离子液体(ionic liquids)又称为室温离子液体(Room Temperature Ionic Liquids)或室温熔盐(Room Temperature Molten Salts)是由特定的有机正离子和无机负离子构成的在室温或者近室温条件下呈液态的熔融盐体系。离子液体具有较宽的液态温度范围、对水和空气稳定、溶解性好、不挥发及易回收等特点,被认为是代替易挥发化学溶剂的绿色溶剂,并逐渐在聚合物材料加工中应用。咪唑性离子液体对纤维素具有良好的溶解性,其作为纤维素溶剂的开发和利用日益受到人们的重视。迄今为此,离子液体用作纤维素溶剂的研究尚处于初级阶段,国内外未见对咪唑型离子液体制备再生纤维素纤维及其应用的详细报道。为此,本论文在研究不同咪唑性离子液体,各种纤维素原料及其溶液流变性能的基础上,探讨了离子液体种类、纤维素浆粕原料、纺丝工艺参数、不同溶解方式等因素对最终所制备的纤维素纤维结构和性能的影响,利用小型工业化纺丝设备制备了新型纤维素纤维并对其各种性能进行了研究。在相对成熟的纺丝工艺条件下,本文利用离子液体成功制备了碳纳米管(CNTs)/纤维素复合纤维,由此拓宽了离子液体法新型纤维素纤维的应用范围。本论文首先选用了目前最具有代表性的两种咪唑性离子液体1-丁基3-甲基咪唑氯盐([BMIM]Cl)和1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐([EMIM]Ac)作为纤维素溶剂,采用带有CCD和热台的偏光显微镜跟踪观察了纤维素原料在离子液体中的溶解过程,利用HAAKE流变仪分析了制备的纤维素/离子液体溶液的流变性能,利用Waters液相凝胶渗透色谱(GPC)分析了纤维素在离子液体加工过程中所发生的降解情况,最后比较了所制备的纤维素纤维的结构和性能。研究发现：[EMIM]Ac和[BMIM]Cl两种离子液体均能在一定条件下直接溶解纤维素,但相比较而言,前者的溶解温度较低；相同温度下,[EMIM]Ac较[BMIM]Cl对纤维素具有更快的溶解速率；90℃时纤维素在[BMIM]Cl中的溶解速率和60℃纤维素在[EMIM]Ac中的溶解速率相近,因此分别选用了90℃和60℃为[BMIM]Cl溶剂和[EMIM]Ac溶剂为纤维素溶解的温度。从纤维素/[EMIM]Ac溶液和纤维素/[BMIM]Cl溶液的流变研究发现,纤维素/[BMIM]Cl溶液在90℃时的流动曲线与纤维素/[EMIM]Ac溶液在60℃的流变曲线相似,因此选用90℃为[BMIM]Cl的纺丝温度,60℃为[EMIM]Ac的纺丝温度。纤维素在用[EMIM]Ac和[BMIM]Cl两种离子液体溶解及纺丝的过程中都有些降解,利用[EMIM]Ac离子液体加工纤维素的过程中纤维素发生的降解相对较小。与相同拉伸速度下制得的[EMIM]Ac法纤维素纤维相比,[BMIM]Cl法纤维素纤维的聚集态结构较完善,结晶度及晶区和非晶区取向度更高些,从而使其力学性能也相对较好,这是由于在气隙中,纤维素/[BMIM]Cl溶液的拉伸粘度大大高于纤维素/[EMIM]Ac溶液所致。在上述研究基础上,本论文选用了离子液体1-丁基3-甲基咪唑氯盐([BMIM]Cl)作为后续研究的纤维素溶剂。为了探讨了纤维素原料性质对所制备离子液体法新型纤维素纤维性能的影响,本文选用了五种性质不同的纤维素浆粕,研究纤维素浆粕种类对纤维素/离子液体溶解、流变以及纤维性能的影响。结果表明：纤维素的相对分子质量(或聚合度)越高,α-纤维素含量越大,溶解过程对温度依赖性越强,所制备的纤维素/离子液体溶液的临界剪切速率小,切力变稀趋势明显,同时溶液的粘流活化能越高,弹性越大。因此,采用较高相对分子质量和α-纤维素含量的纤维素原料制备离子液体法新型纤维素纤维时,应注意合理选择纤维素的溶解工艺以及稳定控制纺丝温度等纺丝条件。纤维素原料的相对分子质量相对于α-纤维素含量而言对纺丝液的纺丝性能影响更大一些,浆粕相对分子质量越高,所制备的溶液的纺丝性能越差；当原料的α-纤维素含量接近时,纤维的纺丝性能随原料中原料相对分子质量的减小而改善；纤维的力学性能随着纤维素浆粕的相对分子质量和α-纤维素含量的增大而提高;纤维素浆粕原料的相对分子质量相对于α-纤维素含量而言对纤维力学性能的影响更大一些,原料相对分子质量越高,所得纤维的力学性能越好。综合考虑不同纤维素浆粕对其在离子液体中的溶解、流变性能、纺丝性能和力学性能的影响,可以选择相对分子质量适中,α-纤维素含量较高的棉浆粕作为离子液体法纤维素纤维制备的浆粕原料。为了探讨不同纺丝工艺参数对离子液体法新型纤维素纤维的影响,本论文研究了干湿法纺丝过程中气隙长度、喷头拉伸比、凝固浴温度和凝固浴浓度对纤维性能的影响,并利用正交试验法综合比较了工艺参数对纤维力学性能的影响程度。在此基础上,选用了优化后的工艺参数在小型工业纺丝机上制备了纤维素纤维,比较了离子液体法纤维素纤维与Lyocell纤维在原纤化以及染色性能上的差异。在实验范围内的结果表明：随着气隙长度增大、凝固浴温度和凝固浴浓度的升高,纤维的断裂强度和初始模量先增大后减小,而纤维的断裂伸长先减小后增大；纤维的断裂强度和初始模量随着喷头拉伸比的增大而增大。通过对纺丝过程中各个工艺的正交试验法研究表明：凝固浴温度和喷头拉伸比对纤维的拉伸强度和初始模量的影响最为显著,气隙对纤维的断裂伸长率影响最大。利用振荡法和湿摩擦值法测试离子液体法纤维素纤维和Lyocell纤维的原纤化结果表明,离子液体法纤维素纤维有较明显的原纤化现象,其抗原纤化性能和Lyocell纤维相近；纤维的染色实验结果表明,离子液体法纤维素纤维对活性染料有较好的上染性,纤维的吸色率和固色率与Lyocell纤维相近,染色后纤维的颜色较Lyocell更深。在实验的过程中发现,以离子液体为溶剂采用直接溶解的方法制备的纺丝浆液中存在尚未溶解充分的固体小颗粒和凝胶,这些未溶物影响了纺丝液的纺丝性能,降低了纺丝效率。为了制备溶解充分、均匀的纺丝液,提高纤维素/离子液体溶液的纺丝性能,本论文采用了先将纤维素浆粕在离子液体水溶液中充分溶胀后再溶解的溶解新工艺,利用HAAKE流变仪分析了不同溶解方式制备的纤维素/离子液体溶液的流变性能,利用不同溶解方式制备了纤维素纤维,实验结果表明：当离子液体水溶液中含水浓度小于1%时,纤维素在其中很快溶解,没有发生明显的溶胀现象；当含水浓度为2-5%时,纤维素在离子液体水溶液中发生了非均相溶胀,但没有发生明显的溶解现象；当含水浓度大于6%,纤维素在离子液体水溶液中没有发生明显的溶胀现象。纤维素在含水量为2%-5%离子液体水溶液中,相同温度条件下,纤维的最大溶胀比随着含水浓度的升高而逐渐减小；相同含水浓度条件下,纤维达到最大溶胀比的时间随着温度的升高而减小。采用含水离子液体溶胀后溶解制备的纤维素/离子液体纺丝液质量均匀,流动性能好,制备的纺丝液在纺丝的过程中断头次数少,可纺性能好,所得到的再生纤维素纤维具有较好的机械性能。为了拓宽离子液体法新型纤维素纤维的应用范围,本论文还采用了处理后的碳纳米管(CNTs)制备了CNTs/:纤维素复合纤维。首先探讨了碳纳米管的不同处理方式对其在离子液体分散的影响,利用单孔纺丝机制备了CNTs/纤维素纤维并研究了CNTs浓度对纤维结构和性能的影响,在此基础上采用了小型工业化纺丝设备制备了复合纤维,实验结果表明：采用硝酸纯化,然后用SDBS(十二烷基苯磺酸钠)功能化处理,并进一步进行将CNTs与离子液体研磨的处理方式可以促使CNTs在[BMIM]Cl体系中分散并具有较好的稳定性；当纺丝原液中CNTs的含量较高时,CNTs/纤维素／离子液体纺丝液可纺性相对较差,当CNTs含量为1%时,可以制备力学性能最好的CNTs/纤维素复合纤维；添加CNTs后减小了纤维的体积电阻率,提高了纤维的导电性,随着CNTs添加浓度的增大,纤维的体积电阻由原来抗静电范围跃升到半导体范围；利用带有计量泵的小型工业化多孔纺丝机制备的1%多壁碳纳米管(MWCNTs)含量的MWCNTs/纤维素复合纤维的断裂强度和初始模量分别比未添加MWCNTs的纤维提高了21.2%和39.3%,热分解温度提高了12.1℃,相同条件下制备的含1%单壁碳纳米管(SWCNTs)含量的SWCNTs/纤维素复合纤维的断裂强度和初始模量分别比未添加SWCNTs的纤维提高了37.2%和61.3%,热分解温度提高了18.3℃。由本论文上述研究表明,利用咪唑性离子液体1-丁基3-甲基咪唑氯盐([BMIM]Cl)为纤维素溶剂,采用α-纤维素含量高,相对分子质量适中的纤维素浆粕；选用先使纤维素充分溶胀然后溶解的溶解方式并控制合适的纺丝工艺参数,可以制备性能较好的新型纤维素纤维；并且,利用咪唑型离子液体可以制备力学性能、电学性能、热学性能较好的碳纳米管/纤维素复合纤维,有较高的工艺应用前景。