碳納米管-Lyocell纖維的研制及其應(yīng)用初探.pdf

1、Lyocell纖維是一種新型的纖維素纖維，其原料資源豐富，生產(chǎn)工藝簡單先進，對環(huán)境污染小，符合低碳和可持續(xù)發(fā)展要求。因此，Lyocell纖維有望替代生產(chǎn)工藝嚴重污染環(huán)境的粘膠纖維。Lyocell纖維具有手感好、干強及濕強度均較高及吸濕透氣性佳等諸多優(yōu)良的性能，可廣泛應(yīng)用于服裝領(lǐng)域;其經(jīng)過改性研究，還有望開發(fā)成炭纖維原絲、輪胎簾子線用纖維、導(dǎo)電纖維、抗菌纖維等。因此，Lyocell纖維在工業(yè)、航天、軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛的潛在的應(yīng)用前景

2、。
　　 迄今為止，國內(nèi)外對Lyocell纖維進行改性的研究報道不多，其中，將碳納米管添加至Lyocell中進行改性的研究更未見有報道。為此，本論文將采用多壁碳納米管(MWNTs)添加劑對Lyocell纖維進行改性研究，探討了MWNTs的化學(xué)純化及表面功能化改性、改性MWNTs在N-甲基嗎啉-N-氧化物(NMMO)水溶液中的分散穩(wěn)定性及其對Lyocell紡絲原液流變性能、紡絲性能及纖維結(jié)構(gòu)與性能的影響。在此基礎(chǔ)上，以MWNTs/

3、Lyocell纖維為原絲制備了MWNTs/Lyocell基炭纖維，并對其結(jié)構(gòu)與性能進行了研究。除此之外，本論文還初步探討了納米級炭黑、單壁碳納米管(SWNTs)添加劑對Lyocell纖維結(jié)構(gòu)與性能的影響。
　　 本論文首先研究了MWNTs的化學(xué)純化、表面功能化改性及其在NMMO水溶液中的分散穩(wěn)定性。TEM、TGA、FTIR和Raman光譜等分析結(jié)果表明:通過硝酸純化處理，提高了MWNTs的純度，并在MWNTs表面引入了羧基和羥基

4、等官能團，提高了MWNTs的表面活性。沉降試驗及顯微鏡觀察結(jié)果進一步表明:在上述純化基礎(chǔ)上利用適量的十二烷基苯磺酸鈉對MWNTs再進行表面功能化改性可使MWNTs在NMMO水溶液及纖維素/NMMO·H2O溶液中的分散穩(wěn)定性得到顯著提高。
　　 本論文采用哈克流變儀、自制的無計量泵的氣壓式單孔紡絲裝置及帶有計量泵的多孔紡絲裝置等研究了MWNTs添加量對Lyocell紡絲原液流變性能及紡絲性能的影響。研究結(jié)果表明:添加了MWNTs的

5、纖維素/NMMO水溶液為切力變稀流體，且隨著溶液中MWNTs添加量的增加，溶液體系中纖維素的表觀相對分子質(zhì)量、溶液粘度、粘流活化能、結(jié)構(gòu)粘度指數(shù)及彈性先逐漸增大，當MWNTs含量增至1％時，它們均達到最大值，但隨著MWNTs含量的進一步增加，這些參數(shù)反而又出現(xiàn)下降的趨勢。另外，研究還發(fā)現(xiàn)，MWNTs含量對纖維素/NMMO·H2O紡絲原液均勻性和紡絲性能也有一定的影響。在本論文實驗范圍內(nèi)，MWNTs含量控制在1％及以下時，溶液均勻性和紡絲

6、性能較好。
　　 本論文在上述研究基礎(chǔ)上，進一步采用強力儀、SEM、FESEM、WAXD、二維X光衍射、TGA及低電流高阻測量儀等對含MWNTs的Lyocell纖維的結(jié)構(gòu)與性能進行了分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn):MWNTs的添加對Lyocell纖維的晶型結(jié)構(gòu)及結(jié)晶度沒有明顯的影響，但使纖維的熱穩(wěn)定性有了一定程度的提高;適量的MWNTs可以均勻分散在Lyocell纖維基體中并可使其力學(xué)性能有效改善。其中，1％MWNTs含量的Lyocell纖維的

7、初始模量和強度分別比未添加MWNTs的Lyocell纖維提高了41.9％和22.2％。另外，通過適當提高噴頭拉伸比也可改善MWNTs/Lyocell纖維的力學(xué)性能;纖維中，MWNTs是基本沿纖維軸取向的，且沿纖維軸取向的程度隨噴頭拉伸比的增大而逐漸增大。此外，在保證可紡性的條件下，盡可能提高纖維中MWNTs的含量并設(shè)法減小纖維成型時所受的拉伸作用對提高該纖維的導(dǎo)電性能也是有利的。在本論文研究范圍內(nèi)，較低拉伸作用下制得的5％MWNTs/L

8、yocell纖維的體積電導(dǎo)率比純Lyocell纖維的體積電導(dǎo)率提高了約5個數(shù)量級。
　　 本論文還進一步以含MWNTs的Lyocell纖維為原絲探索制備了MWNTs/Lyocell基炭纖維，并與純Lyocell基炭纖維進行了比較研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn):含適量MWNTs的Lyocell纖維同純Lyocell纖維一樣表面光滑，截面為圓形。但相比之下，含適量MWNTs的Lyocell纖維強度更高、結(jié)構(gòu)更致密，更適合作為炭纖維原絲。對Lyoce

9、ll原絲及MWNTs/Lyocell原絲在不同溫度分段預(yù)氧化和碳化處理后，發(fā)現(xiàn)兩種纖維的結(jié)晶度均隨著處理溫度的提高而逐漸減少。當經(jīng)過250℃熱處理后，兩種纖維的晶區(qū)結(jié)構(gòu)均遭到了比較嚴重的破壞，原有的纖維素Ⅱ晶型的單斜晶系已不復(fù)存在。進一步經(jīng)碳化處理后，纖維的結(jié)晶結(jié)構(gòu)已從原絲纖維素Ⅱ的單斜晶系轉(zhuǎn)變?yōu)樘坷w維的二維亂層石墨結(jié)構(gòu)，且結(jié)晶度較低。但MWNTs/Lyocell原絲中的MWNTs在制備炭纖維的過程中一直保持著自身的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。研究還發(fā)現(xiàn)

10、原絲的制備工藝及其粗細、原絲中MWNTs添加量等因素均對最終炭纖維的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要的影響。在本論文研究條件下，相對于紡絲工藝A而言，由紡絲工藝B制備的原絲直徑更細更均勻，由其制得的炭纖維的表面普遍比較光潔，纖維中沒有明顯的孔洞缺陷。其中，由1％MWNTs/Lyocell原絲制備的炭纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)較光滑、孔洞缺陷數(shù)量少且尺寸較小，其強度和模量分別比純Lyocell基炭纖維提高70％和116％。
　　 與此同時，本論文還初步探討了納米級

11、炭黑、SWNTs添加劑對Lyocell結(jié)構(gòu)與性能的影響，研究發(fā)現(xiàn):雖然炭黑的添加不利于纖維力學(xué)性能的提高，但促進了纖維導(dǎo)電性能的改善，在一定的研究范圍內(nèi)，MWNTs/炭黑/Lyocell纖維的導(dǎo)電性相對于MWNTs/Lyocell纖維有了一定程度的提高;由于SWNTs比MWNTs具有更完善的結(jié)構(gòu)和更優(yōu)良的電學(xué)性能，當纖維中碳納米管含量相同時，添加SWNTs的Lyocell纖維力學(xué)性能、體積電導(dǎo)率及熱穩(wěn)定性均普遍優(yōu)于添加MWNTs的Lyo