纤维素基高分子染料的制备及应用探究

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高分子染料是指通过化学反应将小分子染料引入到高分子的主链或侧链上而形成的一类新的有色高分子聚合物,因其具有很多传统小分子染料不具备的优点(耐迁移性高、耐溶剂性好、安全性高),而日益成为研究的热点。目前市面上的高分子染料大多是通过聚合反应制得的聚醚及聚酯类合成高分子染料,以天然高聚物为骨架的生物基高分子染料研究较少。在资源与环境问题日益严重的当下,寻找一种绿色可再生的天然高分子物作为骨架,开发一种更加环境友好的生物基高分子染料,符合当今社会绿色可持续的发展方向,本文旨在开发一种以纤维素大分子链为骨架,具有高染料发色体固着量的纤维素基高分子染料,有望为高分子染料的发展拓宽一些思路。本文的主要研究内容如下:首先探究了木浆板纤维素在二甲基亚砜(DMSO)和辛酸乙酯(EO)二元非均相有机溶剂中的染色工艺,为后续纤维素基高分子染料提供生态的制备方案。相较于水介质中的染色,该溶剂体系没有明显染色饱和值,染料在纤维上的吸附量会随着染液中染料浓度的增加而增加,这为后续更高的固色率提供了基础。通过调节溶剂染色中染色浴比、染料浓度、染色温度、DMSO和EO的比例及染色工艺,纤维素上的染料固着量能达到233.7 mg/g,比传统水体系染色中的最大固色量还要高出21%。染色色深值可达到40,并且无需无机盐促染,该二元溶剂体系在高温下互溶低温下分层的性质,有利于染液的回收和回用,且该无水体系下活性染料不会水解可重复利用。符合绿色染整的发展方向。在此基础上,以染色后的彩色木浆板纤维素为原料,将其溶解在磷酸中,然后经再生及高压均质,制备出纤维素基高分子染料。由透射电子显微镜可知,该高分子染料直径为30-50nm,长度为几微米。通过X射线衍射和红外光谱分析可知,纤维素再生后其晶型由纤维素I型转变为纤维素Ⅱ型,结晶度和聚合度明显降低。同时探究了不同染料接枝量,及不同结构染料对纤维素溶解性能的影响,并对其流变性能进行了测试,结果表明,随染料接枝量的增加,纤维素溶解速度减慢。具有多活性基结构的染料,由于其与纤维素具有交联作用,导致纤维素无法完全溶解。再生纤维素悬浮液表现出类凝胶流体行为,且具有剪切变稀特性。最后对制备的纤维素基高分子染料在聚合物纤维原液着色中的应用进行了一些探究。结果表明,再生纤维素/聚乳酸复合纤维的色深值会随着该纤维素基高分子染料添加量的增加(1-2 wt%)而增加。当该高分子染料的添加量为1 wt%时,再生纤维素/聚乳酸复合纤维的色深值为5.5,当添加量继续增加至2 wt%时,色深值可达8.5。该高分子染料的添加同样可以增加复合纤维的拉伸强力,当该高分子染料的添加量为1 wt%时,再生纤维素/聚乙烯醇复合纤维的断裂强力可达327.8 MPa,较纯的聚乙烯纤维增加了13.6%。再生纤维素/聚乳酸复合纤维的断裂强力为50.3 MPa,较纯的聚乳酸纤维增加了20.6%。当添加量增至2 wt%时,再生纤维素/聚乳酸复合纤维的断裂强力进一步增加至54.4 MPa,较纯的聚乳酸纤维增加了30.6%。本研究制备的纤维素基高分子染料,不仅具有小分子染料的多彩性和高分子材料的可加工性,还兼具纤维素的生物相容和绿色可再生的特点。其开发不仅为高分子染料的发展开拓一些思路,还拓展了纤维素材料的应用范围,具有广阔的发展前景。
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