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醋酸纤维素的物理化学性质


实验室k / 2018-09-27

       醋酸纤维素又叫醋酸纤维素酯,也叫醋片,是醋酯纤维的原料。醋酸纤维素英文名cellulose acetate,简称CA。结构式为[C6H7O2(OCOCH3x(OH)3-xn,式中n=200~400,x=1.8(醋酸质量含量46%),为一醋酸纤维素;x=2.4(醋酸质量含量54.8%),为二醋酸纤维素;x=3.0(醋酸质量含量62.5%),为三醋酸纤维素。
       醋酸纤维又称醋酯纤维,系指用提纯的纤维素(浆粕)为原料,与醋酸酐反应生成纤维素三醋酸酯,又称初级纤维素醋酸酯(primary cellulose acetate),经部分皂化得到酯化度达240~260的二级纤维素醋酸酯(secondary cellulose acetate),随后用
丙酮为溶剂溶解该二级纤维素醋酸酯制得纺丝液,经过滤后用干法纺丝制得纤维,再经后处理加工即得成品。目前该纤维主要用于制作香烟的过滤嘴,少量长丝供纺织应用领域制作里子布等。
       三醋酸纤维也称三醋酯纤维,系指用提纯的纤维素(浆粕)为原料,经与醋酸酐反应制得的初级纤维素醋酸酯,不经部分皂化直接溶于含有10%~15%乙醇质量分数的
二氯甲烷内而制得纺丝液,用湿纺法纺成纤维,再经后处理加工即得成品。由于三醋酯纤维经受热处理时能诱导结晶,所以热处理能提高该纤维尺寸和赋形的稳定性。该产品主要用于服装业和胶片等领域。

物理性质
      
醋酸纤维素为白色固体,用不同的工艺方法能够将它们制成颗粒、片状或粉末,具有柔韧、透明、光泽好、强度高、韧性好、熔融流动性好、易成型加工、热塑性等特点;对光稳定,不易燃烧;在稀酸、汽油、矿物油和植物油中稳定。醋酸纤维素的物理性质见表8-1。随结合醋酸含量不同,醋酸纤维素的溶解特性也不同,二醋酸纤维素溶于浓盐酸和丙酮,三醋酸纤维素则不溶,它的主要溶剂为二甲基甲酰胺和氯化烃类。
       三醋酸纤维素(CTA)较二醋酸纤维素强韧,拉伸强度几乎大一倍,抗压强度较大,耐热性能也有所提高,并且具有低毒性、低燃性或不燃性、良好的光学性以及平滑性等优点,因此,被广泛应用于电影胶片、照相片基、液晶显示屏起偏振片保护膜、绝缘薄膜隔膜、涂料以及熔融纺丝等行业。

表8-1  醋酸纤维素的物理性质

项目 一醋酸纤维素 二醋酸纤维素 三醋酸纤维素
外观 白色固体 白色固体 白色固体
结合醋酸值/%(质量分数) 44~48 53~56 60~61
黏度/mPa·s 250~600 250~550 25~50
游离酸/%(质量分数)≤   0.01 0.01
透明度/cm                    ≥ 7 10 30
含湿量/%(质量分数)≤ 5 5 2.5
热稳定性/℃                  ≥ 200 200

化学性质
       (1)生物降解和水解改性    醋酸纤维素具有生物降解性。它的生物降解性和取代度(DS)联系在一起。据报道,在利用有氧的污泥处理和堆肥化过程中,DS为3的CA不能生物降解,DS为2.5的可以缓慢降解,而DS<2.2的可以很容易被降解。
       用纤维素酶对醋酸纤维进行处理,通过水解达到醋酸纤维表面的改性,增加其表面积,提高其过滤性能。纤维素酶是催化水解纤维素、生成葡萄糖的酶的总称,是由多组分酶组成的酶系,至少包括3类不同性质的酶,即纤维素内切酶、纤维素外切酶和纤维二糖酶。纤维素内切酶可以沿纤维素分子链随机地水解β-1,4-苷键,而纤维素外切酶主要只能从纤维素大分子链的一端(通常为还原端)切断纤维素分子,并形成纤维二糖或葡萄糖。纤维二糖酶的作用是将纤维二糖水解成葡萄糖,它们协同作用完成整个反应过程。纤维素纤维经过纤维素酶作用后,纤维被减量,纤维素大分子被剥蚀,纤维结晶度、聚合度下降,刚度降低、纤维柔软,纤维摩擦系数增大,从而达到改善纤维表面结构和性能的效果。
       醋酸纤维酯还可以经过生物处理,生物水解得到纤维素,然后将纤维素用于生物乙醇和乙酸的合成。
       在甲苯/醋酸/水系统中,用硫酸做催化剂,醋酸纤维发生部分水解,得到低度取代产品。水解时聚合物链的降解速度,与没有甲苯的工艺相比,在反应的第一阶段降解速度慢,在反应的最后阶段降解速度快。
       (2)取代反应    纤维素的化学构造相当简单。其简单性在于将一个脱水葡萄糖单位(C6H10O5)来作为链装结构中的基件而反复运用。醋酸纤维素酯是由纤维素和醋酸酐中的自由羟基团之间的反应产物。纤维酯化作用就是将纤维素混合于适量的有机酸、酸酐及催化剂中,该混合反应一直可持续到三酯的形成。在三酯状态中的三羟基团的每个脱水葡萄糖单位均为带有机酸的酰基团所取代。如果同时使用两种不同的有机酸,则将形成混合纤维素酯,例如,醋酸-丁酸纤维素酯或醋酸-丙酸纤维素酯。
       (3)共混改性    聚丙烯腈(PAN)与醋酸纤维素(CA)用氯化锂(LiCl)作添加剂,用二甲基乙酰胺(DMAC)作溶剂,可制备(PAN)/CA共混超滤膜,并且可进一步用不同浓度的氢氧化钠乙醇溶液和硫酸(H2SO4)溶液对共混膜进行水解改性。将一定量的聚乙烯醇(PVA)、CA、冰醋酸、水按一定的配方配制成铸膜液,采用相转化法可制备PVA/CA超滤膜。用CA作为第二组分,与偏氯乙烯的均聚物(PVDF)进行共混可制备PVDF/CA超滤膜。


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