棉織物的離子液體溶解法回收

呂芳兵，張傳杰，王潮霞，朱 平

(1.生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))，江蘇 無(wú)錫 214122;2.武漢紡織大學(xué)生物質(zhì)纖維與生態(tài)染整湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430073;3.青島大學(xué)纖維新材料與現(xiàn)代紡織國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266071)

棉織物的離子液體溶解法回收

呂芳兵1，2，張傳杰2，王潮霞1，朱 平3

(1.生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))，江蘇 無(wú)錫 214122;2.武漢紡織大學(xué)生物質(zhì)纖維與生態(tài)染整湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430073;3.青島大學(xué)纖維新材料與現(xiàn)代紡織國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266071)

采用2種咪唑氯鹽類離子液體溶解回收棉織物，比較棉織物在2種離子液體中不同溫度下的溶解度。研究溶解溫度對(duì)溶解時(shí)間和再生纖維素聚合度的影響，表征不同溶解時(shí)間下再生纖維素膜的結(jié)構(gòu)及性能。結(jié)果表明，該方法可有效地回收再利用棉織物，110℃下1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽溶解質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的棉織物再生纖維素膜表面平整，結(jié)構(gòu)致密，斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別為38.5 MPa和6%。隨著溶解時(shí)間的延長(zhǎng)，再生纖維素膜結(jié)晶度不斷降低，熱穩(wěn)定性變差，力學(xué)性能也隨之下降。

離子液體;棉織物;回收;溶解度;斷裂強(qiáng)度

棉織物具有良好的吸濕性透氣性，被廣泛應(yīng)用于服裝和家用紡織品等領(lǐng)域［1－2］。填埋或焚燒廢舊紡織品，不僅造成環(huán)境污染而且導(dǎo)致可用資源的浪費(fèi)。對(duì)于棉纖維的回收，一般是將其處理后用于非織造布和再紡紗產(chǎn)品［3］。目前，利用棉織物制備纖維素衍生物及能源產(chǎn)品［4－5］，以及從棉織物中提取微晶纖維素［6］并應(yīng)用于復(fù)合材料的增強(qiáng)基［7－8］等回收方法被廣泛研究開發(fā)。

作為一種直接再生回收方法，將纖維素經(jīng)溶解后重新紡絲，得到綜合天然纖維素纖維和合成纖維特點(diǎn)的再生纖維制備服裝及衛(wèi)生用品［9］，是回收棉織物的理想選擇［10］。纖維素內(nèi)部大量結(jié)晶結(jié)構(gòu)的存在以及分子間與分子內(nèi)的氫鍵作用，使得溶劑和反應(yīng)試劑對(duì)纖維素的可及度較低，從而制約了纖維素的資源化利用。離子液體是由特定陽(yáng)離子和陰離子構(gòu)成的在室溫或近于室溫下呈液態(tài)的物質(zhì)，具有強(qiáng)極性、不揮發(fā)、不易氧化、良好的溶解性能和對(duì)絕大部分試劑穩(wěn)定等優(yōu)良特性，是一種極具應(yīng)用前景的溶劑［11］。且咪唑氯鹽類離子液體可作為纖維素的直接溶劑，其中又以 1-丁基-3-甲基咪唑氯鹽(［BMIM］C1)和1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽(［AMIM］CI)的溶解能力最為突出。本文選用離子液體［AMIM］Cl和［BMIM］Cl溶解棉織物，研究棉織物的溶解性能和再生纖維素膜的結(jié)構(gòu)性能，實(shí)現(xiàn)棉織物的回收再利用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料與試劑

棉織物;氫氧化鈉;1-烯丙基-3-甲基咪唑氯鹽(［AMIM］Cl);1-丁基-3-甲基咪唑氯鹽(［BMIM］Cl)。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

JJ-1型強(qiáng)力電動(dòng)攪拌機(jī)，江蘇省金壇市岸頭國(guó)瑞實(shí)驗(yàn)儀器廠;YP電子天平，上海光正醫(yī)療儀器有限公司;小型強(qiáng)力粉碎機(jī)，浙江武義屹立工具有限公司;DF-101s集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，河南鞏義市予華有限責(zé)任公司;DZF-6020型真空干燥箱，上海索譜儀器有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 棉織物預(yù)處理

將純棉織物放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的氫氧化鈉溶液中于80℃處理2 h，除去織物表面的雜質(zhì)及油脂，取出后常溫下放入蒸餾水中沖洗并浸泡一定時(shí)間，濾去蒸餾水，烘干后放入小型粉碎機(jī)中進(jìn)行粉碎，待用。

1.3.2 棉織物溶解

取一個(gè)三口燒瓶加入10g充分干燥的離子液體，80℃下每次加入0.05 g棉織物并不斷攪拌，待加入的棉織物完全溶解后，再繼續(xù)添加0.05 g棉織物，以此類推，連續(xù)攪拌24 h，不能完全溶解時(shí)停止加入棉織物并濾出未溶解成分，得到均一穩(wěn)定的纖維素溶液。

根據(jù)以上方法分別進(jìn)行90、100、110、120℃下的溶解實(shí)驗(yàn)。

1.3.3 纖維素再生

取過濾后纖維素溶液平鋪在聚四氟乙烯板上，刮膜，放入蒸餾水中凝固成型，待離子液體完全溶于凝固浴中，將膜取出后放入冰箱中預(yù)凍，然后再放入冷凍干燥機(jī)中進(jìn)行干燥，得到固態(tài)的再生纖維素膜。

1.4 分析測(cè)試

1)采用Nicolet 380型傅里葉變換紅外光譜儀進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試條件為:KBr壓片法，室溫下掃描范圍4000～500cm－1。

2)采用JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察，測(cè)試電壓為15 kV，放大倍數(shù)為500～1000。

3)采用X'Per PRO型X射線衍射儀進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試條件為:銅靶Ni過濾，管電壓45 kV，管電流30 mA，掃描速度5(°)/min，掃描范圍 5°～45°。

4)用制備的銅氨溶液溶解棉纖維及再生纖維素，采用烏式黏度計(jì)法在20℃下測(cè)試棉纖維及再生纖維素膜的聚合度。

5)采用TG209熱重分析儀進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試條件為:N2保護(hù)，以10℃/min的升溫速率從50℃升溫至600℃。

6)采用WDW萬(wàn)能電子材料試驗(yàn)儀進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試條件為:將再生纖維素膜剪成尺寸為10mm×50mm的樣品，夾距30mm，拉伸速度5mm/min，每個(gè)樣品測(cè)試5次，取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 棉織物在離子液體中的溶解

表1示出不同溶解溫度下，棉織物在2種咪唑型離子液體中的溶解度。

表1 棉織物在［AMM］Cl和［BMIM］Cl中不同溫度下的溶解度Tab.1 Dissolution concentrations of waste cotton fabrics in［AMIM］Cl and［BMIM］Cl at various temperatures

由表1可知，［AMIM］Cl和［BMIM］Cl對(duì)棉織物均具有一定的溶解能力，且棉織物溶解度均隨溶解溫度的升高而增加。在相同溫度下，纖維素在［AMIM］Cl中的溶解度高于其在［BMIM］Cl中的溶解度，表明［AMIM］Cl對(duì)纖維素的溶解能力強(qiáng)于［BMIM］Cl。［AMIM］Cl和［BMIM］Cl陰離子相同，其中［AMIM］Cl陽(yáng)離子含具有碳碳雙鍵的烯丙基，使得其體積小于［BMIM］Cl陽(yáng)離子體積，從而有利于進(jìn)攻纖維素羥基上的氧原子，此外烯丙基中雙鍵的存在增加了［AMIM］Cl陽(yáng)離子的缺電子程度，且增強(qiáng)了陽(yáng)離子與纖維素羥基氧原子核外孤對(duì)電子的相互作用，使得［AMIM］Cl對(duì)纖維素的溶解能力強(qiáng)于［BMIM］Cl［12－13］，因此本文選擇［AMIM］Cl溶解回收棉織物。

2.2 溶解溫度對(duì)溶解時(shí)間和聚合度的影響

圖1示出不同溶解溫度下棉織物的完全溶解時(shí)間和再生纖維素膜的聚合度。

圖1 溶解溫度對(duì)溶解時(shí)間和聚合度的影響Fig.1 Influences of temperature on dissolution time and degree of polymerization

如圖1所示，再生纖維素膜溶解時(shí)間和聚合度隨溶解溫度的升高而不斷降低，纖維素經(jīng)離子液體溶解再生后發(fā)生降解，當(dāng)溶解溫度達(dá)到120℃時(shí)，溶解時(shí)間由80 min縮短至35 min，纖維素聚合度由727降為369。隨著溫度的升高，更多的纖維素大分子間氫鍵發(fā)生斷裂，分子間作用力不斷降低。［AMIM］+作用于纖維素分子鏈中的 β-1，4-糖苷鍵中的氧原子，同時(shí) Cl－與 β-1，4-糖苷鍵中的碳原子間產(chǎn)生相互作用力，導(dǎo)致纖維素大分子內(nèi)β-1，4-糖苷鍵的斷裂，進(jìn)而纖維素大分子鏈的斷裂，使得纖維素發(fā)生降解［14］，因此再生后纖維素膜的聚合度較低。此外，溶液體系中產(chǎn)生的自由基能夠加快纖維素的羥基斷裂，促進(jìn)纖維素的降解，且在氧氣存在時(shí)會(huì)產(chǎn)生氧化性的自由基(—OO，—HOO)，與纖維素發(fā)生氧化反應(yīng)后自然也會(huì)促進(jìn)纖維素的降解［15］。

2.3 棉織物再生后的結(jié)構(gòu)與性能

2.3.1 表面結(jié)構(gòu)

圖2示出棉織物經(jīng)［AMIM］Cl溶解再生制備的纖維素膜表面和斷面的SEM照片。

圖2中未見孔洞結(jié)構(gòu)，且再生纖維素膜表面平整，截面從內(nèi)部到表面致密均勻，表明纖維素完全溶解于［AMIM］Cl中，形成均一穩(wěn)定的溶液體系，經(jīng)凝固浴再生后制得結(jié)構(gòu)致密的纖維素膜。

圖2 再生纖維素膜的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM images of regenerated cellulose films.(a)Surface(×500);(b)Section(×500);(c)Section(×1000)

2.3.2 化學(xué)結(jié)構(gòu)

原棉織物和再生纖維素膜的紅外譜圖如圖3所示。由圖可知再生纖維素膜與原棉織物的紅外譜圖幾乎一致，表明纖維素在［AMIM］Cl和［BMIM］Cl溶解過程中沒有發(fā)生衍生化反應(yīng)。經(jīng)［AMIM］Cl和［BMIM］Cl溶解再生纖維素膜在890cm－1處出現(xiàn)一個(gè)新的小吸收峰，由CH2和C—O—H的變形振動(dòng)產(chǎn)生，表明纖維素經(jīng)離子液體溶解再生后其結(jié)晶類型由纖維素I型轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維素II型。纖維素在［BMIM］Cl中的溶解機(jī)制可能為電子-給體-受體(EDA)原理，其中作為給電子體的陰離子Cl－和作為受電子體的陽(yáng)離子［BMIM］+分別與纖維素羥基上的氫原子和氧原子發(fā)生作用［16］。對(duì)于離子液體［AMIM］Cl溶劑，纖維素在其中可能的溶解機(jī)制為:在加熱條件下［AMIM］Cl中的離子對(duì)發(fā)生解離，形成游離的［AMIM］+和 Cl－，游離的陽(yáng)離子［AMIM］+和纖維素大分子鏈中羥基上的氧原子作用，而陰離子Cl－和纖維素大分子鏈中羥基上的氫原子形成離子鍵，破壞了纖維素大分子間的氫鍵，從而導(dǎo)致纖維素的溶解［17］。

圖3 原棉織物和再生纖維素膜的紅外光譜圖Fig.3 FT-IR spectra of original cotton fabric and regenerated cellulose films

2.3.3 結(jié)晶性能

在棉織物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%，溶解溫度為110℃的條件下，研究溶解時(shí)間對(duì)再生纖維素膜結(jié)晶性能的影響。圖4示出不同溶解時(shí)間下再生纖維素膜的XRD圖譜。

圖4 不同溶解時(shí)間下再生纖維素膜的XRD圖譜Fig.4 XRD patterns of regenerated cellulose films with different dissolution time

由圖4可見，原棉織物在2θ=15.18°(110)、16.76°(110)、23.08°(200)和34.86°處具有明顯的特征衍射峰，而經(jīng)離子液體溶解再生后主要在2θ=14.76°(110)、20.08°(110)和 22.65°(200)處有特征峰，表明棉織物經(jīng)離子液體回收再生后晶型由纖維素I轉(zhuǎn)化為纖維素II。由于離子液體對(duì)氫鍵的影響，纖維素分子鏈從平行鏈結(jié)構(gòu)變成反平行鏈結(jié)構(gòu)，角鏈上的—CH2OH側(cè)基由tg構(gòu)象轉(zhuǎn)變成gt構(gòu)象，分子間及分子內(nèi)氫鍵相互作用減弱，分子間距增加，從而引起了衍射峰向更低角度位移［18］。

隨著溶解時(shí)間的延長(zhǎng)，再生纖維素膜的特征衍射峰強(qiáng)度逐漸減弱，表明其結(jié)晶度不斷下降。［AMIM］Cl進(jìn)入纖維分子鏈間，Cl－作用于H—O—H鍵中的羥基質(zhì)子，同時(shí)［AMIM］+與H—O—H鍵中的氧原子發(fā)生作用［19］。離子液體破壞了纖維素大分子間以及分子內(nèi)的氫鍵，從而影響再生后纖維素的結(jié)構(gòu)規(guī)整性和結(jié)晶性能。

2.3.4 熱穩(wěn)定性能

固定棉織物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%，溶解溫度為110℃，改變?nèi)芙鈺r(shí)間，研究不同溶解時(shí)間回收再生后纖維素的熱穩(wěn)定性，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同溶解時(shí)間下再生纖維素膜TGA曲線Fig.5 TGA curves of regenerated cellulose films with different dissolution time

隨著溶解時(shí)間的延長(zhǎng)，再生纖維素素膜的熱穩(wěn)定性能明顯降低。在50～100℃之間，樣品發(fā)生輕微的質(zhì)量損失是由于樣品中水分的蒸發(fā)導(dǎo)致的。原棉織物的起始分解溫度為290℃，而溶解1 h后再生纖維素膜在270℃就開始熱分解，起始分解溫度下降20℃，并且隨著溶解時(shí)間的延長(zhǎng)，起始分解溫度逐漸降低。其原因在于離子液體溶解回收棉織物過程中，隨著溶解時(shí)間的延長(zhǎng)，更多的纖維素分子間氫鍵發(fā)生斷裂，減小分子間作用力降低，使得再生纖維素膜起始分解溫度不斷降低。溶解時(shí)間越長(zhǎng)，再生后纖維素膜的結(jié)晶度越低，無(wú)定形區(qū)比例越高，再生后纖維素?zé)岱€(wěn)定性能越差［20］。

2.3.5 力學(xué)性能

在棉織物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%，溶解溫度為110℃的條件下，研究溶解時(shí)間對(duì)再生纖維素膜力學(xué)性能的影響，結(jié)果如圖6所示。

圖6 溶解時(shí)間對(duì)再生纖維素膜力學(xué)性能的影響Fig.6 Influences of dissolution time on mechanical properties of regenerated cellulose films

如圖6所示，再生纖維素膜的斷裂強(qiáng)度隨溶解時(shí)間的延長(zhǎng)而降低。當(dāng)溶解時(shí)間為1 h時(shí)，斷裂強(qiáng)度達(dá)到38.5 MPa，同時(shí)斷裂伸長(zhǎng)率為6%，表明經(jīng)離子液體溶解法回收棉織物再生后的纖維素膜具有較好的力學(xué)性能。溶解時(shí)間延長(zhǎng)至5 h，斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別顯著下降至12.8 MPa和3.2%。隨著溶解時(shí)間的延長(zhǎng)，纖維素在離子液體中的降解加劇，結(jié)晶度降低，纖維素膜脆性增加，易發(fā)生斷裂。當(dāng)受外力拉伸時(shí)，應(yīng)力較易集中，形成斷裂脆弱點(diǎn)，從而降低了斷裂強(qiáng)度。

3 結(jié)論

［AMIM］Cl對(duì)纖維素溶解能力強(qiáng)于［BMIM］Cl，且纖維素在2種離子液體中的溶解度隨溫度升高而增加。［AMIM］Cl溶解棉織物，隨溶解溫度的升高，溶解時(shí)間和再生纖維素聚合度不斷下降。纖維素再生結(jié)構(gòu)均勻致密，但結(jié)晶度和熱穩(wěn)定性較原棉織物降低，且隨著溶解時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷降低。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的棉織物110℃下溶解1 h時(shí)，再生纖維素膜的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別為38.5 MPa和6%，具有較好的力學(xué)性能。

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Recycling of cotton fabrics by ionic liquid dissolution process

Lü Fangbing1，2，ZHANG Chuanjie2，WANG Chaoxia1，ZHU Ping3
(1.Key Laboratory of Eco-Textiles(Jiangnan University)，Ministry of Education，Wuxi，Jiangsu 214122，China;2.Key Laboratory of Biomass Fibers and Eco-Dyeing ＆ Finishing in Hubei Province，Wuhan Textile University，Wuhan，Hubei430073，China;3.State Key Laboratory of New Fiber Materials and Modern Textiles，Qingdao University，Qingdao，Shandong 266071，China)

Cotton fabrics were recycled by dissolving in two kinds of imidazole chloride salt ionic liquids.The dissolution concentrations of cotton fabrics in the two kinds ionic liquids were compared at various temperatures.Influences of dissolving temperature on dissolving time and degree of polymerization were investigated.The structure and properties of the regenerated cellulose films with different dissolving time were also characterized.The results showed that the cotton fabrics can be effectively reclaimed by this method.The surface of the regenerated cellulose film from cotton fabric with mass fraction of 4%dissolving in 1-allyl-3-methylimidazolium chloride at 110℃ was neat with compact and uniform fracture，and the breaking strength and elongation of the film were 38.5 MPa and 6%，respectively.The crystallinity and thermostability decreased with the prolongation of dissolving time，and then mechanical property accordingly decreased.

ionic liquid;cotton fabric;reclaim;dissolution concentration;breaking strength

TS 131.9

A

10.13475/j.fzxb.20140406306

2014－04－24

2014－12－18

呂芳兵(1986—)，女，博士生。研究方向?yàn)閺U棄紡織材料再利用及機(jī)制研究。王潮霞，通信作者，E-mail:wchaoxia@sohu.com。