论文部分内容阅读
随着人们对纤维素材料的热稳定性、多功能性、环保性和耐久性的要求日益提高,对高性能纤维素材料的制备和研究成为当前重要的研究课题之一。本文以离子液体作为纤维素的溶剂和埃洛石纳米管(Halloysite nanobubes,HNTs)、纳米二氧化硅(nano-SiO2)的分散剂来制备纤维素纳米复合材料。本文详细研究了纤维素/离子液体/纳米粒子溶液体系的相行为和流变性能,揭示体系相转变行为包括液晶转变和溶液-凝胶转变行为的浓度和温度依赖性,深入阐述了液晶体系和凝胶体系转变机理;通过湿法纺丝的方法制备出高强度的纤维素纳米复合纤维,并对其结构与性能进行了系统研究。以上研究结果将为制备高性能的再生纤维素材料提供理论依据。本文取得的主要研究成果包括: (1)研究了埃洛石纳米管/水分散体系的液晶相行为和溶胶–凝胶转变行为。偏光显微镜(POM)和宏观观察结果表明,HNTs的浓度达到1 wt％时开始形成液晶相,达到25 wt%时出现完全各向异性。流变学结果表明,当HNTs浓度超过20 wt%时体系呈现出典型的剪切变稀行为,浓度达到37 wt%时体系发生溶液–凝胶转变。此外,向HNTs水分散体系中滴加盐酸,可诱导凝胶化并增强双折射现象。 (2)研究了纤维素/离子液体(AMIMCl)/HNTs体系的液晶相转变和流变行为,通过液晶湿法纺丝制备了高度有序、分散均匀、高强度的再生纤维素/埃洛石复合纤维,并对复合纤维的结构、形态、力学性能、热稳定性能以及防水性能等进行了研究。POM结果表明分散体系的双折射现象随着HNTs溶度的增加而加强,体系在剪切条件下会产生强烈的双折射现象并且剪切停止后双折射现象也会持续一定时间。流变学结果表明分散体系有强烈的剪切变稀行为。HNTs质量分数为5%时,复合纤维失重10%的温度T90提高了约50℃;HNTs质量分数为7%时,拉伸强度从73.8 MPa提高到130.1MPa。此外,HNTs的加入提高了再生纤维素纤维的防水性能。 (3)通过离子液体法成功制备出了高拉伸强度和高离子电导率的纤维素/nano-SiO2/EMIMAc复合离子凝胶。动态光散射(DLS)和透射电子显微镜(TEM)结果表明,nano-SiO2均匀地分散在纤维素/nano-SiO2/EMIMAc复合离子凝胶中。流变学结果表明,nano-SiO2的加入引起和促进了体系的凝胶化,使体系的弹性模量达到105数量级。POM结果表明nano-SiO2的加入抑制了离子凝胶的液晶行为。复合离子凝胶具有良好的热稳定性、力学性能、离子电导率和较宽的电化学窗口。 (4)研究了纤维素/AMIMCl/nano-SiO2体系的流变行为,通过溶液湿法纺丝制备了纤维素/nano-SiO2纳米复合纤维。动态流变学结果表明当nano-SiO2含量达到10%时,体系出现了凝胶化网络结构并且体系的复数粘度随着nano-SiO2含量的增加而单调递增;在高剪切速率下,nano-SiO2的加入使体系的剪切粘度降低。扫描电镜和透射电镜结果表明nano-SiO2与纤维素之间有较强的的界面相互作用。WA XD结果表明再生纤维素纤维和纳米复合纤维是典型的纤维素II型结构。nano-SiO2质量分数达到8%时,纤维的拉伸强度提高了约21%,纳米复合材料纤维的最大热失重速率温度Tmax比纯的纤维素纤维Tmax提高了22.1℃。