用于成纤的羟丙基纤维素的制备及溶液性质研究

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纤维素是地球上最为丰富的天然高分子资源,是可再生的有机资源。然而纤维素分子间存在大量的氢键,聚集态结构复杂,结晶度高,一般有机和无机溶剂很难溶解纤维素。纤维素的溶解是天然纤维素进行加工成产品的核心问题。传统的方法由于其生产过程中会产生二硫化碳、硫化氢等有害物质,造成环境污染,将逐渐被新的方法所淘汰。因此,开发纤维素衍生物的方向,有望使纤维素这一丰富资源得到有效利用。羟丙基纤维素(HPC)是纤维素与环氧丙烷醚化后的产物。低取代度的HPC不溶于水,但可溶于低温的碱溶剂体系中,在碱液中溶解快速、均匀,纺丝溶液稳定,有望通过湿法纺丝得到干湿强度较高的纤维。本文研究了气固相合成羟丙基纤维素的方法,并研究溶解行为以及溶液的性质。将碱纤维素与环氧丙烷在捏合机中进行醚化反应。利用气固相法合成低取代度的HPC。实验表明,当醚化剂用量为20%(环氧丙烷与纤维素的质量比),碱纤维素的压榨比为3.0,醚化温度为60℃,醚化时间为2.5h时,制备得到了醚化均匀、醚化效率较高的HPC。通过红外光谱、核磁共振、X射线衍射对HPC进行结构测试,可知HPC的醚化度为0.23,醚化剂有效利用率为41.51%,结晶度为64.51%,纤维素分子链上成功接上了羟丙基基团。醚化度为0.23的HPC在溶解温度为5℃、溶解时间为0.5h的条件下,可很好的溶解于质量分数为8%-9%的NaOH溶液中,溶解度可达到8.5%。随着温度降低、醚化度增大,溶解度增大。通过乌氏粘度计测试溶液的特性粘度,结果表明,低温溶解效果较好。并对HPC在碱溶剂中的溶解机理作了初步探讨。对醚化产物以及溶液的稳定性进行研究,结果表明醚化物在低温时降解速度慢,醚化物更稳定。HPC溶液在4℃下比在30℃下粘度下降更慢,醚化度较高的溶液更稳定。通过动态温度扫描,可知醚化度为0.23、溶液质量分数为7%的HPC溶液的凝胶温度为57℃,醚化度越高,凝胶温度越低。通过ARES应力控制流变仪对溶液的流变性进行测试,结果表明HPC溶液随温度升高、浓度降低、醚化度的增大溶液的表观粘度降低。HPC溶液属于假塑性流体,非牛顿指数n在0.87-0.94之间,粘流活化能在10.50~15.43kJ/mol之间,其表观粘度对温度敏感性小于纤维素/NaOH溶液体系;结构黏度指数在0.91-3.45之间,随温度的升高、浓度的下降,结构化程度减弱。
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