二醋酸纤维素离子液体高效增塑机理及其熔融纺丝成形

Cellulose has become one of the focuses as a replacement of petroleum-based materials in the field of fibers and textiles due to the anxiety about exhaustible resources. However, regenerated cellulose fiber processing faces great challenges due to the strong interactions of a large number of hydrogen bonds among hydroxyl groups of the anhydroglucose units in cellulose. Although acetyl groups substituting the hydroxyl group in cellulose diacetate (CDA) making it thermoplastic, CDA cannot be melt spun without any modification dut to its melting processing temperature (Tm) or viscous flow temperature(Tf) close to decomposition temperature (Td). Thus CDA fiber is normally produced by solution spinning which causes relatively low mechanical strength and limits the CDA fiber application scope in textiles. This proposal aims to build high efficient and stable plasticization system of CDA by ionic liquid plasticization effect to broaden the temperature gap of Tm (Tf) and Td, establish a new formation technology of CDA fiber with high CDA content (up to 75 wt%) based on melt spinning, fabricate CDA fibers with improved mechanical properties which can be directly used for the production of fabric yarns and garments. The work will focus on studying on the high efficient plasticization mechanism of CDA by ionic liquid, the rheological properties of plasticized CDA and structure and properties of CDA fiber influenced by temperature field、stress field and velocity field.

纤维素是重要的化纤原料-石油资源的替代原料，因其来源丰富，对环境友好，可持续发展，且所得制品性能优良成为研究人员关注的焦点，然而其分子中氢键网络结构对纤维素纤维加工提出苛刻要求。与纤维素相比，二醋酸纤维素（CDA）分子中氢键总量与强度减少，但其熔融温度Tm或粘流温度Tf与分解温度Td接近、熔融纺丝困难，而溶液纺丝所得到的纤维力学强度差。为此本项目通过咪唑型离子液体对CDA的高效增塑作用，设计构筑适于熔融纺丝的CDA离子液体高效稳定增塑体系，解决CDA因Tf或Tm与Td接近而难以热塑加工的难题，建立基于熔体纺丝方法的高固含量(固含量可达75 wt%)的离子液体增塑CDA纺丝新工艺，制备力学性质适合服用的二醋酸纤维。重点研究离子液体对CDA的高效增塑机理以及增塑CDA的熔体流变特性，确立熔融加工的增塑体系设计构筑原则，研究温度场、应力场、速度场等对二醋酸纤维结构与性能的影响。

为解决二醋酸纤维素（CDA）因大分子中包括氢键网络结构在内的强作用力使其熔融温度Tm或粘流温度Tf与分解温度Td接近而难以熔融加工的难题，进而解决溶液纺丝CDA纤维力学强度差这一问题，本项目通过咪唑型离子液体对CDA的高效增塑作用，设计构筑适于熔融纺丝的CDA离子液体高效稳定增塑体系，建立基于熔体纺丝方法的高固含量(固含量可达75 wt%)的离子液体增塑CDA纺丝新工艺，制备力学性质适合服用的二醋酸纤维。研究发现，离子液体与CDA的相互作用是离子液体高效增塑的重要原因，这种相互作用存在于离子液体咪唑环上活泼氢与CDA乙酰基羰基、咪唑环上活泼氢与CDA骨架C-O以及阴离子与CDA乙酰基之间，有助于破坏和削弱CDA中原有氢键网络结构，增加CDA分子链柔性，实现增塑作用。以1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐（BMIMPF6）增塑为例，升温过程中增塑CDA体系经历离子液体咪唑环上孤立活泼氢和CDA中自由羰基先发生相互作用，随后离子液体阴阳离子解除相互作用，CDA中原本缔结氢键的乙酰基相应基团因氢键受热被破坏而释放出自由羰基、酯基出C-O和甲基，并与离子液体阴阳离子形成了相互作用的过程，此后CDA骨架上的C-O也参与到与离子液体的相互作用中。CDA乙酰基与BMIMPF6阴阳离子相互作用较之于CDA原有氢键作用结合力和离子液体阴阳离子之间的相互作用更强，并随着温度升高进一步加强。1-丁基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐（BMIMOTF）、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(BMIMBF4）以及BMIMPF6均可有效降低CDA的Tg、Tf以及Tm，但Tg和Tf下降程度远大于Tm，从而解决CDA因Tg、Tf和Tm接近而难以加工的难题，使得增塑CDA获得熔融加工温度窗口。离子液体含量越高，剪切速率越大，CDA增塑体系可纺性越好，然而离子液体含量或熔融温度增加将造成增塑体系微相结构变化，因此实际熔融纺丝中应注意离子液体含量以及加工温度的选择。以25 wt% BMIMBF4对CDA增塑后进行熔融纺丝，对增塑CDA熔纺纤维进行牵伸处理，纤维断裂强度可达1.61 cN/dtex，优于商业用溶液纺丝所得的CDA长丝。