CN106049057A - 一种亲水、抗静电聚酯纤维的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种亲水、抗静电聚酯纤维的制备方法，采用碳酸溶液作为壳聚糖凝胶的溶剂，将壳聚糖涂覆于聚酯纤维表面；再通过氧化石墨烯与壳聚糖之间的相互作用，在聚酯纤维表面形成稳定的氧化石墨烯/壳聚糖涂层；洗涤干燥后获得亲水、抗静电聚酯纤维。本发明采用碳酸作为壳聚糖的溶剂，通过加热可直接形成壳聚糖膜沉积于聚酯纤维表面，无需进行溶剂的去除步骤；具有壳聚糖膜的聚酯纤维与氧化石墨烯之间具有很强的键合作用；所制备的壳聚糖/氧化石墨烯/聚酯纤维具有很好的亲水性和抗静电性能。本方法制备过程简单、环保，设备要求低，是一种绿色化学制备方法，具有广阔的应用前景。

Description

一种亲水、抗静电聚酯纤维的制备方法
技术领域
本发明涉及一种亲水、抗静电聚酯纤维的制备方法，属于合成纤维技术领域。
背景技术
聚酯纤维因其优异的物理机械性能和服用性能而备受青睐，在很多领域都有着广泛的应用，占据很大的市场。为了提高产品附加值，很多企业也在研发、生产差别化聚酯纤维，比如阻燃聚酯纤维、高吸湿透湿聚酯纤维、异形聚酯纤维抗静电聚酯纤维、抗菌防臭聚酯纤维等差别化纤维。这些差别化聚酯纤维拥有更高的附加值，也拥有更大的市场。
壳聚糖是一种天然高分子碱性多糖，具有良好的亲水性、生物相容性、抗菌性及生物可降解性。在医药、食品、化工水处理等诸多领域有着广泛的应用。近年来，在纺织工业中，壳聚糖作为生物绿色整理剂多被用于织物的染色和多种功能性整理研究。
壳聚糖改性聚酯纤维是目前聚酯纤维改性的热点之一。一般的解决方案是利用醋酸溶液作为壳聚糖的溶剂，对聚酯纤维进行后整理。这种对聚酯纤维的亲水性能有一定的效果但是抗静电性能有限。Jingchun Lv等将羧甲基壳聚糖接枝在PET纤维上，亲水性和抗静电性能得到提升，同时并未影响其热力学和物理机械性能。
石墨烯是一种由碳原子紧密堆积而成的具有蜂窝状结构的二维碳纳米材料，因其具有密度小、比表面积大、载流子迁移速率大及电导率高等优点而成为化学、物理、材料等领域的研究热点。
氧化石墨烯薄片是石墨粉末经化学氧化及剥离后的产物，氧化石墨烯的层片上含有很多含氧基团，如羧基、羟基、羰基和环氧基等，这些官能基团能显著降低石墨片层间的范德华力，增加石墨片的亲水性，实现其在水中的剥离与亲水分散。此外，氧化石墨烯层上的含氧基团可以作为反应的活性位点，参与很多化学反应。故本发明利用壳聚糖分子与氧化石墨烯之间的静电和氢键作用形成壳聚糖-氧化石墨烯复合涂层，沉积于聚酯纤维表面形成亲水抗静电聚酯纤维。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种制备过程环保，制备成本较低的，亲水、抗静电聚酯纤维的制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种亲水、抗静电聚酯纤维的制备方法，其特征在于：采用碳酸溶液作为壳聚糖凝胶的溶剂，将壳聚糖涂覆于聚酯纤维表面；再通过氧化石墨烯与壳聚糖之间的相互作用，在聚酯纤维表面形成稳定的氧化石墨烯/壳聚糖涂层；洗涤干燥后获得亲水、抗静电聚酯纤维。
优选地，具体步骤如下：
步骤1：将壳聚糖溶解于盐酸溶液中，搅拌，得到澄清的壳聚糖溶液；
步骤2：在壳聚糖溶液中滴加NaOH溶液，形成壳聚糖凝胶；
步骤3：过滤获得壳聚糖凝胶，清水洗涤至中性，定容后在室温条件下通入CO2气体至溶液澄清透明，得到壳聚糖碳酸溶液；
步骤4：将聚酯纤维浸入壳聚糖碳酸溶液中，静置后取出，并置于烘箱干燥，得到经壳聚糖处理的聚酯纤维；
步骤5：将氧化石墨烯分散在去离子水中，超声得到稳定分散的氧化石墨烯水溶液；
步骤6：将经壳聚糖处理的聚酯纤维浸入所配氧化石墨烯溶液中，静置后取出，清水洗涤、干燥，获得表面具有亲水抗静电涂层的聚酯纤维。
优选地，所述步骤1中，盐酸溶液质量百分比浓度为0.5％；搅拌时间12h；壳聚糖溶液中壳聚糖的质量百分比浓度为0.5％-2％。
优选地，所述步骤1中，壳聚糖的脱乙酰度大于85％。
优选地，所述步骤2中，NaOH溶液浓度不高于1mol/L；滴定终点为：溶液pH值为7-8。
优选地，所述步骤4中，聚酯纤维的减量率为8％-12％；聚酯纤维浸入壳聚糖碳酸溶液的浴比为1∶30；静置后6h后取出；烘箱干燥温度为30℃-50℃。
优选地，所述步骤5中，氧化石墨烯水溶液的质量百分比浓度为0.1-0.5mg/ml。
优选地，所述步骤5中，氧化石墨烯由Hummers法制备获得。
优选地，所述步骤6中，静置3h后取出；干燥温度为30℃-50℃。
本发明通过将壳聚糖溶解于碳酸溶液中，在常温常压条件下使用溶胶凝胶法将壳聚糖对聚酯纤维进行涂覆，得到壳聚糖/聚酯复合材料，避免了壳聚糖在成膜后酸的去除步骤。在静电吸附的作用下，使用氧化石墨烯对所得的壳聚糖/聚酯纤维复合材料进行修饰，最终获得壳聚糖/氧化石墨烯表面修饰的聚酯纤维。
本发明涉及了两个基本的原理：
(1)CO2(0.82ml/mlH2O，25℃，1个大气压)溶解于水中形成碳酸，分解产物HCO-的pKa＝3.9，强于醋酸(pKa＝4.6)接近乳酸(pKa＝3.7)，因此可以用来溶解壳聚糖。
(2)氧化石墨烯含有大量的羧基、羰基、羟基等含氧基团，与壳聚糖之间具有静电吸附及氢键作用，结合牢固。
相比现有技术，本发明提供的方法具有如下有益效果：
1、设计思路巧妙：采用碳酸作为壳聚糖的溶剂，通过加热可直接形成壳聚糖膜沉积于聚酯纤维表面，无需进行溶剂的去除步骤；具有壳聚糖膜的聚酯纤维与氧化石墨烯之间具有很强的键合作用；
2、所制备的壳聚糖/氧化石墨烯/聚酯纤维具有很好的亲水性和抗静电性能；
3、制备过程简单、环保，设备要求低，是一种绿色化学制备方法，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是亲水抗静电聚酯纤维的制备过程示意图；
图2是实施例1中，壳聚糖、氧化石墨烯、聚酯纤维、壳聚糖/氧化石墨烯/聚酯纤维的红外光谱图。
图3实施例1中，聚酯纤维改性前后的扫描电镜图的对比；(a)是改性前的聚酯纤维；(b)是经过壳聚糖和氧化石墨烯的浸渍涂覆后的聚酯纤维。
图4是实施例1中，聚酯纤维，壳聚糖/聚酯纤维，壳聚糖/氧化石墨烯/聚酯纤维的热重分析图；(a)是失重率m随温度t变化图；(b)是图(a)中曲线的斜率dm/dt随温度t变化图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
图1为亲水抗静电聚酯纤维的制备过程示意图，将1g壳聚糖溶解于100ml的0.5％浓度盐酸溶液中，搅拌12h，得到澄清的壳聚糖溶液，壳聚糖的浓度为1％；在壳聚糖溶液中缓慢滴加0.5mol/L的NaOH溶液形成壳聚糖凝胶；过滤获得壳聚糖凝胶，清水洗涤至中性，100ml定容后在室温条件下通入CO2气体至溶液澄清透明，得到壳聚糖碳酸溶液；将减量率11％的3g聚酯纤维浸入壳聚糖碳酸溶液中，6h后取出后置于烘箱干燥得到壳聚糖/聚酯纤维，记为CS/PET；将氧化石墨烯分散在去离子水中，超声得到稳定分散的石墨烯水溶液；氧化石墨烯水溶液的质量浓度为0.1mg/ml；将经过壳聚糖处理的聚酯纤维浸入所配氧化石墨烯溶液中，3h后取出，清水洗涤、干燥，获得表面具有亲水抗静电涂层的聚酯纤维，记为CS/GO/PET-1。
使用FTIR(傅立叶红外变换光谱)、SEM(扫描电子显微镜)、TGA(热重分析)、接触角和抗静电测试仪来表征本实施例所获得的亲水抗静电聚酯纤维的结构形貌、热力学性能、亲水性及抗静电性，其结果如下：
(1)FTIR测试结果表明：氧化石墨烯在3400cm-1左右有较强的波峰，为O-H的伸缩振动吸收峰；1723cm-1为-COOH伸缩振动吸收峰；1630cm-1为C＝C的伸缩振动峰；这些吸收峰说明氧化石墨烯上有丰富的含氧基团，有利于与壳聚糖之间形成共价作用。在1655cm-1和1693cm-1处分别为壳聚糖中酰胺I和N-H的吸收峰。而壳聚糖/氧化石墨烯/聚酯纤维在3300cm-1-3600cm-1出现O-H宽峰，1637cm-1出现酰胺I峰，说明壳聚糖和氧化石墨烯已经成功涂覆在聚酯纤维表面，参见附图2。
(2)SEM测试结果表明：改性前的聚酯纤维表面相对比较光滑，经过壳聚糖和氧化石墨烯的浸渍涂覆后，在聚酯纤维表面形成一层均匀的胶膜，同时，纤维表面粗糙度增加。正是由于这层胶膜的存在，使得聚酯纤维具有较好的亲水性和抗静电性能，参见附图3。
(3)接触角测试结果表明：本实施例制备的壳聚糖/氧化石墨烯/聚酯织物的水滴消失时间缩短至3s以下。
(4)抗静电测试结果表明：本实施例制备的壳聚糖/氧化石墨烯/聚酯织物相比改性前半衰期的时间显著缩短达到6s以下，说明抗静电性能得到了显著的改善。
(5)热失重(TGA)测试结果表明：聚酯纤维在改性前后分解温度在350℃-550℃之间，失重率为80％-85％之间，参见附图4，说明壳聚糖和氧化石墨烯的涂覆并未对其热力学性能有较大的改变。
实施例2
将2g壳聚糖溶解于100ml的0.5％浓度盐酸溶液中，搅拌12h，得到澄清的壳聚糖溶液，壳聚糖的浓度为2％；在壳聚糖溶液中缓慢滴加0.5mol/L的NaOH溶液形成壳聚糖凝胶；过滤获得壳聚糖凝胶，清水洗涤至中性，100ml定容后在室温条件下通入CO2气体至溶液澄清透明，得到壳聚糖碳酸溶液；将减量率11％的3g聚酯纤维浸入壳聚糖碳酸溶液中，6h后取出后置于烘箱干燥得到壳聚糖/聚酯纤维，记为CS/PET；将氧化石墨烯分散在去离子水中，超声得到稳定分散的石墨烯水溶液；氧化石墨烯水溶液的质量浓度为0.1mg/ml；将经壳聚糖处理的聚酯纤维浸入所配氧化石墨烯溶液中，3h后取出，清水洗涤、干燥，获得表面具有亲水抗静电涂层的聚酯纤维，记为CS/GO/PET-2。
实施例3
将1g壳聚糖溶解于100ml的2％浓度乙酸溶液中，搅拌12h，得到澄清的壳聚糖溶液，壳聚糖的浓度为1％；在壳聚糖溶液中缓慢滴加0.5mol/L的NaOH溶液形成壳聚糖凝胶；过滤获得壳聚糖凝胶，清水洗涤至中性，100ml定容后在室温条件下通入CO2气体至溶液澄清透明，得到壳聚糖碳酸溶液；将减量率11％的3g聚酯纤维浸入壳聚糖碳酸溶液中，6h后取出后置于烘箱干燥得到壳聚糖/聚酯纤维，记为CS/PET；将氧化石墨烯分散在去离子水中，超声得到稳定分散的石墨烯水溶液；氧化石墨烯水溶液的质量浓度为0.5mg/ml；将经壳聚糖处理的聚酯纤维浸入所配氧化石墨烯溶液中，3h后取出，清水洗涤、干燥，获得表面具有亲水抗静电涂层的聚酯纤维，记为CS/GO/PET-3。
实施例4
将2g壳聚糖溶解于100ml的2％浓度乙酸溶液中，搅拌12h，得到澄清的壳聚糖溶液，壳聚糖的浓度为2％；在壳聚糖溶液中缓慢滴加0.5mol/L的NaOH溶液形成壳聚糖凝胶；过滤获得壳聚糖凝胶，清水洗涤至中性，100ml定容后在室温条件下通入CO2气体至溶液澄清透明，得到壳聚糖碳酸溶液；将减量率11％的3g聚酯纤维浸入壳聚糖碳酸溶液中，6h后取出后置于烘箱干燥得到壳聚糖/聚酯纤维，记为CS/PET；将氧化石墨烯分散在去离子水中，超声得到稳定分散的石墨烯水溶液；氧化石墨烯水溶液的质量浓度为0.5mg/ml；将经壳聚糖处理的聚酯纤维浸入所配氧化石墨烯溶液中，3h后取出，清水洗涤、干燥，获得表面具有亲水抗静电涂层的聚酯纤维，记为CS/GO/PET-4。
上述各实施例所制备的亲水、抗静聚酯纤维的CS/GO/PET-1～CS/GO/PET-4与传统聚酯纤维PET的亲水性能和抗静电性能比较分别如表1和表2所示。
表1上述各实施例所制备的亲水、抗静聚酯纤维与传统聚酯纤维亲水性能比较
表2上述各实施例所制备的亲水、抗静聚酯纤维与传统聚酯纤维抗静电性能比较
由表1、表2可知，上述各实施例所制备的亲水、抗静聚酯纤维与传统聚酯纤维相比，具有更好的亲水性和抗静电性能。

Claims (8)

1.一种亲水、抗静电聚酯纤维的制备方法，其特征在于：采用碳酸溶液作为壳聚糖凝胶的溶剂，将壳聚糖涂覆于聚酯纤维表面；再通过氧化石墨烯与壳聚糖之间的相互作用，在聚酯纤维表面形成稳定的氧化石墨烯/壳聚糖涂层；洗涤干燥后获得亲水、抗静电聚酯纤维。
2.如权利要求1所述的一种亲水、抗静电聚酯纤维的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤1：将壳聚糖溶解于盐酸溶液中，搅拌，得到澄清的壳聚糖溶液；
步骤2：在壳聚糖溶液中滴加NaOH溶液，形成壳聚糖凝胶；
步骤3：过滤获得壳聚糖凝胶，清水洗涤至中性，定容后在室温条件下通入CO2气体至溶液澄清透明，得到壳聚糖碳酸溶液；
步骤4：将聚酯纤维浸入壳聚糖碳酸溶液中，静置后取出，并置于烘箱干燥，得到经壳聚糖处理的聚酯纤维；
步骤5：将氧化石墨烯分散在去离子水中，超声得到稳定分散的氧化石墨烯水溶液；
步骤6：将经壳聚糖处理的聚酯纤维浸入所配氧化石墨烯溶液中，静置后取出，清水洗涤、干燥，获得表面具有亲水抗静电涂层的聚酯纤维。
3.如权利要求1所述的一种亲水、抗静电聚酯纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，盐酸溶液质量百分比浓度为0.5％；搅拌时间12h；壳聚糖溶液中壳聚糖的质量百分比浓度为0.5％-2％。
4.如权利要求1所述的一种亲水、抗静电聚酯纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，壳聚糖的脱乙酰度大于85％。
5.如权利要求1所述的一种亲水、抗静电聚酯纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤2中，NaOH溶液浓度不高于1mol/L；滴定终点为：溶液pH值为7-8。
6.如权利要求1所述的一种亲水、抗静电聚酯纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤4中，聚酯纤维的减量率为8％-12％；聚酯纤维浸入壳聚糖碳酸溶液的浴比为1∶30；静置后6h后取出；烘箱干燥温度为30℃-50℃。
7.如权利要求1所述的一种亲水、抗静电聚酯纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤5中，氧化石墨烯水溶液的质量百分比浓度为0.1-0.5mg/ml。
8.如权利要求1所述的一种亲水、抗静电聚酯纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤6中，静置3h后取出；干燥温度为30℃-50℃。
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