用于成纤的羟丙基纤维素的制备及溶液性质研究

摘要

纤维素是地球上最为丰富的天然高分子资源，是可再生的有机资源。然而纤维素分子间存在大量的氢键，聚集态结构复杂，结晶度高，一般有机和无机溶剂很难溶解纤维素。纤维素的溶解是天然纤维素进行加工成产品的核心问题。传统的方法由于其生产过程中会产生二硫化碳、硫化氢等有害物质，造成环境污染，将逐渐被新的方法所淘汰。因此，开发纤维素衍生物的方向，有望使纤维素这一丰富资源得到有效利用。
　　 羟丙基纤维素(HPC)是纤维素与环氧丙烷醚化后的产物。低取代度的HPC不溶于水，但可溶于低温的碱溶剂体系中，在碱液中溶解快速、均匀，纺丝溶液稳定，有望通过湿法纺丝得到干湿强度较高的纤维。本文研究了气固相合成羟丙基纤维素的方法，并研究溶解行为以及溶液的性质。
　　 将碱纤维素与环氧丙烷在捏合机中进行醚化反应。利用气固相法合成低取代度的HPC。实验表明，当醚化剂用量为20％(环氧丙烷与纤维素的质量比)，碱纤维素的压榨比为3.0，醚化温度为60℃，醚化时间为2.5h时，制备得到了醚化均匀、醚化效率较高的HPC。通过红外光谱、核磁共振、X射线衍射对HPC进行结构测试，可知HPC的醚化度为0.23，醚化剂有效利用率为41.51％，结晶度为64.51％，纤维素分子链上成功接上了羟丙基基团。
　　 醚化度为0.23的HPC在溶解温度为5℃、溶解时间为0.5h的条件下，可很好的溶解于质量分数为8％～9％的NaOH溶液中，溶解度可达到8.5％。随着温度降低、醚化度增大，溶解度增大。通过乌氏粘度计测试溶液的特性粘度，结果表明，低温溶解效果较好。并对HPC在碱溶剂中的溶解机理作了初步探讨。
　　 对醚化产物以及溶液的稳定性进行研究，结果表明醚化物在低温时降解速度慢，醚化物更稳定。HPC溶液在4℃下比在30℃下粘度下降更慢，醚化度较高的溶液更稳定。通过动态温度扫描，可知醚化度为0.23、溶液质量分数为7％的HPC溶液的凝胶温度为57℃，醚化度越高，凝胶温度越低。
　　 通过ARES应力控制流变仪对溶液的流变性进行测试，结果表明HPC溶液随温度升高、浓度降低、醚化度的增大溶液的表观粘度降低。HPC溶液属于假塑性流体，非牛顿指数n在0.87～0.94之间，粘流活化能在10.50～15.43kJ/mol之间，其表观粘度对温度敏感性小于纤维素/NaOH溶液体系；结构黏度指数在0.91～3.45之间，随温度的升高、浓度的下降，结构化程度减弱。