大麻基Lyocell纤维的制备及性能研究

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Lyocell纤维由于其工艺流程简单、生产效率高且生产过程环保等,被誉为21世纪的绿色环保纤维。Lyocell法对于浆粕品质的要求较高,这使得目前Lyocell法制备再生纤维素纤维所需浆粕主要源自进口,也限制了Lyocell纤维的产业化发展。籽用大麻因其种子而种植,作物生长速度较快但其韧皮被大量废弃,将其焚烧会对环境造成恶劣影响,因此探索开发利用籽用大麻麻皮制备Lyocell纤维极具理论和市场价值。本论文研究了分析大麻纤维的成分和结构,通过一系列处理将其制成达标的Lyocell纤维用浆粕,并将其用于Lyocell纤维的制备,实现籽用大麻韧皮的高值化利用。本论文研究内容如下:(1)以大麻纤维为原料,通过控制聚合度和脱除铁元素来制备Lyocell纤维用浆粕。研究了对大麻纤维使用水热法进行碱处理和酸处理来控制浆粕聚合度,探讨了水热条件对于浆粕聚合度、晶型和结晶度的影响。研究结果表明,浆粕碱降解的反应条件苛刻,需要用高浓度碱在高温高压下反应较长时间。当Na OH浓度超过10%后,纤维素晶型会发生转变,由纤维素I型转变为纤维素II型。在保证纤维素晶型不变的前提下,当Na OH浓度为10%、水热温度为170℃、浴比为1:35、反应时间2 h时,大麻纤维聚合度可达647,结晶度为79%,满足了Lyocell纤维用浆粕对聚合度的要求。相比于碱处理来说,酸处理条件更加温和。在草酸浓度为0.6%、水热温度为140℃、水热时间为90 min时,大麻纤维聚合度可降至606,结晶度为86%。在甲酸浓度为10%、水热温度为140℃、水热时间90 min时,大麻纤维聚合度可降至638,结晶度为85%。(2)以降解后的大麻浆粕为原料,研究了酸处理和螯合剂处理降低大麻浆粕中铁元素的最佳工艺条件。研究结果表明:草酸处理中,当p H为2,反应时间为60 min,反应温度60℃时为最佳条件,该条件下浆粕中剩余铁含量为10.4 ppm。采用草酸等有机酸能减少对纤维微观结构的损害,且脱除效果较好,因为浆粕中的铁离子被草酸电离出的H+置换出来后又被草酸根络合,促进了反应平衡移动,使得更多的铁被脱除。在螯合剂DTPA对浆粕的处理中,当DTPA浓度为1.2%、反应时间为50 min、反应温度为80℃时,浆粕中剩余铁含量为14 ppm。(3)自主设计了实验室用干喷湿纺丝机,以经过降解和除铁后的大麻浆粕为原料,通过干喷湿纺工艺制备了大麻Lyocell纤维,并通过调控纺丝液浓度、凝固浴温度以期找到最佳力学性能的纺丝工艺条件。研究结果表明:当纺丝液浓度小于14%时,随着纺丝液浓度的增加,大麻Lyocell纤维的断裂强度和初始模量提高。当纺丝液浓度过大时,可纺性变差,力学性能降低。断裂伸长率随着纺丝液浓度的升高逐渐降低。在大麻Lyocell纤维的制备中,纺丝液浓度为14%时力学性能较好。随着凝固浴温度的增加,大麻Lyocell纤维的断裂强度和初始模量先提高后降低,断裂伸长率逐渐降低。凝固浴为20℃时制得的纤维力学性能较好。通过测试最佳条件下制得的大麻Lyocell发现,纤维表面光滑、结构致密,纤维素晶型由I型转变为II型。
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