液体与几种极性不同的有机溶剂的混溶性以及二元混合体系的物化特性，讨论了离子液体与有机溶剂的相互作用。在此基础上，选择1-丁基-3-甲基咪唑氯化物/二甲基亚砜([BMIM]Cl/DMSO)为溶剂，研究了纤维素在此溶剂中的溶解、溶液特性并进行了纤维素的纺丝试验。
　　首先研究了室温下以[BMIM]+和[EMIM]+为阳离子的离子液体与不同有机溶剂形成的混合体系的物化特性，包括密度、折光指数、粘度、电导率的变化。
　　对于相同的离子液体[BMIM]Cl，分别与四种有机溶剂DMSO、乙腈、乙醇、丙酮混合.结果发现，DMSO极性大，与离子液体相互作用大而表现出具有最大的相溶性;丙酮介电常数小，在一定的浓度下与离子液体不相溶，发生明显的相分离。乙腈和乙醇与离子液体具有中等的相溶性.四种混合体系的折光指数都随着离子液体的含量增大而增大，电导率则随着离子液体含量的增大呈现出先增大后减小的趋势，密度结果表现出特殊性.[BMIM]Cl中加入乙腈、乙醇、丙酮，混合体系密度随离子液体的含量增大而增大，但DMSO的加入，混合体系的密度随离子液体含量的增加略有减小，这表明有机溶剂的极性对离子液体和有机溶剂之间的相互作用有显著影响.有机溶剂的极性增大，增加了其与离子液体的相互作用，导致混合体系体积减小，密度增大，偏离理想混合溶液的特性。
　　对于以[EMIM]+为阳离子、不同阴离子的离子液体，与乙醇混合，阴离子对混合体系的密度、折光指数、粘度、电导率的影响都不显著，但与DMSO混合，阴离子对混合体系物化特性的影响非常显著.概括而言，DMSO与三种阴离子的相互作用大小排序为:OAc-＞PO2(CH3)H-＞COOH-。
　　对离子液体/有机溶剂二元混合体系物化特性的研究结果发现，DMSO与离子液体与较强的相互作用，且可以降低离子液体的粘度，同时考虑DMSO与纤维素有弱的相容性，因此选择[BMIM]Cl/DMSO为混合溶剂，进一步研究纤维在混合溶剂中的溶解和纺丝成形。流变特性研究发现，当DMSO的添加量在1％-7％的范围内，DMSO的加入导致溶液零切粘度减小，非牛顿指数增加。当DMSO含量超过7％时，溶液零切粘度增大。随着温度的降低，能够观察到纤维素/[BMIM]Cl/DMSO体系的溶胶-凝胶的转变现象，且随着DMSO含量的增大，凝胶转变温度也出现了先增大后减小的现象。结果说明，离了液体与DMSO和纤维素的相互作用存在着竞争现象，当DMSO含量较低时，DMSO与少量离子液体发生相互作用，在溶液中起到了稀释剂的作用，不影响离了液体与纤维素的作用，也并不影响纤维素大分子的聚集形态;而当DMSO含量增大到一定程度，与离子液体发生相互作用的摩尔数增大，弱化了离了液体与纤维素的相互作用，且DMSO并不是纤维的良溶剂，与纤维素接触会导致大分子发生聚集，影响纤维素大分子在溶液中的聚集形态，从而导致体系粘度增大，且在较高温度下就容易发生凝胶化现象。
　　在纤维素/[BMIM]Cl/DMSO溶液流变特性研究的基础上，进行了干喷湿纺试验，当DMSO含量在3％时不影响可纺性，纺丝温度可以降低到80℃。