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(jiǎn)單先進(jìn)，對(duì)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(yán)重污染環(huán)境的粘膠纖維。Lyocell纖維具有手感好、干強(qiáng)及濕強(qiáng)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(guò)改性研究，還有望開(kāi)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(guó)內(nèi)外對(duì)Lyocell纖維進(jìn)行改性的研究報(bào)道不多，其中，將碳納米管添加至Lyocell中進(jìn)行改性的研究更未見(jiàn)有報(bào)道。為此，本論文將采用多壁碳納米管(MWNTs)添加劑對(duì)Lyocell纖維進(jìn)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(duì)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(duì)其結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行了研究。除此之外，本論文還初步探討了納米級(jí)炭黑、單壁碳納米管(SWNTs)添加劑對(duì)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(guò)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(tuán)，提高了MWNTs的表面活性。沉降試驗(yàn)及顯微鏡觀察結(jié)果進(jìn)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(duì)MWNTs再進(jìn)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(wú)計(jì)量泵的氣壓式單孔紡絲裝置及帶有計(jì)量泵的多孔紡絲裝置等研究了MWNTs添加量對(duì)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(duì)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(dāng)MWNTs含量增至1％時(shí)，它們均達(dá)到最大值，但隨著MWNTs含量的進(jìn)一步增加，這些參數(shù)反而又出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。另外，研究還發(fā)現(xiàn)，MWNTs含量對(duì)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(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，MWNTs含量控制在1％及以下時(shí)，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(jìn)一步采用強(qiáng)力儀、SEM、FESEM、WAXD、二維X光衍射、TGA及低電流高阻測(cè)量?jī)x等對(duì)含MWNTs的Lyocell纖維的結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行了分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn):MWNTs的添加對(duì)Lyocell纖維的晶型結(jié)構(gòu)及結(jié)晶度沒(méi)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(qiáng)度分別比未添加MWNTs的Lyocell纖維提高了41.9％和22.2％。另外，通過(guò)適當(dāng)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(shí)所受的拉伸作用對(duì)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(gè)數(shù)量級(jí)。
　　 本論文還進(jìn)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(jìn)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(qiáng)度更高、結(jié)構(gòu)更致密，更適合作為炭纖維原絲。對(duì)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(dāng)經(jīng)過(guò)250℃熱處理后，兩種纖維的晶區(qū)結(jié)構(gòu)均遭到了比較嚴(yán)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(jìn)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(guò)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(xì)、原絲中MWNTs添加量等因素均對(duì)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(duì)于紡絲工藝A而言，由紡絲工藝B制備的原絲直徑更細(xì)更均勻，由其制得的炭纖維的表面普遍比較光潔，纖維中沒(méi)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(qiáng)度和模量分別比純Lyocell基炭纖維提高70％和116％。
　　 與此同時(shí)，本論文還初步探討了納米級(jí)

11、炭黑、SWNTs添加劑對(duì)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(jìn)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(duì)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(dāng)纖維中碳納米管含量相同時(shí)，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