CN106192048B - 一种氧化石墨烯改性聚丙烯纤维的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氧化石墨烯改性聚丙烯纤维的制备方法。针对氧化石墨烯在聚丙烯基中的分散困难问题，本发明通过利用二甲苯和乙醇作为溶剂将氧化石墨烯有效的分散在聚丙烯中，氧化石墨烯以多层的形式存在与聚丙烯基材料中。将共混得到复合材料通过造粒机制备出复合材料母粒，在通过熔融纺丝机纺出聚丙烯基纤维；制得氧化石墨烯改性聚丙烯纤维的热稳定性能和拉伸性能具有大幅度的提高；本发明操作容易，工艺简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种氧化石墨烯改性聚丙烯纤维的制备方法，属于聚丙烯基复合纤维技术领域。
背景技术
由于石墨烯及其衍生物独特的结构，使其在电学，力学，热学方面具有优异的性能，人们越来越多的致力于石墨烯在复合材料中的应用，相比于石墨烯，氧化石墨烯具有更好的与聚合物材料复合的条件。通常石墨烯会被用来做复合材料的增强相和功能相。在复合材料中引入氧化石墨烯不仅能提高其原有性能，还会引发出复合材料独特的性能和应用。碳系中碳纳米管常被用来提高复合材料的机械性能，与之相比，氧化石墨烯除了具备优异的力学性能，还具有独特的片层结构，具有很大的表面积(2620m2/g)(Liang,Y.；Wang,H.；Casalongue,H.S.；Chen,Z.；Dai,H.,TiO2nan℃rystals grown on graphene asadvanced phot℃atalytic hybrid materials.Nano Research2010,3,(10),701-705.)。然而氧化石墨烯却由于其片层薄，比表面积大的原因，会在与聚合物共混时，出现不可逆的团聚，这一现象使添加剂在聚合物中不能均匀混合，导致氧化石墨烯类添加剂与聚合物的界面作用大大降低，使复合材料的性能降低。
为改变氧化石墨烯增强相在聚合物中分散效果，通常对氧化石墨烯进行改性，在其表面嫁接一些非极性基团。但是这种方法比较麻烦，本发明采用一种简单的液相共混的方法制备出氧化石墨烯改性聚丙烯材料，达到了有效分散的效果。
发明内容：
针对现在技术的不足及氧化石墨烯在聚丙烯中分散性不好等问题，本发明提供了一种氧化石墨烯改性聚丙烯纤维的制备方法。
本发明的技术方案如下：
一种氧化石墨烯改性聚丙烯纤维的制备方法，步骤如下：
(1)将氧化石墨烯加入乙醇溶液，利用超声溶解，制得浓度为0.2-1.0mg/mL的氧化石墨烯溶液；
(2)将聚丙烯按照质量比1：(15-20)加入到二甲苯中，提高温度至115-135℃；聚丙烯完全溶解在二甲苯中；
(3)将氧化石墨烯溶液缓慢加入到聚丙烯溶液中，在130-160℃温度下机械搅拌0.5h；将混合物放在45-55℃空气气氛中干燥，即得到氧化石墨烯改性聚丙烯复合材料，将所得到的氧化石墨烯改性聚丙烯复合材料进行熔融纺丝，得到氧化石墨烯改性聚丙烯纤维。
优选的，步骤(1)中所述的氧化石墨烯的浓度为1mg/mL。
步骤(1)中所述的超声功率为90W，超声时间为0.5h。
步骤(2)中所述的反应的温度为125℃。
步骤(2)中所述的聚丙烯与二甲苯的质量比为1:16。
步骤(3)中所述的反应温度为150℃。
步骤(2)(3)中所述的搅拌速率为800r/min。
步骤(3)中所述干燥方式为45-55℃空气气氛中干燥24-48h。
本发明的有益效果是：
1、本发明以乙醇和二甲苯为溶剂，采用液相共混的方法，首次合成了氧化石墨烯改性聚丙烯纤维，该复合纤维的结晶性，热稳定性和拉伸性能有了明显提高。
2、本发明不需要对氧化石墨烯进行改性，也不需要复杂的操作，制作条件简单，制作步骤简易，易于大批量生产。
3、本发明制备的氧化石墨烯改性聚丙烯纤维比纯聚丙烯纤维的热稳定性明显提高。
附图说明
图1为实施例1所制备的氧化石墨烯改性聚丙烯纤维的投射电镜图。
图2为实施例1所制备的氧化石墨烯改性聚丙烯纤维的扫描电镜图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例中所使用的原料均为常规市购产品，所用设备均为常规设备，测试方法均为常规方法。
其中：聚丙烯，中国石化上海石油化工股份有限公司；无水乙醇，天津市富宇精细化工有限公司；二甲苯，天津市富宇精细化工有限公司；氧化石墨烯，自制，方法参考中国发明专利CN201410563274.1的制备方法。
实施例1中所制备样品的透射电镜照片是由日本JEOL公司JEOL2011投射电子显微镜检测获得；扫描电镜是由日本JEOL公司JSM-6390LV扫描电子显微镜检测获得；热失重测试是由沃特斯有限公司的Q50热失重仪测试获得；拉伸性能测试是由济南一诺世纪实验仪器有限公司WDW-20微机控制电子万能试验机测试获得。
实施例1
一种氧化石墨烯改性聚丙烯纤维的制备方法，步骤如下：
(1)在功率为90W条件下，将50mg氧化石墨烯溶于100ml无水乙醇中，制得氧化石墨烯溶液。
(2)将5g聚丙烯加入到80g二甲苯中，以800r/min的搅拌速率在三口烧瓶中加热溶解，温度为125℃，待聚丙烯溶解于二甲苯溶剂中，制得聚丙烯溶液。
(3)升温至155℃，将氧化石墨烯溶液分批少量加入到聚丙烯溶液中，搅拌0.5h，混合均匀后，将混合物放在50℃空气气氛中干燥48h。即得到氧化石墨烯改性聚丙烯复合材料。之后将复合材料进行熔融纺丝。
图1为本实施例制备的氧化石墨烯改性聚丙烯纤维的切片透射电镜(TEM)图，本实施例1制备的氧化石墨烯改性聚丙烯中，氧化石墨烯以片层的形式存在于复合材料中，尺寸为30-100nm，图2为实施例1所制备的氧化石墨烯改性聚丙烯纤维的扫描电镜(SEM)图。
实施例2
(1)将氧化石墨烯加入乙醇溶液，利用超声溶解，制得浓度为1.0mg/mL的氧化石墨烯溶液；所述的超声功率为75W，超声时间为0.8h；
(2)将聚丙烯按照质量比1：20加入到二甲苯中，提高温度至115℃；聚丙烯完全溶解在二甲苯中；
(3)将氧化石墨烯溶液缓慢加入到聚丙烯溶液中，在160℃温度下机械搅拌0.5h；将混合物放在45℃空气气氛中干燥24h，即得到氧化石墨烯改性聚丙烯复合材料，将所得到的氧化石墨烯改性聚丙烯复合材料进行熔融纺丝，得到氧化石墨烯改性聚丙烯纤维。
所述的步骤(2)(3)中所述的搅拌速率为600r/min。
实施例3
(1)将氧化石墨烯加入乙醇溶液，利用超声溶解，制得浓度为0.2mg/mL的氧化石墨烯溶液；所述的超声功率为100W，超声时间为0.6h；
(2)将聚丙烯按照质量比1：15加入到二甲苯中，提高温度至135℃；聚丙烯完全溶解在二甲苯中；
(3)将氧化石墨烯溶液缓慢加入到聚丙烯溶液中，在130℃温度下机械搅拌0.5h；将混合物放在55℃空气气氛中干燥36h，即得到氧化石墨烯改性聚丙烯复合材料，将所得到的氧化石墨烯改性聚丙烯复合材料进行熔融纺丝，得到氧化石墨烯改性聚丙烯纤维。
所述的步骤(2)(3)中所述的搅拌速率为1000r/min。
对比实施例1
一种氧化石墨烯改性聚丙烯纤维的制备方法，步骤同实施例1，不同的是：氧化石墨烯溶液浓度为0.2mg/ml。
对比实施例2
一种氧化石墨烯改性聚丙烯纤维的制备方法，步骤同实施例1，不同的是：氧化石墨烯溶液浓度为1.0mg/ml。
对照例
本对照例聚丙烯材料的制备方法，步骤步骤如下：
将5g聚丙烯加入到80g二甲苯中，以800r/min的搅拌速率在三口烧瓶中加热溶解，温度为125℃，待聚丙烯溶解于二甲苯溶剂中，制得聚丙烯溶液。升温至155℃，搅拌0.5h。将聚丙烯放在放在50℃空气气氛中干燥48h。即得到对比样聚丙烯材料。熔融纺丝制备纤维。
将实施例1，对比实施例1和2与对照例进行性能对比，结果如下：
由以上数据可知，经过氧化石墨烯改性聚丙烯纤维相比对照例不仅力学性能得到提升，而且其热性能也有明显提高。其改性原因可能为：1、氧化石墨烯具有片径较小，比表面积大等优点，导致其界面作用较大，而且氧化石墨烯并不是平整的片层，而是具有褶皱的表面，这些特点限制了周围聚丙烯分子链的运动；2、氧化石墨烯的二维层状限域效应阻碍了分子链的流动，增加了链之间的作用力，需要更多的能量才能达到断裂的效果。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种氧化石墨烯改性聚丙烯纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1) 将氧化石墨烯加入乙醇溶液，利用超声溶解，制得浓度为0.2-1.0mg/mL 的氧化石墨烯溶液；所述超声的功率为90W，超声时间为0.5h；
(2) 将聚丙烯按照质量比1：(15-20)加入到二甲苯中，提高温度至115-135℃，聚丙烯完全溶解在二甲苯中；
(3) 将氧化石墨烯溶液缓慢加入到聚丙烯溶液中，在130-160℃温度下机械搅拌0.5h，将混合物放在45-55℃空气气氛中干燥24-48h，即得到氧化石墨烯改性聚丙烯复合材料，将所得到的氧化石墨烯改性聚丙烯复合材料进行熔融纺丝，得到氧化石墨烯改性聚丙烯纤维；步骤(2)(3)中搅拌速率均为800r/min。
2.根据权利要求1所述的氧化石墨烯改性聚丙烯纤维的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的氧化石墨烯的浓度为1mg/mL。
3.根据权利要求1所述的氧化石墨烯改性聚丙烯纤维的制备方法，其特征在于，步骤(2)中反应的温度为125℃。
4.根据权利要求1所述的氧化石墨烯改性聚丙烯纤维的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述的聚丙烯与二甲苯的质量比为1:16。
5.根据权利要求1所述的氧化石墨烯改性聚丙烯纤维的制备方法，其特征在于，步骤(3)中反应温度为150℃。
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20201013 Termination date: 20210801 |