碳纳米管添加剂对Lyocell纤维结构与性能的影响

摘要

Lyocell纤维是二十世纪九十年代开发出来的一种新型的纤维素纤维，其生产工艺简单先进，对环境污染小，符合环保和可持续发展要求。因此，Lyocell纤维有望替代生产工艺严重污染环境的粘胶纤维。Lyocell纤维具有手感好、干强及湿强度均较高及吸湿透气性佳等诸多优良的性能，可广泛应用于服装领域；其经过改性研究，还有望开发成轮胎帘子线用纤维、碳纤维原丝、导电纤维、抗菌纤维等。因此，Lyocell纤维在工业、航天、军事、医疗等领域有着广泛的潜在的应用前景。
　　 今为止，国内外对Locell纤维进行改性的研究报道不多，而将碳纳米管添加至Lyocell中进行改性的研究更未见有报道。为此，本文将采用多壁碳纳米管(MWNTs)添加剂对Lyocell纤维进行改性研究，探讨了MWNTs的化学纯化及表面功能化修饰、经改性修饰后的MWNTs在N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)水溶液中的分散稳定性及其对Lyocell纺丝原液流变性能、纺丝性能及纤维结构与性能的影响。
　　 本文首先研究了MWNTs的化学纯化、表面功能化修饰及其在NMMO溶液中的分散稳定性。红外光谱分析结果表明：采用硝酸回流纯化处理不仅可以提高MWNTs的纯度，而且能够在MWNTs表面接上羧基和羟基等官能团，使MWNTs的表面活性提高，从而有利于表面功能化。此外，偏光显微镜等的分析结果进一步表明，在上述纯化基础上利用适量的十二烷基苯磺酸钠对MWNTs再进行表面功能化修饰可使MWNTs在NMMO水溶液中的分散稳定性得到显著提高。
　　 本文采用哈克流变仪、自制的无计量泵的气压式单孔纺丝装置及自制的带有计量泵的多孔纺丝装置等研究了MWNTs对Lyocell纺丝原液流变性能及纺丝性能的影响。研究结果表明：添加了MWNTs的纤维素/NMMO水溶液为切力变稀流体；少量(≤1wt％)MWNTs的添加可使溶液粘度有明显的上升，但随着MWNTs添加量的进一步增加，溶液粘度则随之降低。纤维素/NMMO水溶液粘流活化能随碳纳米管含量的增加也有类似的变化规律。研究进一步发现，在本论文所涉及的MWNTs添加量范围内，若MWNTs在纤维素/NMMO·H2O纺丝原液中的含量较高，其纺丝性能相对较差，MWNTs含量低至1wt％及以下时，纺丝成形良好。
　　 本文在上述研究基础上，进一步采用强力仪、扫描电子显微镜、场发射扫描电子显微镜、X-光衍射仪、低电流高阻测量仪等对含有MWNTs的Lyocell复合纤维的结构与性能进行了分析研究。结果发现：该复合纤维仍然具有纤维素Ⅱ晶型的特征；适量的MWNTs可以均匀分散在Lyocell纤维基体中并可使Lyocell/MWNTs复合纤维的力学性能有所提高。其中，1wt％MWNTs含量的Lyocell复合纤维的初始模量和强度分别比未添加MWNTs的Lyocell纤维提高42％和22％。此外，经研究还发现，纺丝过程中，选择合适的喷头拉伸比，对提高MWNTs/Lyocell纤维的力学性能非常重要。本论文实验条件下当喷头拉伸比达到3.48时，所得MWNTs/Lyocell纤维的力学性能较佳。利用二维X衍射法等对纤维的取向结构分析结果进一步表明：在本文所制得的MWNTs/Lyocell复合纤维中，MWNTs是基本沿纤维轴取向的，而且MWNTs在纤维素纤维中沿纤维轴取向的程度随喷头拉伸比的增大而逐渐增大。对纤维导电率的分析研究还发现，在保证可纺性的条件下，尽可能提高纤维中MWNTs的含量并设法减小纤维成型时所受的拉伸作用对提高MWNTs/Lyocell纤维的导电性能是有利的。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章前言

1.1纤维素纤维性能及Lyocell工艺特点

1.2国内外改性Lyocell的研究现状

1.3碳纳米管的分类、主要特性与应用

1.3.1碳纳米管的分类

1.3.2碳纳米管的主要特性及应用

1.4碳纳米管在纤维复合材料中的研究进展

1.4.1碳纳米管在聚合物纺丝液体系中的分散性研究

1.4.2碳纳米管/聚合物纤维复合材料力学性能的研究

1.4.3碳纳米管/聚合物复合纤维中碳纳米管取向的研究

1.4.4碳纳米管/聚合物复合纤维抗静电性能的研究

1.5碳纳米管在Lyocell纤维中的应用现状

1.6本论文的主要研究内容

1.7本论文的研究目的和意义

参考文献

第二章实验

2.1纺丝原液的制备、表征及纺丝

2.1.1实验原料

2.1.2 MWNTs的纯化

2.1.3 MWNTs在不同表面活性剂中的分散性研究

2.1.4用SDBS对MWNTs进行功能化

2.1.5纯化前后MWNTs结构与性能测试

2.1.6实验设备

2.1.7碳纳米管/Lyocell复合纤维的制备

2.2 MWNTs/纤维素/NMMO水溶液的分散性测定

2.3 MWNTs/纤维素/NMMO水溶液的流变性能测定

2.4各种Lyocell纤维结构与性能的表征

2.4.1 Lyocell纤维的力学性能测试

2.4.2 Lyocell纤维的形态结构分析

2.4.3 MWNTs/Lyocell复合纤维及MWNTs结晶结构的表征

2.4.4 MWNTs/Lyocell复合纤维中MWNTs的取向程度的表征

2.4.5 Lyocell纤维的导电性能测试

第三章碳纳米管的表面功能化及其在NMMO溶液中的分散稳定性研究

3.1引言

3.2 MWNTs纯化处理的效果分析

3.3纯化MWNTs在不同表面活性剂中的分散稳定性研究

3.4功能化MWNTs在NMMO水溶液中的分散稳定性分析

3.5本章小结

参考文献

第四章MWNTs/纤维素/NMMO·H2O溶液流变性能的研究

4.1引言

4.2含碳纳米管的纤维素/NMMO·H2O溶液流变性能的研究

4.2.1剪切速率的影响

4.2.2 MWNTs含量的影响

4.2.3温度的影响

4.2.4 MWNTs/纤维素/NMMO·H2O溶液粘流活化能的分析

本章小结

参考文献

第五章 碳纳米管填充/Lyocell纤维的结构与性能分析

5.1各种MWNTs含量的Lyocell纤维的纺丝性能分析

5.2 MWNTs/Lyocell复合纤维形态结构的分析

5.3 MWNTs/Lyocell复合纤维的力学性能分析

5.3.1 MWNTs含量的影响

5.3.2喷丝头拉伸比的影响

5.4 MWNTs/Lyocell复合纤维结晶结构的分析

5.5 MWNTs/Lyocell复合纤维中MWNTs取向结构的分析

5.6 MWNTs/Lyocell复合纤维导电性能的分析

5.6.1 MWNTs含量对MWNTs/Lyocell复合纤维导电性能的影响

5.6.2喷头拉伸比对MWNTs/Lyocell复合纤维导电性能的影响

5.7本章小结

参考文献

第六章结论

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢