摘要
纤维素是自然界中产量最丰富的天然聚合物，具有力学性能好、热稳定性高等优点，应用前景广泛。然而，纤维素分子量大、结晶度高、氢键网络强及两亲性导致其分子链运动困难，难以溶解和熔融加工，大幅限制了其应用范围。为此，本文利用氯化1-丁基-3-甲基咪唑（1-Butyl-3-methylimidazolechloride，BmimCl）和氯化锂作为增塑剂，增塑纤维素粉末，并通过反复辊压破坏纤维素结晶区域，提高其分子链运动能力，制备出增塑纤维素混合物（Plasticizedcellulosecompounds,PCC）薄膜，最后通过水浴再生法去除BmimCl和氯化锂，得到高性能的再生纤维素薄膜。本文系统研究了增塑辊压的成形工艺、成形过程中微观结构演化机理以及再生纤维素薄膜的性能，主要工作如下： 开发出一种纤维素的增塑辊压成形工艺。分析了不同因素下纤维素的增塑辊压成形结果，并与纯辊压和基于溶解体系的湿法加工的成形结果比较，发现该工艺解决了在纯辊压过程中纤维素分子链无法充分扩散成形的难题，并将纤维素含量从湿法加工的约5wt.%提高到70wt.%，实现了高效成形纤维素。其次，通过分析不同辊压时间下纤维素颗粒的形貌和结晶态变化，发现了BmimCl的增塑作用和辊压在破坏纤维素结晶区域和提高纤维素成形性上存在耦合作用。最后，基于溶剂化增塑原理，建立了纤维素的增塑辊压模型，深入分析了辊压时间、增塑剂含量和溶解度因素下纤维素区域内增塑剂的浓度分布，并预测了PCC的流动能力。 分析了不同因素下PCC的流变特性，确立了成形PCC薄膜的工艺窗口。采用毛细管流变仪表征了PCC的流变特性，并与纤维素溶液和常见塑料低密度聚乙烯（Lowdensitypolyethene,LDPE）进行对比，发现相比于纤维素溶液，PCC的黏度增加了4个数量级，且具有更明显的非牛顿特性，与LDPE熔体性质更接近。其次，研究了不同因素对PCC流变特性的影响，发现优化材料组分（增加BmimCl和氯化锂含量、降低含水量）、适当增加温度及缩短辊压时间可以将PCC黏度降低1个数量级。最后，通过全因素实验，确定成形PCC薄膜工艺窗口，制备出厚度均匀的PCC薄膜。 揭示了成形过程中纤维素粉末、PCC薄膜和再生纤维素薄膜的材料成分和微观结构演化规律。红外吸收光谱和X射线光电子能谱的结果表明，PCC薄膜中纤维素和增塑剂没有发生化学反应，再生纤维素薄膜中增塑剂去除干净。扫描电镜结果表明加入BmimCl和氯化锂可以减小颗粒的尺寸，并使其形状趋于球形化。5g纤维素粉末，5gBmimCl和2g氯化锂制备的再生纤维素薄膜中颗粒尺寸从粉末的25μm下降至100nm，形状从长径比＞5的棒状变成球形。X射线衍射仪测试结果表明，加入BmimCl和氯化锂先使PCC薄膜的结晶度大幅降低，后在再生纤维素薄膜中小幅增加。其次，纤维素晶型从I型纤维素转为Ⅰ型和Ⅱ型纤维素共存状态。即微观结构从微米级棒状的Ⅰ型纤维素颗粒加工成亚微米级球形的Ⅰ型和Ⅱ型纤维素共存的颗粒。 表征了再生纤维素薄膜的拉伸性能、热稳定性及透光率，建立了其微观结构和性能之间的关系。单向拉伸结果表明相比于PCC薄膜，再生纤维素薄膜拉伸性能大幅提升。再生纤维素薄膜的拉伸强度达94±3MPa，弹性模量达10.5±1.2GPa，断裂伸长率达2.2±0.8%。其次，增塑辊压过程中加入BmimCl越多，再生后薄膜的拉伸性能越高，其主要机理是界面质量的提高。热失重分析结果表明再生纤维素薄膜的热分解温度比PCC提升了50℃，比其他方法制备的再生薄膜提升64℃，证明了该工艺制备的薄膜具有高热稳定性，且BmimCl含量和氯化锂含量对热分解温度的影响小于10℃。透光率结果表明加入BmimCl和氯化锂提升了再生纤维素薄膜的透光率，分析模型发现高透光率源于抑制了界面散射。即降低薄膜内颗粒尺寸和结晶度，小幅降低薄膜的拉伸强度和热稳定性，但是大幅提升透光率。 本文开发出一种纤维素的增塑辊压成形工艺方法，探明了PCC的流变特性及成形过程中微观结构演化机理，对高效成形高性能纤维素材料，扩大纤维素的应用范围具有重要意义。
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