CN101724929B - 离子液体溶剂中纤维素/纳米二氧化钛共混材料制备方法 - Google Patents

离子液体溶剂中纤维素/纳米二氧化钛共混材料制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种离子液体溶剂中纤维素/纳米二氧化钛共混材料制备方法,该纤维组成为纤维素和纳米二氧化钛粒子。所用离子液体溶剂可以直接将纤维素溶解,避免传统溶解纤维素的复杂过程;加入纳米二氧化钛,可形成纤维素/纳米二氧化钛均匀稳定纺丝溶液;经过抽丝塑化、拉伸、水洗、干燥后,可得到纤维素/纳米二氧化钛共混纤维材料。本发明所得的复合材料的强度、断裂伸长率、柔韧性保持再生纤维素丝的性能,且有抗菌活性和紫外吸收功能;此方法制备的复合材料中纤维素与纳米二氧化钛结合牢固,二氧化钛分布均匀且不易流失。采用离子液体作为溶剂进行纤维素复合材料的制备,工艺简便,溶剂可回收,操作方便、成本低,适合大规模工业应用。

Description

离子液体溶剂中纤维素/纳米二氧化钛共混材料制备方法
技术领域
本发明涉及纤维素/纳米二氧化钛共混材料的制备方法属于天然高分子化学领域,也属于材料科学领域。特别是涉及一种离子液体溶剂体系中纤维素/纳米二氧化钛共混材料的制备方法。
背景技术
纤维素是地球上最丰富的可再生资源,具有价廉、可降解和不污染生态环境等优点。将溶解的纤维素转化为能源、工业原料、精细化学品、食品、药品及饲料是纤维素资源化利用、保护环境的较好途径。纤维素是以D-吡喃式葡萄糖基通过1-4β苷键连接起来的具有线性结构的高分子化合物,其结构复杂,内部存在大量晶区、非晶区结构和氢键,造成试剂对纤维素的可及度低,一般溶剂难以溶解纤维素,给纤维素的资源化利用造成了障碍。开发有效的纤维素溶剂体系是解决这一难题的关键。
离子液体作为一种新型的纤维素溶剂,在较宽的范围内以液态存在,且具有良好的热稳定性,无毒、无挥发性,有利于环境保护和操作人员健康。通过选择适合的阴、阳离子组合,可以改变离子液体的物理化学性质,从而溶解多种有机物、无机物和高分子材料。许多离子液体对纤维素的溶解度很大,有些甚至达到35%,但采用纤维素磺化法生产粘胶纤维所采用的纤维素浓度不超过10%。因此,采用离子液体生产纤维素纤维可以大大提高生产效率,同时避免传统方法溶剂带来的污染。
利用纳米二氧化钛的优异性能研发具有屏蔽紫外线、抗菌防臭和光催化自清洁等功能的纺织品是当前纺织领域的研究热点。近年,聚合物/纳米粒子复合材料已成为现代材料科学极富吸引力的领域。由于纳米微粒尺寸小,产生一般宏观物体所不具有的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应以及高吸气性、高混合性、低密度等特点,从而使聚合物/纳米粒子复合材料出现许多不同于常规固体的优异性能,如力学、光学、热学、电学和磁学等。但是由于无机材料和有机聚合物分子之间作用力差异,二者的界面不相容性和吸附力缺乏给制备相关材料带来了困难。根据纳米粒子的特性和聚合物处理过程,聚合物/无机纳米复合材料一般可通过纳米粒子的原位生成法、共混法、插层复合法和溶胶-凝胶法等来制备。
发明内容
本发明的目的是提供一种以离子液体为共溶剂来制备纤维素/纳米二氧化钛共混材料的方法和应用,该方法绿色环保,溶剂可回收,成本低,可以满足生产和应用的需要。该复合材料强度高,具有紫外吸收、抗菌和自清洁功能。
本发明包括下列步骤:
第一步、将纤维素溶入离子液体中,使纤维素含量达到2~15%,80~110℃油浴加热并机械搅拌30min后纤维素溶解,形成纤维素离子液体溶液,将0.04~0.5%的纳米二氧化钛分散于纤维素离子液体溶液中,继续搅拌1~24h,形成均匀稳定纺丝溶液。
第二步、上述纺丝溶液脱泡后,经单孔喷丝板进入0~90℃凝固浴中固化后纺丝,纺丝速度为5~150m/min,纺丝方法为湿法纺丝。其中,凝固浴为水或含0~60%离子液体的水溶液。
第三步、丝经塑化拉伸后,再经水洗、干燥,得到纤维素/纳米二氧化钛共混纤维材料。所述的拉伸为塑化拉伸,总拉伸比为10~100%。
其中,纤维素选自棉浆粕、木浆粕、芦苇浆、甘蔗渣浆或黄麻杆浆中的一种,聚合度为290~1200的干燥棉浆,α-纤维素含量大于90%。纳米二氧化钛直径为1nm~100nm。
上述离子液体由阳离子和阴离子组成,阳离子为含官能团取代基的C1~C12烷基、乙烯基、丙烯基、丁烯基、羟乙基、羟丙基、烷氧基中的一种或几种的烷基季铵离子,烷基咪唑离子,烷基吡啶离子;
所述的含官能团取代基的C1~C12烷基中的官能团为:卤素离子、乙烯基、丙烯基、丁烯基、羟乙基、羟丙基、烷氧基、苄基、磺酸基、羧基中的一种或几种;
所述的阴离子为卤素离子、BF4 -、PF6 -、SCN-、CN-、CF3SO3 -、CF3COO-中的一种。
本发明具有如下特点:
1、采用离子液体制备纤维素/纳米二氧化钛共混纤维材料,避免了粘胶法冗长而复杂的生产过程,工艺能耗和操作费用低,同时避免传统方法溶剂带来的污染。而且有利于环境保护和操作人员健康,符合绿色生产的要求。
2、本发明所制备得到的纤维素/纳米二氧化钛共混复合材料具有抗紫外线、抗菌、自洁净能力。
具体实施方式
以下结合具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明:
实施例1[BMIM]Cl
将盛有20g[BMIM]Cl离子液体的50ml三口瓶置于100℃油浴中,待温度稳定后,向其中加入2g棉纤维,共分六次加入,1次/5min。棉纤维在离子液体中的溶解时间为30min,之后加入0.05g的纳米二氧化钛,搅拌3h得纺丝液。纺丝液经脱泡后,经单孔喷丝板进入到水凝固浴中,凝固浴温度为室温。经过10%的塑化拉伸后,再经水洗、漂白、干燥后等过程,得到强度为3.2cN/dtex、断裂伸长率为18.5%的纤维。
实施例2[BMIM]BF4
将盛有20g[BMIM]BF4离子液体的50ml三口瓶置于80℃油浴中,待温度稳定后,向其中加入0.5g棉纤维,共分六次加入,1次/5min。棉纤维在离子液体中的溶解时间为30min,之后加入0.01g的纳米二氧化钛,搅拌3h得纺丝液。纺丝液经脱泡后,经单孔喷丝板进入到10%离子液体水溶液凝固浴中,凝固浴温度为室温。经过15%的塑化拉伸后,再经水洗、漂白、干燥后等过程,得到强度为2.7cN/dtex、断裂伸长率为8.5%的纤维。
实施例3[BMIM]PF6
将盛有20g[BMIM]PF6离子液体的50ml三口瓶置于100℃油浴中,待温度稳定后,向其中加入3.5g棉纤维,共分六次加入,1次/5min。棉纤维在离子液体中的溶解时间为30min,之后加入0.03g的纳米二氧化钛,搅拌3h得纺丝液。纺丝液经脱泡后,经单孔喷丝板进入到20%离子液体水溶液凝固浴中,凝固浴温度为40℃。经过20%的塑化拉伸后,再经水洗、漂白、干燥后等过程,得到强度为2.3cN/dtex、断裂伸长率为11.5%的纤维。
实施例4[AMIM]CF3COO
将盛有20g[AMIM]CF3COO离子液体的50ml三口瓶置于90℃油浴中,待温度稳定后,向其中加入1.5g棉纤维,共分六次加入,1次/5min。棉纤维在离子液体中的溶解时间为30min,之后加入0.05g的纳米二氧化钛,搅拌3h得纺丝液。纺丝液经脱泡后,经单孔喷丝板进入到水凝固浴中,凝固浴温度为60℃。经过25%的塑化拉伸后,再经水洗、漂白、干燥后等过程,得到强度为3.2cN/dtex、断裂伸长率为17.5%的纤维。
实施例5[AMIM]Cl
将盛有20g[AMIM]Cl离子液体的50ml三口瓶置于110℃油浴中,待温度稳定后,向其中加入2.5g棉纤维,共分六次加入,1次/5min。棉纤维在离子液体中的溶解时间为30min,之后加入0.07g的纳米二氧化钛,搅拌3h得纺丝液。纺丝液经脱泡后,经单孔喷丝板进入到20%离子液体水溶液凝固浴中,凝固浴温度为室温。经过10%的空气浴后回缩后,再经水洗、漂白、干燥后等过程,得到强度为2.7cN/dtex、断裂伸长率为8.7%的纤维。
实施例6[AMIM]Br
将盛有20g[AMIM]Br离子液体的50ml三口瓶置于110℃油浴中,待温度稳定后,向其中加入0.5g棉纤维,共分六次加入,1次/5min。棉纤维在离子液体中的溶解时间为30min,之后加入0.01g的纳米二氧化钛,搅拌3h得纺丝液。纺丝液经脱泡后,经单孔喷丝板进入到10%离子液体水溶液凝固浴中,凝固浴温度为40℃。经过18%的塑化拉伸后,再经水洗、漂白、干燥后等过程,得到强度为3.2cN/dtex、断裂伸长率为12.8%的纤维。
实施例7[AMIM]BF4
将盛有20g[AMIM]BF4离子液体的50ml三口瓶置于80℃油浴中,待温度稳定后,向其中加入0.5g棉纤维,共分六次加入,1次/5min。棉纤维在离子液体中的溶解时间为30min,之后加入0.05g的纳米二氧化钛,搅拌3h得纺丝液。纺丝液经脱泡后,经单孔喷丝板进入到水凝固浴中,凝固浴温度为室温。经过22%的塑化拉伸后,再经水洗、漂白、干燥后等过程,得到强度为3.2cN/dtex、断裂伸长率为23.3%的纤维。
实施例8[AMIM]CF3SO3
将盛有20g[AMIM]CF3SO3离子液体的50ml三口瓶置于100℃油浴中,待温度稳定后,向其中加入2.5g棉纤维,共分六次加入,1次/5min。棉纤维在离子液体中的溶解时间为30min,之后加入0.01g的纳米二氧化钛,搅拌3h得纺丝液。纺丝液经脱泡后,经单孔喷丝板进入到10%离子液体水溶液,凝固浴温度为室温。经过55%的塑化拉伸后,再经水洗、漂白、干燥后等过程,得到强度为2.7cN/dtex、断裂伸长率18%的纤维。
实施例9[AMIM]PF6
将盛有20g[AMIM]PF6离子液体的50ml三口瓶置于100℃油浴中,待温度稳定后,向其中加入0.5g棉纤维,共分六次加入,1次/5min。棉纤维在离子液体中的溶解时间为30min,之后加入0.01g的纳米二氧化钛,搅拌3h得纺丝液。纺丝液经脱泡后,经单孔喷丝板进入到20%离子液体水溶液凝固浴中,凝固浴温度为40℃。经过35%的塑化拉伸后,再经水洗、漂白、干燥后等过程,得到强度为3.2cN/dtex、断裂伸长率22%的纤维。

Claims (2)

1.一种离子液体溶剂中纤维素/纳米二氧化钛共混材料制备方法,其特征在于包括下列步骤:
第一步、将纤维素加入离子液体中,使纤维素含量达到2~15%,80~110℃油浴加热并机械搅拌30min后纤维素溶解,形成纤维素离子液体溶液,将0.04~0.5%的纳米二氧化钛分散于纤维素离子液体溶液中,继续搅拌1~24h,形成均匀稳定纺丝溶液;
第二步、上述纺丝溶液脱泡后,经单孔喷丝板进入0~90℃凝固浴中固化,纺丝速度为5~150m/min,凝固浴为水或含0~60%离子液体的水溶液;
第三步、丝经塑化拉伸后,再经水洗、干燥,得到纤维素/纳米二氧化钛共混纤维材料。
2.根据权利要求1所述的一种离子液体溶剂中纤维素/纳米二氧化钛共混材料制备方法,其特征在于所述的离子液体由阳离子和阴离子组成,阳离子为含官能团取代基C1~C12烷基、乙烯基、丙烯基、丁烯基、羟乙基、羟丙基、烷氧基中的一种或几种的烷基季铵离子,烷基咪唑离子,烷基吡啶离子;
所述的含官能团取代基的C1~C12烷基中的官能团为:卤素离子、乙烯基、丙烯基、丁烯基、羟乙基、羟丙基、烷氧基、苄基、磺酸基、羧基中的一种或几种;
所述的阴离子为卤素离子、BF4 -、PF6 -、SCN-、CN-、CF3SO3 -、CF3COO-中的一种。
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