离子液体与纤维素纺丝后处理优化方案

（一）离子液体/纤维素纺丝

目前，离子液体/纤维素纺丝可采用两种方法进行。其一，是采用常规的溶解釜溶解后经脱泡、过滤，并经干湿法纺丝制备出纤维素纤维；其二，是通过双螺杆挤出机将离子液体/纤维素浆粥直接进行溶解、脱泡、过滤，然后经过干湿法纺丝制备出纤维素纤维，该方法获得的纤维素溶液质量分数较高。国内从事相关工作的单位包括中国科学院化学研究所、天津工业大学、东华大学、中国纺织科学研究院、恒天海龙新材料有限责任公司、恒天天鹅有限责任公司等。其中恒天海龙新材料有限责任公司及恒天天鹅有限责任公司均建设了上述试验线。

需要指出的是，离子液体对金属尤其是铁具有较强的腐蚀性，为防止纺丝线上设备腐蚀，必须对设备提出特殊的防腐要求。

纺丝工艺包括离子液体种类、纤维素相对分子质量及其分布、纺丝液浓度、凝固浴浓度及温度、气隙长度、卷绕速度等，这些条件决定了纤维素纤维的力学性能。

2005年，Laus等[111]利用离子液体[BMIM]Cl和[AMIM]Cl作为纤维素溶剂，借鉴Lyocell纤维的制备工艺，首次实现了离子液体为溶剂制备再生纤维素纤维。纤维素聚合度1175，离子液体为[BMIM]Cl，溶解温度105℃，真空度30mbar的条件下，制备的再生纤维素纤维强度最高，达到3.79cN/dtex，断裂伸长率为11.3%。2006年，Hermanutz等[112]以[EMIM]OAc为溶剂制备再生纤维素纤维，纤维强度为3.0～3.5cN/dtex。Hermanutz等[113]还对比了离子液体种类对纺丝工艺的影响，相比于[BMIM]Cl、[EMIM]OAc黏度低，溶解能力强，纺丝液的黏度可以通过温度和纤维素浓度条件调节，便于灵活调控纺丝工艺。

不同的离子液体制备的纤维力学性能也有所不同。Kosan等[114]研究了离子液体（[BMIM]Cl、[EMIM]Cl、[BMIM]OAc、[EMIM]OAc）与NMMO分别为溶剂制备的纤维素纤维。发现上述四种离子液体均能用于纤维素的干喷湿纺，制备得到的纤维具有较好的纺纱性能。阳离子为[EMIM]+的离子液体比阳离子为[BMIM]+的离子液体零切黏度低。而采用阴离子为Cl-的离子液体，制备得到的纤维比阴离子为Ac-的离子液体制备的纤维具有更高的断裂强度和缠结强度，断裂生长率更低。此外，醋酸型离子液体能够实现纤维素的高溶度溶解，更有效地实现纤维素的纺丝。再生纤维素纤维的纺丝条件和纤维性能如表2-16所示。蔡涛等采用[BMIM]Cl作为纤维素的溶剂，干喷湿法纺丝制备再生纤维素纤维。离子液体为溶剂制备的纤维与Lyocell纤维形貌、结晶度、取向度、染色性类似，也不可避免地具有原纤化倾向。

表2-16　再生纤维素纤维的纺丝条件和纤维性能[114]

（二）后处理

后处理包括纤维后处理和溶剂回收。纤维后处理包括水洗、上油、切断、烘干和打包等过程。这些过程与Lyocell纤维类似，所采用的设备也类似。但由于离子液体与纤维素的相互作用较强，造成离子液体经常规水洗后不易被轻易去除，因此需要增加水洗温度和时间。

溶剂回收主要是指离子液体的回收，包括絮凝、过滤、浓缩等过程。与NMMO不同的是，离子液体溶解纤维素后基本不发生副反应，性质较稳定，因此经过絮凝、过滤后，浓缩阶段采用多效蒸发或膜浓缩与多效蒸发相结合的方法。

（三）离子液体回收

需回收的离子液体主要来自凝固浴、水洗浴和工艺处理废水。回收水溶液经高效过滤器进行粗过滤去除短纤维、胶块等杂质；除杂后的水溶液由膜过滤增浓，稀溶液进入凝固浴循环利用，浓溶液进入薄膜蒸发器进行增浓提纯；提纯后的离子液体进入溶解工段循环利用，蒸出水溶液进入后处理精练系统，最终实现整个系统的封闭循环。离子液体回收工艺流程如图2-33所示。(www.xing528.com)

图2-33　离子液体回收工艺流程图

1.粗过滤——除杂

通过进行微孔管预涂，应用后过滤精度高，对滤液中杂质的去除率高达99%以上，过滤速度快，是传统过滤器的3～5倍；过滤量大，是传统过滤器的2～6倍；反洗用时少，是传统过滤器的40%；反洗基本不用水，降低了消耗，避免造成二次污染。

2.膜过滤——增浓

膜过滤是一种与膜孔径大小相关的筛分过程，以膜两侧的压力差为驱动力，以膜为过滤介质，在一定的压力下，当液体流过膜表面时，膜表面密布的许多细小的微孔只允许水及小分子物质通过而成为透过液，而原液中体积大于膜表面微孔径的物质则被截留在膜的进液侧，成为浓缩液，因而实现对原液的分离和浓缩的目的。膜法分离的最大特点是驱动力主要为压力，不伴随大量热能的变化。因而有节能、可连续操作、便于自动化等优点。

根据离子液体水溶液的特点，与下游膜过滤材料厂家合作，寻找出适宜的膜过滤材料，开发出膜过滤增浓系统，达到了增加浓度、降低回收成本的目的。

3.高效蒸发器——浓缩、提纯

膜蒸发器是一种新型高效传热设备。它具有设备体积小、蒸发强度高、物料蒸发温度低、受热时间短、浓缩倍数大、物料最终浓度高以及蒸发室可方便拆洗等特点。

增浓到一定浓度的离子液体溶液进入刮板式薄膜蒸发器中，通过减压、升温将水分与离子液体分离。