[发明专利]一种高强度再生纤维素材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高强度再生纤维素材料的制备方法。

背景技术

纤维素是地球上产量最大的天然高分子，具有力学性能优良、生物相容性好、可再生、可生物降解以及易于改性等特点，在现代工业和人类生活中具有广泛的应用。但是纤维素不能熔融加工成型，溶液法一直是加工制备再生纤维素材料的基本方法。其中，粘胶法已经成功应用上百年，在再生纤维素工业中一直占有主导地位。由粘胶法生产的再生纤维素膜(玻璃纸)、长丝和短丝在国民经济中具有重要的应用。粘胶法的工艺原理是：纤维素先与碱反应，成为碱纤维素，然后再与二硫化碳反应，成为纤维素黄原酸酯；纤维素黄原酸酯溶解在氢氧化钠水溶液中，成为粘胶溶液；粘胶溶液经脱泡、过滤后喷成丝或膜，在酸性凝固浴中凝固；酸使纤维素黄原酸酯分解，还原成再生纤维素。粘胶工艺虽然成熟可靠，但是工艺过程中包含着多步化学反应，排污量大，其发展前景受到限制。

直接溶剂法是再生纤维素工业中新兴的工艺路线。纤维素的直接溶剂是指无须经过化学反应就能够溶解纤维素的溶剂。直接溶剂法制备再生纤维素材料的基本流程为：溶解、过滤、成形、凝固、洗涤、烘干。成形的作用是把纤维素溶液按照装置的几何形状加工成丝或膜。由于无须经过反复的化学反应，直接溶剂法生产再生纤维素产品具有工艺流程短、基本无污染物排放的优点，有望从根本上克服传统粘胶工艺路线存在的高能耗、重污染的缺点，因而具有广阔的发展前景。离子液体是纤维素的新型直接溶剂，用离子液体也可以制备不同类型的再生纤维素产品[参见CN101328626A,ZL02155945.7,ZL20041010800.9]。

牵伸处理是纤维工业生产和实验室研究中提高再生纤维素力学性能的常见手段，如在纤维素的直接溶剂法工艺路线的成形、凝固、洗涤等步骤中，往往施加一定的牵伸，以改善产品(纤维或薄膜)的力学性能。但拉伸处理往往在提高制品的拉伸强度的同时造成断裂伸长率降低，而拉伸以外的处理方式对再生纤维素制品的影响尚不明确，生产中也未见实际应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种便于应用的制备高强度再生纤维素材料的方法。该方法主要用于以直接溶剂法制备再生纤维素材料的生产流程中，能够明显提高再生纤维素制品的力学性能，特别是同时提高材料的拉伸强度和断裂伸长率。

本发明所提供的制备高强度再生纤维素材料的方法是采用直接溶剂法，包括下述步骤：溶解、过滤、成形、凝固、洗涤、烘干，其改进在于：在上述凝固步骤后洗涤步骤前，对凝固后得到的处于凝胶态的再生纤维素进行至少一次压榨处理，使凝胶（凝胶态的再生纤维素）中包含的凝固浴流出一部分，凝胶的体积缩小，密度提高，然后再进行正常的洗涤和烘干处理。

经过压榨处理后，凝胶总质量减小10%~60%，优选地，凝胶总质量减小15%~40%。

采用本发明的方法能使再生纤维素制品的强度明显提高，还能使所得的再生纤维素产品在未使用增塑剂时的断裂伸长率达到10%以上。

本发明方法对凝固浴的要求是：包含一定浓度的纤维素溶剂（凝固浴中所含纤维素溶剂与配制纤维素溶液所用的溶剂相同），能使纤维素溶液固化成凝胶，但是未完全凝固。例如，以离子液体1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐为溶剂制备再生纤维素制品时，凝固浴中含有质量浓度为10~85%的1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐的离子液体，其中浓度优选为25~75%。

不论是生产再生纤维素膜还是再生纤维素纤维（包括长丝纤维和短丝纤维），本发明提供的方法都能很方便地应用：令凝固浴含有一定浓度的纤维素溶剂，在凝固浴之后设置一个或几个压力棍，对生产线上的再生纤维素凝胶进行连续地压榨处理。压榨之后再进行正常的洗涤等后处理。

本发明也包括如下技术方案：设置两个或多个含纤维素溶剂的、浓度不同的凝固浴，其中凝固浴中纤维素溶剂的浓度依次降低；在每一道凝固浴后分别进行压榨处理。多步的凝固和压榨处理，也能够提高再生纤维素材料的断裂伸长率和强力。

当采用离子液体/水体系作为凝固浴时，设置的两个或多个凝固浴中离子液体的质量浓度在10~85%的范围内由高到低依次设置，其中优选在25~75%的范围内由高到低依次设置。