以CNTs為添加劑制備高性能Lyocell纖維的研究.pdf

1、Lyocell是一種新型的再生纖維素纖維，它不僅可作為優(yōu)良的服用纖維，且經(jīng)過(guò)適當(dāng)改性，還有望開(kāi)發(fā)成輪胎簾子線用纖維、碳纖維原絲、導(dǎo)電纖維等工業(yè)纖維。而碳納米管(CNTs)是準(zhǔn)一維納米材料，由于其具有較大的長(zhǎng)徑比、優(yōu)良的電學(xué)和力學(xué)性能、比表面積大等特點(diǎn)，因此，利用CNTs添加劑對(duì)聚合物體系進(jìn)行改性已經(jīng)成為制備高性能聚合物纖維材料的一種有效途徑。
　　 迄今為止，只有本課題組的魯江等曾采用多壁碳納米管(MWNTs)對(duì)Lyocell纖

2、維進(jìn)行改性，但尚未達(dá)到高性能工業(yè)絲所需標(biāo)準(zhǔn)，而目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)利用單壁碳納米管(SWNTs)改性Lyocell纖維的相關(guān)研究報(bào)道。由于SWNTs和MWNTs的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)各不相同，其對(duì)聚合物的增強(qiáng)效果也不同。因此，本論文采用Lyocell工藝，分別以SWNTs和MWNTs為添加劑，探討了純化及功能化處理對(duì)CNTs的性質(zhì)及其在NMMO水溶液中的分散穩(wěn)定性的影響，并采用合適的紡絲工藝與裝置，制備了CNTs改性的Lyocell纖維，比較了CNTs

3、類型對(duì)CNTs/Lyocell纖維結(jié)構(gòu)與性能的影響，優(yōu)選出SWNTs對(duì)Lyocell纖維進(jìn)行改性;在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地研究了SWNTs/纖維素/NMMO·H2O紡絲原液的的流變性能行為和紡絲性能;并通過(guò)結(jié)合其他手段，如提高纖維素漿粕的聚合度、優(yōu)化紡絲裝置、對(duì)CNTs/Lyocell初生纖維進(jìn)行熱處理及添加NH4Cl等，進(jìn)一步提高Lyocell纖維的性能。
　　 本論文首先探討CNTs的純化、表面功能化處理及其在NMMO水溶液中的分

4、散穩(wěn)定性。TEM、FE-SEM、Raman和FTIR分析結(jié)果表明:通過(guò)硝酸純化處理，兩種CNTs的純度均提高，并在CNTs表面引入了羧基和羥基等親水性官能團(tuán)，提高了CNTs的表面活性。通過(guò)沉降實(shí)驗(yàn)和吸光度觀察結(jié)果進(jìn)一步表明:酸洗純化處理和表面活性劑功能化處理對(duì)兩種CNTs在NMMO水溶液中的分散均有促進(jìn)作用;其中SWNTs在NMMO水溶液中的分散穩(wěn)定性比MWNTs好;而在不同的表面活性劑中，經(jīng)SDBS(十二烷基苯磺酸鈉)功能化處理的SW

5、NTs在NMMO水溶液中分散穩(wěn)定性最好。
　　 本論文分別以SWNTs和MWNTs為添加劑，采用自制的無(wú)計(jì)量泵的氣壓式單孔紡絲裝置，紡制了不同CNTs含量的CNTs/Lyocell復(fù)合纖維，比較了CNTs類型對(duì)CNTs/Lyocell纖維結(jié)構(gòu)與性能的影響。WAXD和SEM分析結(jié)果表明:CNTs的類型并未影響CNTs/Lyocell纖維的結(jié)晶結(jié)構(gòu)與形態(tài)結(jié)構(gòu)，兩種CNTs/Lyocell復(fù)合纖維均具有纖維素Ⅱ型結(jié)構(gòu)，適量的CNTs可

6、以均勻分散在纖維素纖維基體中，但隨著CNTs含量的增加，兩種CNTs/Lyocell纖維表面均變得逐漸粗糙。通過(guò)TG和低電流高阻測(cè)量?jī)x的分析結(jié)果進(jìn)一步表明:兩種CNTs/Lyocell纖維的熱穩(wěn)定性和導(dǎo)電性能均比純Lyocell纖維提高，其中SWNTs/Lyocell復(fù)合纖維比MWNTs/Lyocell纖維具有更好的熱性能和導(dǎo)電性能。此外，強(qiáng)力儀結(jié)果表明:適量CNTs的加入能夠提高Lyocell纖維的力學(xué)性能，當(dāng)CNTs得含量達(dá)到1％時(shí)

7、，CNTs/Lyocell復(fù)合纖維的力學(xué)性能最佳;含1wt％SWNTs(MWNTs)的復(fù)合纖維的斷裂強(qiáng)度和初始模量分別比純Lyocell纖維提高24.2％(18.8％)和55.8％(47.9％)，表明SWNTs比MWNTs的增強(qiáng)效果更明顯，從而優(yōu)選出SWNTs為添加劑以進(jìn)行后續(xù)研究。
　　 此外，本論文還采用哈克流變儀和上述單孔紡絲裝置對(duì)SWNTs/纖維素/NMMO·H2O紡絲液的流變行為和紡絲性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。研究結(jié)果表明

8、:不同SWNTs含量的纖維素/NMMO·H2O紡絲液均呈現(xiàn)出切力變稀行為，且隨著溶液中SWNTs含量的增加，纖維素的表觀相對(duì)分子質(zhì)量、紡絲原液的粘度及彈性均逐漸提高，當(dāng)SWNTs含量增至3％時(shí)達(dá)到最大值;但隨著SWNTs含量的進(jìn)一步提高，溶液體系的表觀相對(duì)分子質(zhì)量、粘度和彈性則呈現(xiàn)明顯下降的趨勢(shì);在SWNTs含量相同的情況下，隨著纖維素漿粕聚合度的提高，纖維素/NMMO·H2O紡絲原液的粘度和彈性均增大;隨著SWNTs含量的增加，纖維素

9、/NMMO·H2O紡絲原液越來(lái)越不均勻，當(dāng)SWNTs含量≤1％時(shí)，SWNTs/纖維素/NMMO·H2O紡絲原液的可紡性較好;隨SWNTs含量的提高，紡絲液的可紡性下降。因此，在后續(xù)SWNTs/Lyocell纖維的研究中，所采用的SWNTs含量均不超過(guò)1％。
　　 為了進(jìn)一步制備高性能的Lyocell纖維，本論文通過(guò)提高漿粕的聚合度、采用帶有計(jì)量泵的多孔紡絲裝置以及使用孔徑更細(xì)的多孔噴絲板，紡制了不同SWNTs含量的SWNTs/L

10、yocell復(fù)合纖維。通過(guò)采用WAXD、二維X光衍射、強(qiáng)力儀和小角X光散射儀等對(duì)纖維的結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn):當(dāng)SWNTs含量≤1％時(shí)，在相同的噴頭拉伸比下，隨著SWNTs含量的增加，SWNTs/Lyocell復(fù)合纖維的結(jié)晶度和晶區(qū)取向因子均增大，平均孔徑減小，其力學(xué)性能也隨之提高;而在SWNT含量相同的情況下，隨著噴頭拉伸比的增大，SWNTs/Lyocell復(fù)合纖維的結(jié)晶度和晶區(qū)取向因子均增大，纖維的平均孔徑減小，使其力學(xué)性能