低共熔溶剂作用聚乳酸纤维的表面改性与功能化修饰研究

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聚乳酸(PLA)作为一类重要的可降解的生物基新材料,有逐步替代传统石油基材料的前景,具有低碳、绿色、环保等显著优势,是公认的环境友好材料,目前PLA终端产品现已逐步应用于工业、民用、农业、医药等领域,前景十分广阔,但受其亲水性及耐热性差等缺陷,PLA面临染色技术受限、功能性衍生产品种类少等问题。而具有低熔点、低成本、可生物降解、结构可设计、溶解性能好、无毒害、可再生等优点的低共熔溶剂(DES)正逐渐成为聚合物材料溶液加工中一类重要的溶剂选择,可对天然及化学纤维起到修饰改性作用,符合“双碳”目标要求。为此,本文遴选并合成了4种胆碱类低共熔溶剂,并将其用于对PLA纤维的化学修饰和改性。对比测试DES处理后PLA纤维的微观结构、化学结构以及亲水性能,筛选出适用于PLA改性的低共熔溶剂及其最佳工艺参数,并阐明其改性基本规律;其次,聚焦PLA染色瓶颈,探究改性PLA是否在不影响其基本力学性能的前提下实现低温染色,并阐明其染色性能得到明显提升的内在机理;在此基础上,继续扩大改性PLA的应用范围,通过浸涂法将制备的二维过渡金属碳化物/丝胶蛋白碳纳米管(Mxene/SSCNT)导电液负载至改性PLA纤维上,制备出具有强导电性、较好的电加热性以及传感性能的Mxene/SSCNT@PLA织物。具体研究内容和研究结果如下:(1)胆碱类DES作用PLA纤维的表面改性:从应用性最为广泛的胆碱类DESs中拟定出酸碱性不同的四种DESs,先后将处理温度和处理时间设置为自变量,对比分析了PLA的失重率、纤维微观形貌及化学结构、亲水性能等,结果表明:氯化胆碱/草酸(Ch Cl/OA)体系的DES在60℃、2 h的反应条件下可成功改性PLA,在不破坏其原有大分子结构的基础上,DES改性PLA纤维表面极性基团增加且出现物理刻蚀现象致使PLA实现由高疏水向高亲水的跨越;因此,Ch Cl/OA对PLA的改性过程遵循了“短时+低温”原则且改性过程操作简便、环保。(2)改性PLA纤维的低温染色性能:选用C.I.Disperse Red 167(5BL红)、C.I.Disperse Orange 30(4RL橙)、C.I.Disperse Blue 79(HGL深蓝)三种分散染料,在不同温度梯度、相同染色工艺处方下对PLA和DES改性PLA进行上染实验,对比分析了不同PLA样品的得色深度(K/S值)、上染率并探究其染色性能的增强机理,结果表明:亲水性已得到明显改善的DES改性PLA在基本力学性能未受损以及耐摩擦色牢度品质不变的前提下,可在更低的染色温度(90、100℃)下达到原PLA在最佳上染温度(110℃)条件下染出的K/S值水平,改性PLA受DES在表面微观形貌及化学结构的影响从而直接加快分散染料在PLA纤维基体上的吸附、渗透和扩散行为,对其染色深度、速率、上染率等起到促进作用。(3)功能性导电PLA织物的制备及其性能研究:为拓展PLA纤维及其织物的应用领域、扩充PLA材料的终端衍生产品,将DES改性PLA作为基底材料,通过浸涂法可以将Mxene/SSCNT导电液牢牢地负载至DES改性PLA上以制备出不同层数的Mxene/SSCNT@PLA,当负载16层时,该织物的表面单位电阻已低至5.5Ω·squa-1,具有优异的导电性;同时,在Mxene/SSCNT@PLA作为电加热器件时,其表面温度随外接电压的升高呈递增趋势,在5V电压下其温升高达49.8℃;在Mxene/SSCNT@PLA作为可穿戴人体检测设备用于检测人体运动、呼吸时,表现出了优异的灵敏度且电阻输出十分稳定,另外,Mxene/SSCNT@PLA表现出优异的透气透湿性能、耐水洗性能等。综上,本论文为解决PLA自身亲水性差和染色瓶颈提出了一条崭新思路,为深化PLA在功性能材料领域的应用开发提供了实验支撑和理论依据。
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