一種碳基納米粒子海藻酸鈉多功能高性能複合纖維及其製備方法
2023-06-06 00:25:31 2
一種碳基納米粒子海藻酸鈉多功能高性能複合纖維及其製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種碳基納米粒子/海藻酸鈉複合纖維的製備方法，包括以下步驟：首先配製一定濃度的海藻酸鈉水溶液，然後向溶液中加入氧化石墨烯，充分混合、超聲分散，得到氧化石墨烯/海藻酸鈉水溶液；再向上述溶液中加入一定量的碳納米管，經充分混合、超聲分散，得到分散良好的碳納米管/氧化石墨烯/海藻酸鈉紡絲液；將上述紡絲液經過濾、脫泡後，在室溫進行溶液紡絲製備碳基納米粒子/海藻酸鈉複合纖維。本發明生產出的纖維實現了碳基納米粒子在纖維中的均勻分散、網絡結構的形成，以及碳基納米粒子在纖維中的有效取向，提高了纖維的拉伸強度、導電性、抗降解性，而且可以有效提高纖維的吸附性，可用於吸附水溶液中的重金屬離子和染料。
【專利說明】一種碳基納米粒子海藻酸鈉多功能高性能複合纖維及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於海洋生物質複合纖維的製備領域，具體地說是通過海藻酸鈉、碳納米管、還原氧化石墨烯三者之間的協同效應製備多功能高性能碳基納米粒子/海藻酸鈉複合纖維。
【背景技術】
[0002]海藻纖維是以褐藻(如海帶、巨藻)提取的海藻酸鈉為原料利用專有紡絲技術與裝備，生產出具有特殊性能和功能的、可用於紡織保健、軍工和醫療的新型纖維材料。海藻纖維具有以下優良性能:超強的阻燃性能；優良的止血抗菌效果；綠色生產過程。但由於天然高分子獨特的分子結構，分子量分布寬等特性，海藻纖維的力學強度較低，且纖維的導電性能低，應用領域受到限制。構建新型多功能高性能的海藻複合纖維，必將大大開拓海藻纖維的應用領域，為我國紡織、消防、軍工、航天等行業做貢獻，同時提升海藻的附加值，帶動藍色經濟發展。一維碳納米管具有優異的力學性能，因而已有大量關於碳納米管增強纖維的研究報導。專利CN101768798A (—種海藻酸鈉/碳納米管複合纖維的製備方法)利用海藻酸鈉對碳納米管良好的分散性，製備了海藻酸鈉/碳納米管增強複合纖維。然而研究表明，碳納米管的加入雖然能夠顯著提高纖維的拉伸強度，但纖維的斷裂伸長率卻有所下降，造成纖維的韌性較差。而纖維的韌性主要是由纖維的微觀結構決定的，因此纖維微觀結構的設計與控制對於獲得強而韌的纖維是至關重要的。二維氧化石墨烯與一維碳納米管一樣具有優異的力學性能，甚至有研究表明氧化石墨烯具有更好的力學性能，因而成為近期人們研究的熱點，並且氧化石墨烯表面具有羥基等官能團，可以與海藻酸鈉的羧基進行反應，從而更好地改善基體與纖維的界面結合強度。更為值得提出的是，最新的研究表明，由於碳納米管為一維碳材料，而石墨烯為二維碳材料，兩者同時使用能夠形成網絡結構，並能產生協同效果，這一微觀結構對於纖維的韌性有很大的提高。目前已有石墨烯/碳納米管協同改性玻璃纖維增強環氧複合材料的報導，也有石墨烯/碳納米管協同改性聚乙烯醇複合纖維的報導。但是，目前還沒有利用海藻酸鈉、碳納米管、氧化還原石墨烯三者之間的協同效應改性海藻纖維，同時賦予海藻纖維高性能及多功能的報導。該纖維不僅具有高強度、優異的韌性，還具有良好的導電性、抗降解性、抗輻射性能、吸附性能，可廣泛地應用在高性能纖維材料、醫藥及環境等領域中。
【發明內容】
[0003]本發明的任務為提供一種碳基納米粒子/海藻酸鈉多功能高性能複合纖維及其製備方法。
[0004]一種碳基納米粒子/海藻酸鈉多功能高性能複合纖維及其製備方法，包括以下步驟:
a.將海藻酸鈉加入到水中，在室溫下攪拌0.5-5小時，然後在35-60°C下攪拌2_5小時，配置質量百分比濃度為3 — 20%的海藻酸鈉水溶液；
b.將步驟a中得到的海藻酸鈉水溶液中加入氧化石墨烯，使其氧化石墨烯的質量百分比濃度為0.01-3%，然後採用超聲處理0.5—5小時，得到氧化石墨烯/海藻酸鈉水溶液；
c.將步驟b中得到氧化石墨烯/海藻酸鈉水溶液中加入碳納米管，使其碳納米管的質量百分比濃度為0.01-3%,然後採用超聲處理0.5-5小時，得到碳納米管/氧化石墨烯/海藻酸鈉紡絲液；
d.將步驟c得到的碳納米管/氧化石墨烯/海藻酸鈉紡絲液放在真空烘箱中6-24小時，進行脫泡，至混合溶液無氣泡為止；
e.將步驟d得到的碳納米管/氧化石墨烯/海藻酸鈉紡絲液通過一定的紡絲方法，經過凝固浴，得到海藻酸鈉/碳納米管/氧化石墨烯初生纖維；
f.將步驟e中製取的碳納米管/氧化石墨烯/海藻酸鈉初生纖維經過預加熱浴、牽伸浴後進行牽伸定型和上油處理，得到碳納米管/氧化石墨烯/海藻酸鈉複合纖維。
[0005]所述的步驟a中，所用海藻酸鈉為由褐藻提取和細菌培養。
[0006]所述的步驟b中，所用氧化石墨烯為Brodie法，Staudenmaier法和Hummers法製備得到。
[0007]所述的步驟c中，所用碳納米管為單壁碳納米管、雙壁碳納米管及多壁碳納米管。
[0008]所述的步驟e中，所述紡絲方法包括溼法紡絲、幹法紡絲、乾濕法紡絲、靜電紡絲。
[0009]所述的步驟e中，紡絲液溫度為35°C — 60°C ;凝固浴為質量百分比濃度為2% — 7%的氯化鈣及其他二價鹽水溶液，包括氯化鈣、氯化鋅、氯化鋇；凝固浴溫度為25°C — 65°C。
[0010]上述步驟所製備的碳納米管/氧化石墨烯/海藻酸鈉複合纖維，具有優異的拉伸強度、韌性、導電性、抗降解性，吸附性能。
[0011]上述步驟所製備所述製備的碳納米管/氧化石墨烯/海藻酸鈉複合纖維，其導電性具有溼度可控性及可逆性。
[0012]本發明的有益技術效果是:
本發明採用二維的碳納米材料(氧化石墨烯)與一維的碳納米材料(碳納米管)協同改性海藻纖維增強增韌海藻纖維，利用海藻酸鈉、碳納米管、氧化石墨烯各自的優異性能的同時，也利用到它們三者之間的協同效應，實現了碳納米管、氧化石墨烯在纖維中的均勻分散及網絡結構的形成，以及碳納米管和氧化石墨烯在纖維中的有效取向，因此使製備的複合纖維具有優異的拉伸強度、韌性、導電性、抗降解性、吸附性能。
【具體實施方式】
[0013]下面結合具體實施例對本發明作進一步的說明。
[0014]實施例1
a.將海藻酸鈉加入到水中，在室溫下攪拌0.5小時，然後在35°C下攪拌2小時，配置質量百分比濃度為3%的海藻酸鈉水溶液；
b.將步驟a中得到的海藻酸鈉水溶液中加入氧化石墨烯，使其氧化石墨烯的質量百分比濃度為1%，然後採用超聲處理2小時，得到氧化石墨烯/海藻酸鈉水溶液；
c.將步驟b中得到氧化石墨烯/海藻酸鈉水溶液中加入碳納米管，使其碳納米管的質量百分比濃度為0.01%，然後採用超聲處理0.5小時，得到碳納米管/氧化石墨烯/海藻酸鈉紡絲液；
d.將步驟c得到的碳納米管/氧化石墨烯/海藻酸鈉紡絲液放在真空烘箱中6小時，進行脫泡，至混合溶液無氣泡為止；
e.將步驟d得到的碳納米管/氧化石墨烯/海藻酸鈉紡絲液調節到溫度為55°C，利用70孔75微米的噴絲板對紡絲液進行溼法紡絲，紡絲速度為30米/分鐘，然後使紡絲液通過噴絲板形成的細流進入溫度為25°C，質量百分比濃度7%的氯化鈣水溶液中凝固，得到碳納米管/氧化石墨烯/海藻酸鈉初生纖維；
f.將步驟e中製取的碳納米管/氧化石墨烯/海藻酸鈉初生纖維經過預加熱浴、牽伸浴後進行牽伸定型和上油處理，得到碳納米管/氧化石墨烯/海藻酸鈉複合纖維。
[0015]實施例2
a.將海藻酸鈉加入到水中，在室溫下攪拌5小時，然後在50°C下攪拌5小時，配置質量百分比濃度為15%的海藻酸鈉水溶液；
b.將步驟a中得到的海藻酸鈉水溶液中加入氧化石墨烯，使其氧化石墨烯的質量百分比濃度為0.01%，然後採用超聲處理2小時，得到氧化石墨烯/海藻酸鈉水溶液；
c.將步驟b中得到氧化石墨烯/海藻酸鈉水溶液中加入碳納米管，使其碳納米管的質量百分比濃度為1%，然後採用超聲處理0.5小時，得到碳納米管/氧化石墨烯/海藻酸鈉紡絲液；
d.將步驟c得到的碳納米管/氧化石墨烯/海藻酸鈉紡絲液放在真空烘箱中24小時，進行脫泡，至混合溶液無氣泡為止；
e.將步驟d得到的碳納米管/氧化石墨烯/海藻酸鈉紡絲液調節到溫度為65°C，利用70孔75微米的噴絲板對紡絲液進行溼法紡絲，紡絲速度為30米/分鐘，然後使紡絲液通過噴絲板形成的細流進入溫度為60°C，質量百分比濃度5%的氯化鈣水溶液中凝固，得到碳納米管/氧化石墨烯/海藻酸鈉初生纖維；
f.將步驟e中製取的碳納米管/氧化石墨烯/海藻酸鈉初生纖維經過預加熱浴、牽伸浴後進行牽伸定型和上油處理，得到碳納米管/氧化石墨烯/海藻酸鈉複合纖維。
[0016]實施例3
a.將海藻酸鈉加入到水中，在室溫下攪拌5小時，然後在60°C下攪拌5小時，配置質量百分比濃度為20%的海藻酸鈉水溶液；
b.將步驟a中得到的海藻酸鈉水溶液中加入氧化石墨烯，使其氧化石墨烯的質量百分比濃度為1%，然後採用超聲處理2小時，得到氧化石墨烯/海藻酸鈉水溶液；
c.將步驟b中得到氧化石墨烯/海藻酸鈉水溶液中加入碳納米管，使其碳納米管的質量百分比濃度為0.01%，然後採用超聲處理0.5小時，得到碳納米管/氧化石墨烯/海藻酸鈉紡絲液；
d.將步驟c得到的碳納米管/氧化石墨烯/海藻酸鈉紡絲液放在真空烘箱中24小時，進行脫泡，至混合溶液無氣泡為止；
e.將步驟d得到的碳納米管/氧化石墨烯/海藻酸鈉紡絲液調節到溫度為65°C，利用70孔75微米的噴絲板對紡絲液進行溼法紡絲，紡絲速度為30米/分鐘，然後使紡絲液通過噴絲板形成的細流進入溫度為65°C，質量百分比濃度2%的氯化鋇水溶液中凝固，得到碳納米管/氧化石墨烯/海藻酸鈉初生纖維； f.將步驟e中製取的碳納米管/氧化石墨烯/海藻酸鈉初生纖維經過預加熱浴、牽伸浴後進行牽伸定型和上油處理，得到碳納米管/氧化石墨烯/海藻酸鈉複合纖維。
[0017]實施例4
a.將海藻酸鈉加入到水中，在室溫下攪拌0.5小時，然後在50°C下攪拌5小時，配置質量百分比濃度為3%的海藻酸鈉水溶液；
b.將步驟a中得到的海藻酸鈉水溶液中加入氧化石墨烯，使其氧化石墨烯的質量百分比濃度為0.1%，然後採用超聲處理0.5小時，得到氧化石墨烯/海藻酸鈉水溶液；
c.將步驟b中得到氧化石墨烯/海藻酸鈉水溶液中加入碳納米管，使其碳納米管的質量百分比濃度為3%，然後採用超聲處理5小時，得到碳納米管/氧化石墨烯/海藻酸鈉紡絲液；
d.將步驟c得到的碳納米管/氧化石墨烯/海藻酸鈉紡絲液放在真空烘箱中6小時，進行脫泡，至混合溶液無氣泡為止；
e.將步驟d得到的碳納米管/氧化石墨烯/海藻酸鈉紡絲液調節到溫度為55°C，利用70孔75微米的噴絲板對紡絲液進行溼法紡絲，紡絲速度為30米/分鐘，然後使紡絲液通過噴絲板形成的細流進入溫度為40°C，質量百分比濃度5%的氯化鈣水溶液中凝固，得到碳納米管/氧化石墨烯/海藻酸鈉初生纖維；
f.將步驟e中製取的碳納米管/氧化石墨烯/海藻酸鈉初生纖維經過預加熱浴、牽伸浴後進行牽伸定型和上油處理，得到碳納米管/氧化石墨烯/海藻酸鈉複合纖維。
[0018]實施例5
a.將海藻酸鈉加入到水中，在室溫下攪拌0.5小時，然後在50°C下攪拌5小時，配置質量百分比濃度為3%的海藻酸鈉水溶液；
b.將步驟a中得到的海藻酸鈉水溶液中加入氧化石墨烯，使其氧化石墨烯的質量百分比濃度為3%，然後採用超聲處理5小時，得到氧化石墨烯/海藻酸鈉水溶液；
c.將步驟b中得到氧化石墨烯/海藻酸鈉水溶液中加入碳納米管，使其碳納米管的質量百分比濃度為1%，然後採用超聲處理3小時，得到碳納米管/氧化石墨烯/海藻酸鈉紡絲液；
d.將步驟c得到的碳納米管/氧化石墨烯/海藻酸鈉紡絲液放在真空烘箱中24小時，進行脫泡，至混合溶液無氣泡為止；
e.將步驟d得到的碳納米管/氧化石墨烯/海藻酸鈉紡絲液調節到溫度為50°C，利用70孔75微米的噴絲板對紡絲液進行溼法紡絲，紡絲速度為30米/分鐘，然後使紡絲液通過噴絲板形成的細流進入溫度為40°C，質量百分比濃度5%的氯化鈣水溶液中凝固，得到碳納米管/氧化石墨烯/海藻酸鈉初生纖維；
f.將步驟e中製取的碳納米管/氧化石墨烯/海藻酸鈉初生纖維經過預加熱浴、牽伸浴後進行牽伸定型和上油處理，得到碳納米管/氧化石墨烯/海藻酸鈉複合纖維。
【權利要求】
1.一種碳基納米粒子海藻酸鈉多功能高性能複合纖維及其製備方法，其步驟如下: a.將海藻酸鈉加入到水中，在室溫下攪拌0.5-5小時，然後在35-60°C下攪拌2_5小時，配置質量百分比濃度為3 — 20%的海藻酸鈉水溶液； b.將步驟a中得到的海藻酸鈉水溶液中加入氧化石墨烯，使其氧化石墨烯的質量百分比濃度為0.01-3%，然後採用超聲處理0.5—5小時，得到氧化石墨烯/海藻酸鈉水溶液； c.將步驟b中得到氧化石墨烯/海藻酸鈉水溶液中加入碳納米管，使其碳納米管的質量百分比濃度為0.01-3%,然後採用超聲處理0.5-5小時，得到碳納米管/氧化石墨烯/海藻酸鈉紡絲液； d.將步驟c得到的碳納米管/氧化石墨烯/海藻酸鈉紡絲液放在真空烘箱中6-24小時，進行脫泡，至混合溶液無氣泡為止； e.將步驟d得到的碳納米管/氧化石墨烯/海藻酸鈉紡絲液通過一定的紡絲方法，經過凝固浴，得到海藻酸鈉/碳納米管/氧化石墨烯初生纖維； f.將步驟e中製取的碳納米管/氧化石墨烯/海藻酸鈉初生纖維經過預加熱浴、牽伸浴後 進行牽伸定型和上油處理，得到碳納米管/氧化石墨烯/海藻酸鈉複合纖維。
2.根據權利要求1所述的步驟a中，其特徵在於:所用海藻酸鈉為由褐藻提取和細菌培養。
3.根據權利要求1所述的步驟b中，其特徵在於:所用氧化石墨烯為Brodie法，Staudenmaier法和Hummers法製備得到。
4.根據權利要求1所述的步驟c中，其特徵在於:所用碳納米管為單壁碳納米管、雙壁碳納米管及多壁碳納米管。
5.根據權利要求1所述的步驟e中，其特徵在於:所述紡絲方法包括溼法紡絲、幹法紡絲、乾濕法紡絲、靜電紡絲。
6.根據權利要求1所述的步驟e中，其特徵在於:紡絲液溫度為25°C— 60°C;凝固浴為質量百分比濃度為2% — 7%的氯化鈣及其他二價鹽水溶液，包括氯化鈣、氯化鋅、氯化鋇；凝固浴溫度為25°C — 65°C。
7.根據權利要求1所述製備的碳納米管/氧化石墨烯/海藻酸鈉複合纖維，具有優異的拉伸強度、韌性、導電性、抗降解性，吸附性能。
8.根據權利要求1所述製備的碳納米管/氧化石墨烯/海藻酸鈉複合纖維，其導電性具有溼度可控性及可逆性。
【文檔編號】D01F9/04GK104178845SQ201410399097
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月14日 優先權日:2014年8月14日
【發明者】隋坤豔, 譚業強, 張慶旭, 夏延致, 潘娜, 秦雪 申請人:青島大學