[发明专利]纤维素原位化学改性及其增塑熔体纺丝方法

说明书

技术领域

本发明属于高分子材料的新型绿色加工改性领域，涉及纤维素在高温挤出过程中的原位化学改性及其增塑纺丝方法。

背景技术

纤维素是世界上来源最丰富的天然高分子材料之一，具有可生物降解和环境适应性好等优点，但是纤维素分子间和分子内都存在大量氢键，具有较强的极性，使其既不能溶于普通溶剂也能不在高温下熔融，严重影响了纤维素的加工性能。世界各国的研究人员对纤维素采用了各种物理的或化学的改性方法，以期降低纤维素的极性，从而改善纤维素的加工性能、扩大纤维素的应用领域。

对纤维素改性主要有三个途径：纤维素交联、纤维素衍生物和纤维素接枝共聚等。利用纤维素的羟基作为反应点，将小分子或者大分子连接到纤维素骨架上，所得的纤维素改性物既保持了原有的纤维素骨架结构，又同时对纤维素表皮赋予了合成高分子材料的性能，具有亲水性好、可生物降解等优点，可用作高吸水性材料、絮凝剂、造纸助剂、油田化学材料等，在生理卫生、农林园艺、土木建筑、日用化工、保鲜和医药等方面有广泛的应用价值。

但是大多数的纤维素结构改性在特殊溶剂中进行，采用的溶剂包括CS₂/NaOH/水、多聚甲醛/二甲亚砜等在纤维素溶解过程中会产生大量有毒气体、重金属盐以及其他一些有害污染物，造成环境污染，损害人类健康。哪怕是一些近年来重点研究的新型溶剂包括N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)、氯化锂/二甲基乙酰胺(LiCl/DMAc)等溶剂也存在一定的问题，例如溶剂价格高、溶解条件苛刻、溶解时有反应副产物生成以及回收困难等问题。相对于以上提到的各种溶剂而言，随着研究技术日趋成熟，离子液体将是它们的理想替代品。离子液体的无味、无污染、不易燃、易与产物分离、易回收、可反复多次循环使用等优点，离子液体一般不会形成蒸汽，所以即使在高温下也不会产生有害气体，是环境友好的绿色溶剂。常见的离子液体主要由烷基吡啶或双烷基咪唑季铵阳离子与BF₄^-、PF₆^-、NO₃^-、X^-等阴离子组成。

本发明以离子液体作为反应介质，采用同向双螺杆挤出机，选择合适的改性剂与纤维素羟基发生一系列化学反应，对纤维素进行原位化学改性，然后直接进行熔融增塑纺丝，纤维素经过改性后，纺丝液固含量明显提高。采用本发明的加工改性工艺，一方面可以获得易于加工成型、高效绿色清洁化的改性纤维素纤维，促进传统纤维素纤维的生产朝着环境友好型和资源节约型方向发展，另一方面，由于是熔融纺丝，纤维素能像聚酯那样制造出异性纤维、复合纤维以及各种旦数的纤维，而且成形收缩率小，纤维截面均匀性高，还能保持现有纤维素纤维的吸湿排汗性、常压可染性以及深染性等特点，扩大其在衣料、家纺、卫生用品、工业产品等领域的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纤维素原位化学改性及其熔融增塑纺丝的方法。利用同向双螺杆挤出机的高温高剪切作用提高纤维素在离子液体中的溶解度，同时利用纤维素原位化学改性降低纤维素分子间和分子内的作用力，从而实现熔融增塑纺丝。

为了达到上述目的，本发明提供了一种纤维素原位化学改性及其熔融增塑纺丝的方法，其特征在于，具体步骤包括：

第一步：将纤维素真空干燥，将真空干燥后的纤维素、改性剂和离子液体混合均匀，得到混合物；

第二步：采用双螺杆挤出机将第一步所得的混合物挤出，进入纺丝组件中通过喷丝板进行纺丝，将所得的纤维经过水槽水洗后，通过纺丝组件进行拉伸、缠绕，得到改性纤维素纤维。

优选地，所述第一步中的纤维素为棉纤维素，聚合度在300-600，干燥温度为50-80℃，真空度为90-130Pa，时间为12-36h。

优选地，所述第一步中在混合前，将改性剂也进行真空干燥，干燥温度为50-80℃，真空度为90-130Pa，时间为12-36h。

优选地，所述第一步中的离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑氯盐([BMIM]Cl)或1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐([EMIM]Ac)。

优选地，所述第二步中的双螺杆挤出机为同向双螺杆挤出机，其螺杆长径比为1∶35-1∶55，挤出温度为80-180℃，螺杆转速为40-100rpm，挤出压力为3-5MPa，真空泵压力0.8-1MPa。

优选地，所述第二步中的纺丝温度为150-180℃，缠绕速度为500-650rpm。