碱溶性羟乙基纤维素双螺杆湿法纺丝工艺的研究

摘要

在天然的聚合物中,纤维素是一种可以再生的资源。但是由于纤维素分子间存在大量的氢键,聚集态结构复杂,具有高结晶度,使溶剂对纤维素的可及度低,一般有机和无机溶剂难以溶解纤维素,阻碍了纤维素利用技术的进一步发展。因此研究纤维素衍生物的合成,开发与之适合的溶剂体系和加工工艺显得尤为重要。羟乙基纤维素(HEC)是纤维素和环氧乙烷发生醚化的产物。根据摩尔取代度(MS)的不同可以分为水溶性和碱溶性两种。低摩尔取代度羟乙基纤维素不溶于水,但能溶于稀碱溶液中,具有独特的碱溶性。碱溶性的羟乙基纤维素具有良好的成纤性能,有望成为继粘胶纤维、lyocell纤维之后的又一种具有生命力的纤维素纤维。
　　本论文探索了适合于湿法纺丝用的、以气固相反应形式制备的碱溶性羟乙基纤维素的合成方法,并对制备的碱溶性羟乙基纤维素的结构和相关性质进行了研究。制备的碱溶性羟乙基纤维素溶解在稀碱溶液中可以得到溶解性良好的纺丝原液。在此基础上把双螺杆挤出机和热定型拉伸机引入到湿法纺丝工艺中,开发出与之相适合的纺丝工艺。将经压榨的纤维素浆粕置于承压反应釜中,直接与醚化剂气态环氧乙烷发生气固相反应。实验表明当环氧乙烷与纤维素的质量比为0.20,碱纤维素的压榨倍率为3.20,醚化时间为80min~100min,醚化温度为40℃时,得到了碱溶性好、醚化均匀的碱溶性羟乙基纤维素。利用红外光谱、核磁共振1H谱、X-射线衍射仪对碱溶性羟乙基纤维素进行分析,可知碱溶性羟乙基纤维素的醚化度为0.40,结晶度为55.21％。碱溶性羟乙基纤维素在溶解温度为0℃,溶解时间为8小时的条件下,可以很好的溶解在浓度为8wt%的氢氧化钠溶液中,溶解度达到98.56%。并且从热力学的角度对其溶解机理进行了解释。对碱溶性羟乙基纤维素纺丝原液的流变行为进行了测试,结果表明碱溶性羟乙基纤维素纺丝原液属于非牛顿流体,非牛顿指数n在0.79~0.91之间,粘流活化能在5.73~25.01kJ/mol之间,结构粘度指数在3.29~8.31之间。利用正交实验的方法,研究了纺丝原液的凝固浴。凝固浴由15wt%的硫酸,15wt%的硫酸钠,70wt%的去离子水组成,在凝固温度为10℃的条件下,得到的初生丝的结构和断裂强度比较理想,有利于下面进一步纺丝工艺的进行。把双螺杆挤出机和热定形拉伸机引进到传统湿法纺丝工艺中,利用正交实验的方法,对纺丝工艺过程中各个工艺参数进行了确定,开发出一套适合于碱溶性羟乙基纤维素的纺丝工艺,并且用扫描电镜对纺丝各阶段的纤维结构进行了观察。得到的碱溶性羟乙基纤维素纤维的断裂强度1.53cn/dtex,断裂伸度14.65%。
　　本论文的创新点;1.采用气固相反应方式合成的,低摩尔取代度的碱溶性羟乙基纤维素适合于湿法纺丝,具有良好的成纤性能。并且找到了碱溶性羟乙基纤维素理想的溶解工艺条件。2.利用正交实验的方法对碱溶性羟乙基纤维素纤维的凝固浴进行了研究。得到由水/硫酸/硫酸钠混合溶液组成的凝固浴,凝固性能良好、凝固速率易控制。3.在碱溶性羟乙基纤维纺丝工艺中利用了双螺杆和热处理拉伸机,使高固含量、高粘度的碱溶性羟乙基纤维素纺丝原液纺丝成为可能。并且利用正交实验的手段,确定了理想的碱溶性羟乙基纤维素纤维纺丝的工艺条件。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 前言

1.2 纤维素及其衍生物传统的纺丝工艺

1.2.1 粘胶纤维

1.2.2 铜氨纤维

1.2.3 醋酸纤维

1.3 纤维素及其衍生物新兴的纺丝工艺

1.3.1 Lyocell纤维

1.3.2 液晶纺丝工艺

1.3.3.离子液体溶解纤维素体系的纺丝工艺

1.3.4.碱溶性羟乙基纤维素纺丝工艺

1.4 本论文研究的主要内容

参考文献;

第二章 碱溶性羟乙基纤维素的制备及工艺研究

前言

2.1 实验部分

2.1.1 仪器与试剂

2.1.2 纤维素原料的精制处理

2.1.3 气固相反应制备碱溶性羟乙基纤维素

2.1.4 碱溶性羟乙基纤维素醚化度的测定

2.1.5 碱溶性羟乙基纤维素溶解度的表征

2.1.6 碱溶性羟乙基纤维素结晶度的测定

2.1.7 碱溶性羟乙基纤维素红外光谱分析

2.2 结果与讨论

2.2.1 纤维素与碱的化学作用及物理化学作用

2.2.2 碱溶性羟乙基纤维素理想合成工艺条件的研究

2.2.3 碱溶性羟乙基纤维素特征官能团的表征

2.2.4 碱溶性羟乙基纤维素醚化度与溶解度的测定

2.2.5 碱溶性羟乙基纤维素结晶度的测定

2.3 结论

参考文献

第三章 碱溶性羟乙基纤维素溶解工艺条件的研究

前言

3.1 实验部分

3.2 结果与讨论

3.2.1 碱溶性羟乙基纤维素理想溶解条件的确定

3.2.2 碱溶性羟乙基纤维素溶解机理的初步探索

3.3 结论

参考文献

第四章 碱溶性羟乙基纤维素纺丝原液流变性能的研究

前言

4.1 实验

4.2 结果与讨论

4.2.1 碱溶性羟乙基纤维素纺丝原液的流变曲线

4.2.2 碱溶性羟乙基纤维素纺丝原液的非牛顿指数

4.2.3 碱溶性羟乙基纤维素纺丝原液的粘流活化能

4.2.4 碱溶性羟乙基纤维素纺丝原液的结构粘度指数

4.3 结论

参考文献

第五章 碱溶性羟乙基纤维素纺丝凝固浴条件的研究

前言

5.1 实验

5.1.1 实验仪器与原料

5.1.2 初生纤维断裂强度、伸度的测量

5.1.3 不同凝固剂在碱溶性羟乙基纤维素溶液中扩散速度的实验

5.1.4 凝固剂的种类、浓度、凝固浴的温度对初生纤维断裂强度的影响实验

5.2 实验结果与讨论

5.2.1 不同凝固剂在碱溶性羟乙基纤维素溶液中的扩散速度

5.2.2 凝固剂的种类、浓度、凝固浴的温度对初生纤维断裂强度的影响

5.2.3 碱溶性的羟乙基纤维素初生纤维的表面和断面形态结构分析

5.3 结论

参考文献

第六章 碱溶性羟乙基纤维素纤维纺丝工艺的研究

前言

6.1 实验

6.1.1 设备与仪器

6.1.2 纺丝实验

6.1.3 纤维力学性能的测试

6.2 结果与讨论

6.2.1 纺丝工艺流程图

6.2.2 纺丝原液浓度,双螺杆纺丝温度,喷头拉伸比对纤维断裂强度的影响

6.2.3 水浴拉伸过程中水浴温度,拉伸倍率对纤维断裂强度、伸度的影响

6.2.4 清洗方式对纤维断裂强度、伸度的影响

6.2.5 热定型拉伸对纤维断裂强度、伸度的影响

6.3 结论

6.3.1 碱溶性羟乙基纤维素纤维的机械性能

6.3.2 碱溶性羟乙基纤维素纤维纺丝工艺流程参数

参考文献

第七章 结论

7.1 论文总结

7.2 存在的问题

7.3 展望

致谢

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