纤维素超细纤维的制备及性能研究

1、纤维素超细纤维的制备及性能研究1研究背景2国内外研究现状4纤维素静电纺丝5亟待解决的问题3纤维素纺丝原液的制备1选择合适的溶剂溶解纤维素直接关系到纤维素溶液以及纤维素产品的物化性能。研究背景1自然界中储量最大、分布最广、可再生且可生物降解的天然高分子，草本和木材中约含2053纤维素，亚麻等韧皮中含6085纤维素，棉中纤维素高达90。纤维素与合成高分子相比，具有无毒、无污染、易于改性、生物相容性好等特点。由D-葡萄糖重复单元通过-1,4糖苷键连接成的大分子多糖，其每个结构单元都含有3个醇羟基，极易形成分子间和分子内氢键，这对纤维素的溶解非常不利。纤维素 制备纤维素超细纤维的方法主要有：拉伸法、模

2、板法、自组装法和静电纺丝法。相比于其他方法，静电纺丝是一项能直接连续地制备纳米级或微米级纤维的技术，此技术更加的方便、简单、灵活，制备的纤维更细。 研究背景1 纤维素纤维作为纤维素的一种重要形态，其展现出的巨大优势（如孔隙率高、比表面积大、长径比大等）使其能应用在精细化工、医药、食品、复合材料和新能源中，成为国内外科学家竞相开展的研究课题。纤维素纤维静电纺丝 Quan等采用离子液体1-丁基-3-甲基氯化咪唑（BMIMCl）溶解纤维素进行静电纺丝，用水浴接收纤维，成功制备出了平均直径在500-800nm之间的纤维素纤维。 万和军等采用LiCl/DMAc体系溶解棉纤维素，并且在静电纺丝过程中对样品

3、管喷头和接收板之间进行加热，通过静电纺丝技术成功地制备出纤维素纤维，也探讨了纺丝电压、纺丝液浓度及流速对纤维形貌的影响。 刘备备分别采用LiCl/DMAc体系、NMMO/水体系和1-烯丙基-3-甲基氯化咪唑（AMIMCl）溶解细菌纤维素，比较了3种溶剂体系溶解细菌纤维素的能力，并分别使用NMMO/水体系和AMIMCl溶解纤维素进行静电纺丝，制备出了细菌纤维素纤维。国内外研究现状2 Kim等分别采用NMMO/H2O和LiCl/DMAc体系溶解棉絮用静电纺丝技术制备纤维素纤维。对于NMMO/H2O体系，溶解过程需要严格控制含水量，纺丝时需要对纺丝液加热；对于LiCl/DMAc体系，纤维素在溶解前需

4、要进行活化，可在室温下进行纺丝。 Ahn等在纤维素/离子液体体系中分别添加共溶剂DMAc和DMF，制成纺丝液，采用静电纺丝技术制备纤维素纤维。实验证明，在纤维素/离子液体体系中添加共溶剂DMAc和DMF，促进了射流稳定和纤维的拉伸，使得纤维直径减小和结晶度较好。 Kulpinski等进行了在NMMO/水体系中直接静电纺丝的研究，他们选择不同纤维素原料，详细研究了溶液浓度、温度、电压等条件的影响，可以得到理想的微/纳米纤维素纤维。国内外研究现状23.1溶剂选择LiCl/DMAc（N,N-二甲基乙酰胺）NaOHNaOH/ /尿素尿素/ /水水NMMO（N-甲基吗啉氧化物）/水离子液体溶解体系纤维素

5、纺丝原液制备33.1.1 NaOH/尿素/水1、原理：、原理：纤维素结构中的羟基本身是有极性的，因此各种碱液是纤维素良好的润胀剂，碱溶液中的金属通常以“水合离子”形式存在，半径越小的离子，对外围水分子的吸引力越强，有利于辟裂开纤维素的无定形区，进而进攻结晶区。碱溶胀的能力次序为LiOHNaOHKOHRbOHCsOH。2、优势：、优势：溶剂便宜且无毒，所得纤维素溶液稳定，不发生凝胶化。3、缺点、缺点：溶解前纤维素需要复杂的预处理，难度较大。4、可纺性、可纺性：可纺性较差，极易存在串珠缺陷。3.1.2 NMMO/水1、原理：、原理：2、优势：、优势： NMMO无腐蚀性、环保，其回收率达到90以上；

6、不会在溶解过程中与纤维素形成离子络合物。3、缺点、缺点： NMMO具有强的氧化性，需要在溶剂体系中加入一定比例的抗氧剂才能溶解纤维素；NMMO溶剂价格高、溶解条件苛刻、易产生反应副产物以及回收系统复杂。4、可纺性、可纺性：该体系需要严格控制含水量，纺丝过程中由于溶剂难挥发，需要对纺丝原液进行加热。得到的纳米纤维为纤维素类型。3.1.3 LiCl/DMAc1、原理：、原理：2、优势：、优势：可溶解不同来源、不同聚合度的纤维素而没有副反应，制得较高的纤维素浓度，而且溶液体系较稳定。3、缺点、缺点：价格昂贵，DMAc具有强刺激性及一定毒性，LiCl/DMAc较难分离、提纯、回收（沉淀滴定）。纤维素溶

7、解前需要活化。4、可纺性、可纺性：可室温纺丝，得到的纳米纤维几乎为非晶态。3.1.4 离子液体1、种类：、种类：1-烯丙基-3-甲基乙酸咪唑（AMIMAc）；1-烯丙基-3-甲基氯化咪唑（AMIMCl）；1-丁 基 - 3 - 甲 基 乙 酸 咪 唑（BMIMAc） ；1-丁基-3-甲基氯化咪唑（BMIMCl）；1-乙基-3-甲基乙酸咪唑（EMIMAc）；1-乙基-3-甲基氯化咪唑（EMIMCl）2、制备：、制备： N-甲基咪唑、溴丙烯（冰浴1h、50回流1h），得AMIMBr；加入乙酸银或乙酸铅饱和溶液（充分搅拌，过滤，旋转蒸发），得AMIMAc。3 3、优势：、优势：强极性、不氧化、强溶解

8、性和对化学试剂稳定等优良特性；溶解时间短、溶解温度低、可回收。4 4、缺点、缺点：不挥发；制备过程繁琐，效率较低；一般需要一种原料过量，而在反应结束后需要利用有机溶剂除去未反应的原料。5 5、可纺性、可纺性：可室温纺丝，纺丝原液的粘度可以通过温度和纤维素的浓度在很宽的范围内调节。3.1.5 LiCl/DMAc优势控制温度、控制时间ADD YOUR置换活化/高温活化活化高温溶胀低温溶解控制温度、控制时间离心离心离心速率、离心时间3.2制备步骤纤维素纺丝原液制备33.1原理纤维素静电纺丝4聚合物相对分子量和相对分子量分布，溶液表面张力、粘度和导电性等，溶剂挥发性。溶液性能溶液性能电场强度、毛细管内

9、径、溶液输送速率、收集距离、收集器形式。纺丝变量纺丝变量温度、湿度和气氛流速等。环境参数环境参数0102033.2影响因素纤维素静电纺丝43.3纺丝后处理纤维素静电纺丝4凝固浴（水、乙醇）复合（混纺、层合）改性（疏水、阻燃）纤维素无纺布 a)纤维素溶液的制备是静电纺丝的关键，并决定纤维素静电纺丝的可行性。纤维素溶液的制备，包括相应的前期活化处理以及溶剂的选择。纤维素溶剂、溶液表面张力和静电纺丝温度对静电纺丝有着重要的影响，可以通过加热或添加剂来降低粘度和表面张力，提高静电纺丝的可行性。 b)纤维素需要强极性溶剂才能溶解，而强极性溶剂的沸点很高，在室温条件下难挥发，所得到的静电纺纤维是垂直悬挂于静止收集板，给静纺纤维收集带来困难，但可以通过滚筒式或加热收集装置、提高湿度、使用凝固浴来收集静