CN101768798B - 一种海藻酸钠/碳纳米管复合纤维的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海藻酸钠/碳纳米管复合纤维的制备方法，包括以下步骤：将质量百分比浓度为2～7％的海藻酸钠溶液经充分预溶解、溶解，然后在海藻酸钠溶液中混入与海藻酸钠质量比为0.5％～100％的碳纳米管，并经过充分混合、超声分散，得到分散良好的海藻酸钠/碳纳米管纺丝液，将上述纺丝液经次氯酸钠或双氧水等调节粘度、过滤、脱泡后，在室温进行溶液纺丝制备海藻酸钠/碳纳米管复合纤维，纤维的牵伸比为120～300％。本发明生产出的纤维实现了碳纳米管在纤维中的均匀分散，以及碳纳米管在纤维中的有效取向，具有较高的拉伸强度，并且碳纳米管有极轻的质量体积比，因此可用于军事领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种海藻酸钠/碳纳米管复合纤维的制备方法，通过湿法纺丝及拉伸定型制备海藻酸钠/碳纳米管复合纤维，属于高分子材料领域。
背景技术
碳纳米管中碳原子采取SP2杂化，相比SP3杂化，SP2中S轨道成分较大，使碳纳米管具有高模量及高强度。理论计算和试验研究表明，碳纳米管抗拉强度达到50～200GPa，是钢的100倍，密度却只有钢的1/6，是目前可制备出的具有最高比强度的材料。以其它材料为基体与碳纳米管制成的复合材料，表现出良好的强度、弹性、抗疲劳性及各向同性，给复合材料的性能带来极大的改善。
海藻酸盐是一种由β-D甘露糖醛酸盐和α-L古罗糖醛酸盐连接的线性共聚物组成的天然高分子。作为海藻酸盐的一种，海藻酸钠由于来源广泛，因此用于纤维纺织方面成为我们挑战资源缺乏的新途径。JP 9-119023公开了一种水溶性海藻纤维的制备方法，所得海藻纤维干态强度为0.55～0.63cN/dtex，强度不高。中国专利申请2008101597298公开了一种利用海藻酸钠分散碳纳米管的简单方法，这种方法可以在保持碳纳米管原有结构的基础上得到分散良好的海藻酸钠/碳纳米管溶液。
发明内容
本发明的任务为提供一种高强度的海藻酸钠/碳纳米管复合纤维的制备方法。
其技术解决方案是：
一种海藻酸钠/碳纳米管复合纤维的制备方法，包括以下步骤：
a将适量的碳纳米管加入海藻酸钠溶液中，得到海藻酸钠/碳纳米管纺丝液；
b将步骤a中制取的海藻酸钠/碳纳米管纺丝液经过凝固浴，得到海藻酸钠/碳纳米管初生纤维；
c将步骤b中制取的海藻酸钠/碳纳米管初生纤维经过预加热浴、牵伸浴后进行牵伸定型和上油处理，得到海藻酸钠/碳纳米管复合纤维。
上述步骤a中，包括步骤：
a1将适量的海藻酸钠溶于去离子水中，得到质量百分比浓度为2％～7％的海藻酸钠溶液；
a2向步骤a1中制取的海藻酸钠溶液中加入粘度调节剂，调整溶液的粘度为2000～13000mPa·S；
a3向步骤a2中所获取的海藻酸钠溶液中加入碳纳米管，经搅拌、超声分散后进行过滤与减压脱泡，制得海藻酸钠/碳纳米管纺丝液。
上述步骤中，所述碳纳米管为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管，碳纳米管的加入量与海藻酸钠的质量百分比为0.5％～100％。
上述步骤a2中，所述粘度调节剂为双氧水或次氯酸钠。
上述步骤b中：纺丝液温度为30～55℃；凝固浴为质量百分比浓度为2％～5％的氯化钙水溶液，凝固浴温度为25～55℃。
上述步骤c中：预加热浴、牵伸浴和牵伸定型温度分别为40～70℃、70～120℃和120～150℃；纤维的牵伸比为120～300％。
本发明的有益技术效果是：
1、本发明利用多糖海藻酸钠分散碳纳米管，通过调节溶液粘度、超生分散等步骤，得到分散均匀且稳定的海藻酸钠/碳纳米管纺丝液，接着通过控制纺丝液与凝固浴的温度等纺丝工艺，实现了碳纳米管在纤维中的均匀分散，以及碳纳米管在纤维中的有效取向，从而使所得海藻酸钠/碳纳米管复合纤维具有较高的拉伸强度。
2、本发明通过控制碳纳米管的加入量，更进一步提高了海藻酸钠/碳纳米管复合纤维的拉伸强度，特别是当碳纳米管的加入量与海藻酸钠的质量百分比为0.5％时，制得的海藻酸钠/碳纳米管复合纤维的拉伸强度大于8cN/dtex，是同等条件下制得纯海藻酸钠纤维强度的两倍。
3、本发明所得海藻酸钠/碳纳米管复合纤维综合了二者的优异性能，不但具有较高的强度，还具有极轻的质量体积比，可用于军事领域。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
称取25g海藻酸钠加入到500ml蒸馏水中，充分预溶解和溶解，得到海藻酸钠溶液；然后向海藻酸钠溶液中加入双氧水，调节溶液的粘度为2000mPa·S，接着进行过滤，再对过滤后的溶液真空脱泡12小时，得到海藻酸钠纺丝液。调节纺丝液的温度为55℃，利用70孔75微米的喷丝板对纺丝液进行湿法纺丝，纺丝速度为30米/分钟，然后使海藻酸钠纺丝液通过喷丝板形成的细流进入温度为40℃，质量百分比浓度5％的氯化钙水溶液中凝固，得到海藻酸钠初生纤维。将海藻酸钠初生纤维经过预加热浴、牵伸浴后进行牵伸定型和上油处理，得到海藻酸钠纤维成品。其中预加热浴、牵伸浴和牵伸定型温度分别为60℃、100℃和120℃，纤维的牵伸比为120％。
实施例2
称取25g海藻酸钠加入到500ml蒸馏水中，充分预溶解后搅拌溶解，得到海藻酸钠溶液；称取0.125g多壁碳纳米管加入到海藻酸钠溶液中，继续搅拌30min，再在超声波中超声30分钟，得到分散均匀的海藻酸钠/碳纳米管溶液。向海藻酸钠/碳纳米管溶液中加入双氧水，调节溶液的粘度为2000mPa·S，然后经过滤、真空脱泡12小时，得到海藻酸钠/碳纳米管纺丝液。调节纺丝液的温度为55℃，利用70孔75微米的喷丝板对纺丝液进行湿法纺丝，纺丝速度为30米/分钟，然后使海藻酸钠/碳纳米管纺丝液通过喷丝板形成的细流进入温度为40℃，质量百分比浓度5％的氯化钙水溶液中凝固，得到海藻酸钠/碳纳米管初生纤维。将海藻酸钠/碳纳米管初生纤维经过预加热浴、牵伸浴后进行牵伸定型和上油处理，得到海藻酸钠/碳纳米管纤维成品。其中预加热浴、牵伸浴和牵伸定型温度分别为60℃、100℃和120℃，纤维的牵伸比为120％。
实施例3
重复实施例2，有以下不同点：称取1.5g多壁碳纳米管加入到海藻酸钠溶液中。
实施例4
重复实施例2，有以下不同点：称取2g多壁碳纳米管加入到海藻酸钠溶液中。
上述实施例中所得纤维成品的拉伸强度及断裂伸长率列于表1。
表1
实施例1为不加碳纳米管的情形，所得的纤维成品强度不高。实施例2、3、4中，均加入碳纳米管，所得纤维成品强度较高，特别是实施例2中加入碳纳米管的量与海藻酸钠的质量百分比为0.5％时，制得的海藻酸钠/碳纳米管纤维成品的抗张强度高达8.05cN/dtex。
为了使实验结果具有对比性，从而进一步说明本发明，上述实施例中尽量保持条件的一致性。如上述实施例中，我们均选取多壁碳纳米管加入到海藻酸钠溶液中，当然，我们也可以选取单壁碳纳米管加入到海藻酸钠溶液中，用以达到相同或相近的技术效果。
如：称取6g海藻酸钠加入到200ml蒸馏水中，得到海藻酸钠溶液；称取6g单壁碳纳米管加入到上述海藻酸钠溶液中，其他同实施例2。
再如：称取6g海藻酸钠加入到200ml蒸馏水中，得到海藻酸钠溶液；称取3g单壁碳纳米管加入到上述海藻酸钠溶液中，其他同实施例2。
另外，本发明具体实施方式中还包括下述技术方式：
如：称取10g海藻酸钠加入490ml蒸馏水中，其他同实施例2。
再如：称取21g海藻酸钠加入280ml蒸馏水中，其他同实施例2。
如：向海藻酸钠溶液中加入次氯酸钠，调节溶液的粘度为13000mPa·S，其他同实施例2。
再如：向海藻酸钠溶液中加入双氧水，调节溶液的粘度为7000mPa·S，其他同实施例2。
如：凝固浴为质量百分比浓度2％的氯化钙水溶液，其他同实施例2。
再如：凝固浴选用氯化钡、硫酸铜或其他二价及三价金属离子溶液，其他同实施例2。
如：纺丝液温度为30℃，凝固浴温度为25℃，预加热浴、牵伸浴、牵伸定型温度分别为40℃、70℃、150℃，纤维的牵伸比为200％，其他同实施例2。
再如：纺丝液温度为45℃，凝固浴温度为30℃，预加热浴、牵伸浴、牵伸定型温度分别为70℃、120℃、130℃，纤维的牵伸比为300％，其他同实施例2。
Claims (3)
1.一种海藻酸钠/碳纳米管复合纤维的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
a将适量的碳纳米管加入海藻酸钠溶液中，得到海藻酸钠/碳纳米管纺丝液；
b将步骤a中制取的海藻酸钠/碳纳米管纺丝液经过凝固浴，得到海藻酸钠/碳纳米管初生纤维；
c将步骤b中制取的海藻酸钠/碳纳米管初生纤维经过预加热浴、牵伸浴后进行牵伸定型和上油处理，得到海藻酸钠/碳纳米管复合纤维；
上述步骤a中包括步骤：
a1将适量的海藻酸钠溶于去离子水中，得到质量百分比浓度为2％～7％的海藻酸钠溶液；
a2向步骤a1中制取的海藻酸钠溶液中加入粘度调节剂，调整溶液的粘度为2000～13000mPa·S；
a3向步骤a2中所获取的海藻酸钠溶液中加入碳纳米管，经搅拌、超声分散后进行过滤与减压脱泡，制得海藻酸钠/碳纳米管纺丝液；
上述碳纳米管为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管，碳纳米管的加入量与海藻酸钠的质量百分比为0.5％～100％；
上述步骤b中：纺丝液温度为30～55℃；凝固浴为质量百分比浓度为2％～5％的氯化钙水溶液，凝固浴温度为25～55℃。
2.根据权利要求1所述的一种海藻酸钠/碳纳米管复合纤维的制备方法，其特征在于：步骤a2中，所述粘度调节剂为双氧水或次氯酸钠。
3.根据权利要求1所述的一种海藻酸钠/碳纳米管复合纤维的制备方法，其特征在于：步骤c中：预加热浴、牵伸浴和牵伸定型温度分别为40～70℃、70～120℃和120～150℃；纤维的牵伸比为120～300％。
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