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离子液体法制备再生纤维素纤维的基础研究

文献类型:学位论文

作者周乐
答辩日期2022-07-01
文献子类博士
授予单位中国科学院过程工程研究所
导师聂毅
关键词再生纤维素纤维,离子液体,纤维素解聚,再生过程,抗菌纤维
英文摘要

自然界中的天然纤维素每年产量千亿吨,其高值化利用生产再生纤维素纤维对生物质资源的高效利用、生态环境保护及经济可持续发展具有重大意义。当前再生纤维素纤维制造工业化生产工艺主要包括粘胶纤维工艺和莱赛尔纤维工艺。粘胶纤维工艺复杂、使用大量有毒有害溶剂,污染严重,能耗高。莱赛尔纤维工艺采用N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)为溶剂,但NMMO稳定性差,需复配抗氧化剂和络合剂,存在爆炸等安全隐患。离子液体结构功能可设计,具有优异的溶解性能和可回收性,良好的化学稳定性和热稳定性,在溶解纤维素纺丝制备再生纤维素纤维领域显现出优势。本论文针对离子液体法制备再生纤维素纤维这一新过程,对纤维素在离子液体溶解过程中的解聚规律,纤维素凝固再生过程的热力学和动力学行为,再生纤维素纤维纺丝制备过程和离子液体回收及稳定性进行系统研究。实现离子液体法制备再生纤维素纤维的小试应用,并将其拓宽应用于抗菌再生纤维制造领域。本论文的主要研究内容和成果如下:(1)研究离子液体结构对纤维素溶解过程中解聚规律的影响。建立离子液体体系中纤维素聚合度的测试方法和还原糖的测试方法,通过溶解过程纤维素聚合度、体系中还原糖以及再生纤维素红外结构的相关测试,研究1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐([Amim][Cl])、1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐([Emim][OAc])和1-乙基-3-甲基咪唑磷酸二乙酯盐([Emim][DEP])三种离子液体体系中木浆纤维素和微晶纤维素的解聚情况,获得三种离子液体最佳的溶解纺丝温度和时间。进一步通过量化计算离子液体与纤维二糖的静电势和稳定构象,对不同离子液体与纤维二糖模型之间的氢键、范德华力等相互作用能进行计算分析,初步获得离子液体体系中纤维素的解聚规律,优选出对纤维素具有高溶解性与低解聚性的离子液体[Emim][DEP]。(2)通过离子液体-纤维素-凝固剂三元相图的构筑和液液扩散系数的测定,研究离子液体体系纤维素再生过程的热力学和动力学行为。基于三元体系浊点线性关系经验方程,通过浊点法和连续迭代法建立离子液体-纤维素-凝固剂(水、乙醇)三元体系的全浓度区域相图,从而判断两相区和均相区,优选出纤维素的凝固再生条件。量化计算发现[Emim][DEP]与水分子的相互作用较强,水分子通过破坏纤维素和离子液体形成的氢键,实现纤维素的凝固再生。基于Fick扩散定律,采用Mach-Zehnder干涉光路的数字实时激光全息干涉光路系统对离子液体在凝固剂中的扩散动力学进行初步探索,离子液体在水中的扩散系数基本处在10-10~10-9 m2/s,比NMMO在水中的扩散系数低一个数量级。(3)以[Emim][DEP]为溶剂,聚合度为900的木浆纤维素和25 ℃的去离子水为凝固浴,采用定制的干喷湿法纺丝装置,研究凝固浴、牵伸浴、水洗浴三段拉伸对纤维力学性能的影响规律,完成离子液体法制备再生纤维素纤维的小试应用。对再生纤维素纤维的形貌、结晶类型、结晶度、热稳定性、染色性以及生物相容性等进行相关测试表征。随着凝固浴和牵伸浴中拉伸比的增加,纤维的断裂强度增加,断裂伸长率减小。MC3T3-E1的细胞增殖结果表明,离子液体法制备的纤维OD值与粘胶纤维接近,对细胞的生物相容性较好。离子液体90 ℃、 60次循环脱水蒸发回收后其结构保持不变。(4)将植物精油与离子液体纤维素纺丝液共混,制备出一系列植物精油抗菌再生纤维素纤维。为了提高抗菌纤维的水洗牢度和持久抗菌效果通过悬浮聚合制备得到精油微胶囊,与离子液体纤维素纺丝结合制备得到抗菌纤维。对抗菌纤维的结构、形貌、热稳定性、机械性能、抗菌性、水洗性和生物相容性进行相关测试和深入分析。抗菌纤维对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率分别大于95%和80%。微胶囊包覆后制备得到抗菌纤维AMC-RCF,国标GB/T 20944.3-2008水洗30次后对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率依旧高达85.8%和92.7%。抗菌纤维的活性组分能够抑制细菌生长,对细胞具有一定的增殖作用。

语种中文
源URL[http://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/60982]  
推荐引用方式
GB/T 7714
周乐. 离子液体法制备再生纤维素纤维的基础研究[D]. 中国科学院过程工程研究所. 2022.

入库方式: OAI收割

来源:过程工程研究所

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