第五节　离子液体法纤维素纤维

一、离子液体概述

室温离子液体（ionic liquid），又称熔盐，简称离子液体。是由特定的阳离子和阴离子组成的在室温或接近室温下呈液态的离子化合物。在这种液体中只含有阴阳离子，没有中性分子。一般情况下，离子化合物在室温下是固体，其强大的离子键使阴、阳离子只能在晶格中振动，而不能转动或平动；离子化合物阴阳离子之间的作用较强，具有较高的熔点、沸点以及硬度，因此，离子化合物的液态只在高温下存在。离子液体中使用了离子体积较大的有机阳离子代替了无机阳离子，使其晶格排列呈现较大的不规则性，大幅度降低其自身的熔点。阳离子中电荷越分散且对称性越低，则离子液体的熔点也越低。

（一）离子液体的发展及现状

最早关于离子液体的研究可以追溯到1914年，Walden等[87]发现并报道了第一个在室温下呈液态的有机盐——硝酸乙基胺（[EtNH3][NO3]），其熔点为12℃。它是由乙胺与浓硝酸反应制得。1948年，Hurley和Wier[88]在寻找一种温和条件电解Al2O3时，将N-烷基吡啶加入AlCl3中，两固体混合物加热后发生反应，得到了无色透明的液体，这一偶然发现成为现在离子液体的雏形。20世纪70年代，Osteryoung研究小组在为导弹和空间探测器开发高效储能电池时，重新合成了N-烷基吡啶氯铝酸盐离子液体。当时，离子液体的研究主要集中于电化学方面。到了80年代，Wilkes等[89]合成了1，3-二烷基咪唑氯铝酸盐类离子液体。而Seddon研究小组[90]则用氯铝酸盐作为非水极性溶剂，研究了不同过渡金属配合物在这种离子液体中的化学反应、光谱学性质以及电化学行为等。由于氯铝酸盐类离子液体对水和空气的敏感性成为了其应用中无法回避的缺点，同时，它们还具有较强腐蚀性，限制了其应用。因此，探寻对水和空气稳定的离子液体显得十分迫切。

1992年，Wilkes等[91]合成了世界上第一个对水和空气都稳定的1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸离子液体[EMIM][BF 4]。之后大量咪唑阳离子与[BF4]-、[PF6]-阴离子构成的新一代离子液体相继问世，极大地扩展了离子液体在分离和材料等领域的应用。到2000年前后，离子液体的研究突飞猛进，并随着绿色化学的兴起，在全球范围内形成离子液体研究的热潮。

进入21世纪，离子液体研究进入了一个新的阶段。新型离子液体不断涌现，而其主要特征则是从耐水体系向功能体系发展，即根据某一应用需要，设计并合成具有特定功能的离子液体。如Rogers的研究小组[92]在咪唑阳离子上引入了硫脲官能团，赋予了离子液体萃取重金属离子的能力。离子液体还可以作为一些天然高分子材料的溶剂，用于溶解加工这些材料。相关文献已经报道了离子液体对于生物质材料具有很好的溶解性能。国际上第一个以离子液体为特色的大规模工业园已由德国BASF建成。离子液体的应用领域不断扩大，从合成化和催化反应扩展到过程工程、产品工程、资源环境、功能材料以及生命科学等领域，离子液体与超临界流体、电化学、生物、纳米、信息等技术的结合，将进一步拓展离子液体的发展空间；离子液体的结构和性质数据的积累虽然十分有限，但已有一定的规模，为系统地探索离子液体的结构性质关系并建立离子液体的分子设计方法尊定了基础[64]。现今，离子液体的研究正在蓬勃发展，方兴未艾。

（二）离子液体的种类和性质

离子液体由阳离子和阴离子组成，种类繁多。根据阳离子的不同可将离子液体分为四类：烷基季铵离子、烷基季磷离子、1，3-二烷基取代的咪唑离子和N-烷基取代的吡啶离子，其结构如图2-29所示。

阴离子种类有很多，大致可分为两类：一类是卤化盐+AlCl3（Cl也可用Br代替），例如氯代-1-丁基-3-甲基咪唑氯铝酸盐（[BMIM]Cl—AlCl3），此类离子液体最大的缺点是对水极其敏感，要在真空或惰性气体保护下才能进行处理和应用；另一类离子液体则是由熔点为12℃的1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（[BMIM][BF4]）发展起来的。这类离子液体不同于前者，其组成是固定不变的，对水和空气的稳定性能优异，因此近几年取得惊人发展。

离子液体中存在着强大的静电相互作用，致使其物理与化学性质表现出非同寻常的特点。

（1）熔点。室温离子液体的熔点自然都在室温附近，而熔点与其结构间的关系目前还不明确。有研究表明[93]，当咪唑阳离子的两个取代基结构对称时，其熔点比不对称时的高，原因是阳离子结构的非对称性，会使其难以规则地排列而不能形成晶体。

（2）蒸汽压。离子液体的主要特点是非挥发性或零蒸汽压，这是由于离子液体内部存在着很大的库仑力，即使在高温和真空条件下，它也会保持很低的蒸汽压，据此，离子液体成为传统挥发性有机溶剂的绿色替代物。

（3）密度。通常咪唑型离子液体在室温下的密度为1.1～1.7g/cm3。离子液体的密度主要取决于阴离子的体积和配位能力，阳离子结构的微小变化可以使离子液体的密度得到精细的调整。

（4）黏度。离子液体应用的最大障碍是黏度很高，高黏度会使很多有机反应的速率降低以及氧化还原物质的扩散速率降低。一般认为，离子液体内的库仑力、范德瓦耳斯力以及氢键作用，阳离子的结构和阴离子的尺寸会对离子液体的黏度产生影响。通常可以通过升温或加入有机共溶剂的方法调节离子液体的黏度。

（5）热稳定性。多数离子液体的热分解温度在200℃以上，因此可以在高温反应中代替传统溶剂。离子液体的热稳定性受杂原子与碳原子间以及与氢键间的作用力限制，与组成其的阳离子和阴离子的结构和性质有着密切关系。

（6）电导率。离子液体的电导率一般在10-3s/cm左右，大小与离子液体的黏度、相对分子质量、密度以及离子尺寸的大小都有着密切关系。其中黏度影响最显著：黏度越大导电性越差。而密度对导电性的影响则正好与黏度相反，密度越小导电性越好。在黏度和密度相近时，通常离子体积越小，其导电性越好。

（7）电化学窗口。离子液体的电化学稳定性由阴阳离子的电化学稳定性决定。通常情况，离子液体的氧化电位由阴离子的氧化反应电位决定，还原电位则是由阳离子的还原反应电位决定，氧化电位和还原电位共同决定着离子液体的电化学窗口。

（8）溶解性。一般来说，离子液体与极性溶剂互溶性高，与非极性溶剂互溶性差，但具体溶解性能与其组成有关。此外，对大多数无机、有机和高分子材料来说，离子液体是一种优良的溶剂。

（三）离子液体的合成及应用

通过不同种类的合成路线可以得到不同类型的离子液体，这是离子液体的最大特点——可调控性，通常离子液体的合成可以简单分为两类。

一步合成法：通常是指直接通过卤代烷或者中和反应等使氮或磷原子季铵化一步达到目标离子液体，该方法操作简便，副产物少，产物提纯容易。例如[BMIM]Cl、[AMIM]Cl、[BMIM]BF4等离子液体的合成。

两步合成法[94]：常规的一步法难以得到的离子液体，就需要两步法合成。首先合成为季铵或季磷类的中间离子液体，然后用其他的负离子置换中间离子液体的阴离子而得到最终的目标离子液体。例如[EMIM]Ac、[BMIM]Ac的合成。

在化学反应方面，离子液体作为溶剂提供了与传统分子溶剂不同的化学反应环境，并且可直接用于有机合成中的烷基化[95]、酰基化[96]、酯化和催化等反应的溶剂，因此往往表现出不同于传统溶剂的反应机理，例如，环戊二烯与丙烯酸甲酯和甲基酮的Diels-Alder反应，在离子液体[EtNH3][NO3]中比在丙酮等非极性分子溶剂中反应速率更快，内旋产物的选择性更高。在离子液体中烯烃的选择氢化、选择性烷基化等反应效果更好。在离子液体中用TiCl4催化乙烯聚合，可以使乙烯停留在低聚反应上。在分离萃取方面，离子液体可以代替传统溶剂实现燃料油的氧化脱硫，该方法避免了使用有机溶剂所造成的污染和安全问题。在电化学方面，Fuller等[97]研究了二茂铁在离子液体1-乙基-3-甲基咪唑四氟化硼中四硫富瓦烯的电氧化行为，表明其作为电化学溶剂效果非常好。Jonathan等[98]研究有机物的萃取效率时发现，N-甲基咪唑类离子液体具有更好的萃取效果。离子液体在尖端光学设备的制造、纳米复合碳材料以及生物柴油的催化方面都表现出惊人的特点，现在离子液体已经广泛应用于社会各个领域。

二、离子液体/纤维素纺丝原液的制备

（一）纤维素在离子液体中的溶解及机理

离子液体溶解纤维素可以追溯到1934年，Graenacher[99]申请的专利中提到N-乙烷基吡啶氯化物盐在N2条件下溶解纤维素，但是此种溶剂溶解纤维素温度高（118～120℃），纤维素易降解，缺乏实用价值。2002年，Rogers团队[100]研究发现，1-丁基-3-甲基咪唑氯盐（[BMIM]Cl）能够溶解纤维素，且溶解过程中不发生衍生化反应，是纤维素的直接溶解。微波辅助加热的条件下，纤维素的最高溶解量为25%。除了Cl-，其他阴离子如Br-、SCN-与1-丁基-3-甲基咪唑阳离子组成的离子液体也可以溶解纤维素。研究还发现，阳离子烷基链的长度对纤维素的溶解能力有影响。由于长链阳离子导致对应的Cl-溶解度和活性降低，含有长链阳离子的离子液体比短链阳离子的离子液体溶解能力减弱。这一发现首次证明离子液体是纤维素的良溶剂，成为21世纪初纤维素化学领域的重大发现，也使离子液体继成为NMMO以后的新一类纤维素溶剂。图2-30为纤维素浆粕的SEM与溶解在[BMIM]Cl的纤维素的SEM比较。

除了[BMIM]Cl，1-烯丙基-3-甲基咪唑氯化物（[AMIM]Cl）、二氯二（3，3-二甲基）咪唑基亚砜盐（[（MIM）2SO]Cl2）、氯化-1-（2-羟乙基）-3-甲基咪唑（[HeMIM]Cl）、3-甲基-N-丁基氯代吡啶（[BMPY]Cl）和苄基二甲基十四烷基氯化铵（BDTAC）等均能溶解纤维素，且在溶解过程中表现出不同的特性。

关于离子液体溶解纤维素的机理研究，Swatloski[101]等认为阴离子与纤维素分子链上的OH形成氢键，破坏了纤维素分子内与分子间的氢键，使得纤维素溶解。Moulthrop等[89]通过高分辨率研究纤维素和纤维素低聚糖在[BMIM]Cl溶液的构想，证明纤维素分子链在离子液体中呈现为无序状态，纤维素在离子液体中形成“真溶液”。

对于离子液体中阳离子在纤维素溶解过程中的作用，则有不同看法。Remsing等[102]采用和研究不同浓度纤维素/[BMIM]Cl溶液体系的化学位移。研究发现，随着溶液中纤维素二糖浓度的增大，离子液体阳离子C-4′和C-1′的弛豫时间变化不明显，说明阳离子与纤维素之间的相互作用较弱。相反，阴离子Cl-的弛豫时间随着溶液浓度的增大而显著降低，Cl-与纤维素羟基质子形成氢键。说明纤维素的溶解是由于离子液体阴离子与纤维素的相互作用，而阳离子不起作用。

Zhang等以纤维二糖和[EMIM]OAc为模型，采用常规NMR和变温NMR研究离子液体溶解纤维素的机理，从纤维二糖和[EMIM]OAc的化学位移发现，纤维素的羟基和离子液体阳离子和阴离子形成的氢键是纤维素溶解的驱动力。

离子液体中阳离子和阴离子之间存在库仑力、π—π共价键，主要以超分子结构堆积。同时，离子液体中还存在微量的游离阳离子和阴离子。当纤维素与离子液体接触时，游离的阴离子成为很好的氢键受体，首先攻击纤维素羟基的氢原子，阳离子进而与羟基的氧原子作用，破坏纤维素的氢键体系，导致纤维素的溶解，如图2-31所示。在此基础上，提出了能够溶解纤维素的离子液体要求：阴离子必须是较好的氢键受体；阳离子具有一定的氢键供体能力，即阳离子具有一定活性的H原子，能与纤维素的O原子形成氢键；阳离子体积不应太大。此外，在开始溶解阶段，[EMIM]OAc和羟基相互作用的化学计量比在3:4和1:1之间，表明一个阳离子或者阴离子同时与两个羟基作用。

除了NMR，量子力学计算和分子动力学方法也被用于分析纤维素在离子液体中的溶解机理，得出了类似的结论。Liu等通过分子动力学方法研究纤维素在[EMIM]OAc中的溶解机理，通过计算全原子立场，分子动力学模拟聚合度为5、6、10和20的纤维素低聚糖在离子液体中的溶解状态。计算后推测，纤维素在离子液体中溶解的机理是纤维素分子上的羟基与离子液体的阴离子形成氢键。阳离子共轭环也与葡萄糖基环通过范德瓦耳斯力吸引。Xu等通过量子力学计算和分子动力学相结合的方法，认为阴离子和阳离子均与纤维素低聚糖形成氢键，纤维素低聚糖同时扮演了氢键受体和供体的作用，但是阴离子与纤维素低聚物形成氢键作用更强，数量也更多，强调了阳离子在纤维素溶解过程中的作用，如图2-32所示。

（a）—黄色表示阴离子围绕阳离子的等平面图（b）—红色表示阳离子围绕阴离子的等平面图（c），（d）—根据（a）和（b）的等平面重叠图

（二）纤维素在离子液体中的降解

纤维素在很多溶解中都有降解情况，离子液体中也不例外，例如，Heinze[103]对比了[BMIM]Cl、[BMPY]Cl及BDTAC三种离子液体溶解纤维素后的降解情况，发现纤维素在BDTAC中降解最严重，可见阳离子的结构对纤维素降解的影响。然而纤维素在离子液体中降解的原因及机理还不清楚。Fukaya[104]研究了低温下的极性离子液体溶解微晶纤维素的情况，研究发现，离子液体的极性、黏度、Kamlet-Taft参数及熔点等物理化学性质对纤维素的降解均存在不同程度的影响。离子液体中的杂质如咪唑、甲基咪唑等存在时，烷基甲基咪唑类离子液体会与纤维素发生强烈的反应。因此，了解纤维素在离子液体中的降解可以从离子液体的极性、黏度、Kamlet-Taft参数、pH以及控制离子液体与纤维素的副反应的发生以减少纤维素降解。总体来说，当离子液体为酸性时，纤维素的降解比较严重，而纤维素在碱性离子液体中基本不降解。

（三）纤维素/离子液体溶液流变性能

通过对纤维素/离子液体溶液的流变性能研究，不仅可以帮助我们认识纤维素溶液的特性和微观结构，而且对再生纤维素工艺过程中参数的选择具有重要指导意义。

Collier研究小组[105]通过动态和拉伸流变测试对纤维素/[BMIM]Cl浓溶液的流变性能进行了分析。结果表明，随着浓度的降低、测试温度的提高以及剪切速率的增大，溶液表观黏度降低，与拉伸黏度对温度和浓度的依赖性一致。此外，他们运用Cross以及Carreau模型对溶液的流变曲线进行拟合，获得了溶液的零切黏度等相关参数；通过时温等效原理得到了溶液表观黏度的主曲线，并与纤维素/NMMO溶液和熔喷级聚丙烯（PP）的流变曲线进行了比较，发现纤维素/[BMIM]Cl溶液的黏度曲线与木浆粕/NMMO溶液和PP熔体的基本一致，说明纤维素/离子液体溶液不仅可以采用干湿法纺丝，还可用于溶液溶喷技术。

邝清林等[106]运用稳态流变以及动态流变研究了纤维素浓度以及温度对纤维素/[AMIM]Cl溶液体系流变特性的影响，低浓度纤维素离子液体稀溶液的黏度曲线在低剪切速率区产生了一个切力变稀区域，他们认为这与离子液体本身所具有的瞬时物理网络结构被破坏有关。此外，他们还发现在稀溶液中，约化无量纲特性模量与频率的依赖性介于Zimm与刚性链模型之间，表明纤维素在[AMIM]Cl中呈半刚性棒状链构象。随着溶液浓度的增加，纤维素在溶液中的运动行为转变为Rouse行为。溶液不符合Cox-Merz法则，这是由于在稳态剪切作用下，纤维素分子链容易发生聚集缠结，致使溶液黏度增大。

陈珣等[107]系统地研究了纤维素浓度对纤维素/[BMIM]Cl溶液流变性能的影响，这种溶液在常温时处于过冷状态。根据纤维素浓度不同，可以将纤维素溶液分为稀溶液、半稀非缠结溶液（亚浓溶液）以及半稀缠结溶液（浓溶液）三个区域，纤维素在[BMIM]Cl中的重叠浓度与缠结浓度分别为0.5%和2.0%（质量分数）。在他们的测试范围内，溶液浓度对增比黏度、松弛时间以及平台模量间的依赖性符合中性聚合物在θ溶剂中的标度关系，而Cox-Merz法则同样不适用于纤维素/[BMIM]Cl溶液体系。

Budtova等[18，109]研究了不同相对分子质量的纤维素在[EMIM]Ac溶液的流变性能，发现不同浓度的纤维素溶液在特定的剪切速率范围内都表现出了牛顿流体的特性。溶液零切黏度与浓度的幂率成正比。此外，他们进一步研究了特性黏度，并求得了Mark-Houwink指数介于0.4～0.6之间，表明[EMIM]Ac可能是纤维素的θ溶剂。纤维素在[EMIM]Ac中的特性黏度随着温度的升高而减小，表明溶剂的热力学性能可能随着温度的升高而变差，纤维素/[EMIM]Ac溶液的黏流活化能随纤维素浓度的增加而增大。他们还比较了纤维素在[EMIM]Ac和[BMIM]Cl中的特性黏度和黏流活化能，发现两种溶剂具有相同的热力学性能。

Song[110]研究了微晶纤维素在[AMIM]Cl中的相转变过程，结果表明，当纤维素超过一定浓度、合适温度条件下可以形成各向异性相。在25℃时，从各向同性转变到两相共存时的浓度为9%（质量分数），转变为各向异性时的浓度为16%（质量分数）。溶液黏度和第一法向应力差随着纤维素含量的增加，先增加后减小，在14%（质量分数）时达到最大值。这是由于纤维素浓度超过14%（质量分数）后，分子链间的摩擦系数变小，分子链的取向开始占主导。这种情况有利于纤维素浓溶液的纺丝。此外，他们还研究了微晶纤维素/[EMIM]Ac溶液体系，发现随着纤维素含量的增加，溶液会出现液晶相转变和溶胶—凝胶转变。纤维素浓度超过10%（质量分数），会发生溶致液晶现象；当纤维素浓度超过12.5%（质量分数）时，溶液在冷却过程中将形成液晶凝胶；并且当浓度超过13%（质量分数）后，低频下表现出特殊流变行为。

综合上述，不同的离子液体对纤维素分子链有不同的影响。此外，由于离子液体/纤维素溶液黏度较大，不利于纤维素加工成型。因此，研究人员尝试在离子液体中添加共溶剂如二甲基亚砜（DMSO）、吡啶等来降低纤维素溶液的黏度用于纤维素产品的加工，并取得了较好的效果。

三、离子液体/纤维素纺丝与后处理

（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。

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。

四、新型纤维素纤维的结构、性能与应用前景

（一）纤维的结构

由于离子液体/纤维素纺丝过程中凝固剂是水，离子液体在水中的扩散较慢，因此纺丝成形的纤维通常接近圆形。如图2-34所示，常规黏胶纤维截面具有不规则的片状结构，而离子液体纤维界面则接近圆形。

离子液体法纤维素纤维结晶度和取向度也有别于普通黏胶纤维。Jiang等[115]通过同步辐射WAXD和SAXS研究制备工艺对再生纤维素纤维结构和性能的影响。以离子液体、NMMO溶剂的再生纤维素纤维与黏胶工艺的普通黏胶纤维和莫代尔纤维相比，纤维取向度和结晶度更高，纤维微孔长度较短，取向偏离程度也较小，如图2-35所示。因此，以离子液体和NMMO为溶剂制备的再生纤维素纤维表面光滑，断裂强度和初始模量更高。

（二）纤维的性能

1.力学性能

离子液体法纤维素纤维力学性能接近于Lyocell纤维。人们以[BMIM]Cl为溶剂，采用双螺杆机制备了纤维素纤维，所得纤维力学性能见表2-17。

表2-17　纤维力学性能

表2-17所示的纤维断裂强度基本在3.0～3.5cN/dtex，干断裂伸长率为10%～12%，湿态下模量一般在1cN/dtex左右。纤维的强力和湿模量明显高于普通黏胶纤维，但纤维的干伸长率相对偏低，韧性稍差一些。Uerdingen以[EMIM]Ac为溶剂，采用不同制备方法制备了纤维素纤维，获得了较好力学性能的纤维。且通过干湿法制备的纤维力学性能达到了Lyocell纤维的强度，并具有类似的原纤化程度（表2-18）。总体上来说，离子液体法纤维素纤维具有Lyocell纤维相似的力学性能，其生产过程更简单。

表2-18　不同溶剂纺制的纤维的性能比较

2.纤维的功能性

由于离子液体具有很好的化学稳定性、溶解性，可以用于制备许多纤维素功能纤维，如纤维素抗菌纤维、纤维素阻燃纤维等。

纤维素抗菌纤维主要是通过在离子液体中添加抗菌剂或者以离子液体为反应介质接枝抗菌剂到纤维素上来制备纤维。Pinto等[116]分别以植物纤维素和细菌纤维素为抗菌基材，采用两种不同的方法将银纳米颗粒负载在这两种基材上，制备出纤维素/银纳米复合材料。这两种材料均具有高效的抗菌性，并且银纳米颗粒的浓度低达5.0×10-4%（质量分数）。Roy等[117]通过可逆加成—断裂链转移聚合在纤维素表面接上聚甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯，然后再用溴代烃进行季铵化，即得到季铵化改性抗菌纤维素。

纤维素阻燃纤维主要是通过共混、接枝、后整理、紫外光固化及层层自组装等方法来制备。但离子液体法纤维素阻燃纤维主要还是通过共混和接枝的方法来制备。共混主要是在溶液体系中添加有机或无机阻燃剂，进行均匀分散后纺丝制备，而接枝则是将阻燃剂接枝到纤维素羟基上，从而提高产物阻燃性能。Zheng等[118]采用原位活化法，利用3-羟基苯基磷酰丙酸为阻燃剂，成功制备了3-羟基苯基磷酰丙酸纤维素酯，所得纤维LOI最高可达36%。

3.应用前景

离子液体法纤维素纤维具有与Lyocell纤维类似的力学性能，可用于纺织服装、家用纺织品、产业用纺织品等领域。目前，相关的产品仍在研发中。