CN106192063A

CN106192063A - 一种石墨烯粘胶纤维及其制备方法

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Publication number: CN106192063A
Application number: CN201610575909.9A
Authority: CN
Inventors: 山传雷
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-07-21
Filing date: 2016-07-21
Publication date: 2016-12-07

Abstract

本发明提供一种石墨烯粘胶纤维，其特征在于：所述纤维素纤维含有石墨烯和茶树籽提取物。本发明还提供一种石墨烯粘胶纤维的制备方法，其特征在于：包括稳定液制备步骤，所述稳定液制备步骤包括：准备浓度为50‑67%的乙醇溶液，加热至55‑63℃；将制备的缓冲组份，在搅拌条件下，快速加入乙醇溶液中，经紫外线照射和超声处理制得稳定液。本发明制备的石墨烯粘胶纤维，其干断裂强度为5.18‑7.15cN/dtex；湿断裂强度为3.65‑4.62 cN/dtex；纱线缩水率0.1‑0.3%；钩接强力16‑20 cN/tex。

Description

一种石墨烯粘胶纤维及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种石墨烯粘胶纤维及其制备方法，属于纤维技术领域。

背景技术

功能性纤维可以有效地提高其纺织产品的附加值，提升纺织产品的功能和档次，满足多元化的服用需求，所以开发和设计新型的功能性纤维已成为纺织行业研究热点，其中包括耐高温阻燃、抗菌防臭、保温蓄热、抗静电、防紫外线、高吸湿吸水及绿色环保等功能性纤维。

再生纤维素纤维具有与棉纤维相似的服用性能，而且可通过其大分子上羟基的化学反应进行接枝和功能性整理，所以通常作为功能性纤维的基体。石墨烯是一种新型碳纳米轻质材料，具有独特的单原子层二维晶体结构，由于其超高的强度、电导率、热导率及透光性等特性而得到广泛研究，包括石墨烯及石墨烯薄膜的结构、制备方法及性能研究。专利文件 CN201110441254 涉及一种高强度宏观石墨烯导电纤维的制备方法，虽然该纤维具有高强度和优良的导电性，但存在生产过程较复杂，纤维断裂伸长率差，且生产成本较高。专利文件 CN201210001524 发明的一种高强度石墨烯有序多孔纤维及其制备方法中纤维生产工艺复杂，产量较低，不能大规模生产，且只能用在某些特定领域。专利文件CN201210001536 一种离子增强石墨烯纤维及其制备方法，所涉及到的纤维生产工艺耗时长，纤维结构粗糙，断裂强度低等缺点，限制了纤维的应用和规模化生产。专利文件CN201210017773 涉及一种石墨烯纤维的制备方法，其制备的石墨烯纤维产量较低，难以实现产业化生产，且服用性能不理想。以上专利文件主要介绍了利用石墨烯溶液或溶胶制备纯石墨烯纤维及其差别化纤维的方法。同时，上述专利文件中所涉及的纤维都是纯石墨烯纤维，限制其应用领域。

专利文件CN201210549357、CN201410670057、CN201510096254、CN201510267761、CN201510817208、CN201510848219、CN201510849113公开了一种采用石墨烯为原料来进行湿法纺制再生纤维素纤维的工艺，其制备的纤维素纤维干湿强偏低，工艺没有达到石墨烯超强纤维的要求。

到目前为止，以具有优质特性的石墨烯和再生纤维素为原料，通过高效共混、湿法纺丝工艺以及后处理还原技术制备的具有优良导电性能、导热性能、抗菌性能、高强度且具有良好服用性能的功能性纤维的研究和制备方法尚未见报道。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种石墨烯粘胶纤维及其制备方法，以实现以下发明目的：

1、本发明制备的石墨烯粘胶纤维，湿断裂强度较高、纱线缩水率合适、钩接强力较高；

2、本发明制备的石墨烯粘胶纤维含有石墨烯和茶树籽提取物，在赋予粘胶纤维高强高模的同时，纤维具有很强的抗菌驱蚊防螨性能；

3、本发明制备的石墨烯粘胶纤维对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌具有一定的抑菌作用，特别是对金黄色葡萄球菌的选择抑菌作用较好；

4、本发明制备的石墨烯粘胶纤维制备过程中酸浴成本因酸浴的构成组份不同，成本降低15-32%，酸浴废水排放量降低35-46%；

5、本发明制备的石墨烯粘胶纤维，具有远红外发射效果，同时3%伸长率所需的强度较为适当，干断裂伸长率、湿断裂伸长率较高，电阻率小于1×10⁶ Ω·g/cm²，大大提高纤维的导电性能。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种石墨烯粘胶纤维，其特征在于：所述纤维素纤维含有石墨烯和茶树籽提取物。

以下是对上述技术方案的进一步改进：

所述纤维素纤维，石墨烯含量为3.5-10.8%；茶树籽提取物含量0.1-0.47%。

所述纤维素纤维，干断裂强度为5.18-7.15cN/dtex，湿断裂强度为3.65-4.62 cN/dtex，纱线缩水率0.3-0.1%，钩接强力16-20 cN/dtex。

所述纤维素纤维远红外发射率90.1-96.7%，干断裂伸长率25-37%，湿断裂伸长率22-39%，纤维质量比电阻为 0.5-1×10⁶ Ω·g/cm ² ，纤维热分解温度为≥600℃。

一种石墨烯粘胶纤维的制备方法，其特征在于：包括稳定液制备步骤，所述稳定液制备步骤包括：

准备浓度为50-67%的乙醇溶液，加热至55-63℃；将制备的缓冲组份，在搅拌条件下，快速加入乙醇溶液中，经紫外线照射和超声处理制得稳定液。

所述缓冲组份与乙醇的质量比为4-6:1；所述搅拌速率189-212r/min；所述紫外线照射时间为80-120min，紫外线输出量为30-35ｕw∕cm²。

所述超声处理次数为两次；所述第一次超声时间为10-15min，超声频率为120-150KHz；静置20-25min后，进行二次超声处理；所述二次超声梳理时间70-75min，二次超声频率为20-25KHz。

所述缓冲组份，按重量份数计包含以下原料：30-35份纺丝粘胶原液、0.9-1.3份天然保护剂、28-30份石墨烯、0.1-0.3份黄原胶、1.5-2.5份聚氧乙烯变性剂。

所述聚氧乙烯变性剂为油醇聚氧乙烯醚，pH值6.5-6.8，粘度为50-53s；所述石墨烯，厚度为0.46-0.48nm，比表面积为2880-2940m²/g，导热率为4150-4200W/mK。

所述天然保护剂为茶树籽提取物，所述茶树籽提取物pH值：5.0-6.5，活性物含量：≥75% ，细度≥90，茶皂素含量65-70%。

由于采用了上述技术方案，本发明达到的技术效果如下：

1、本发明制备的石墨烯粘胶纤维，其干断裂强度为5.18-7.15cN/dtex；湿断裂强度为3.65-4.62 cN/dtex；纱线缩水率0.1-0.3%；钩接强力16-20 cN/tex；

2、本发明制备的石墨烯粘胶纤维石墨烯含量为3.5-10.8%；本发明制备的石墨烯粘胶纤维茶树籽提取物含量为0.1-0.47%；

3、本发明制备的石墨烯粘胶纤维对金黄色葡萄球菌的抑菌率达96.7-99.3%；对大肠杆菌的抑菌率95.3-99.2%；

4、纤维制备过程中酸浴成本因酸浴的构成组份不同，成本降低15-32%，酸浴废水排放量降低35-46%；

5、本发明制备的石墨烯粘胶纤维，远红外发射率90.1-96.7%；3%伸长率所需的强度0.75-0.95%；干断裂伸长率25-37%，湿断裂伸长率22-39%；特别是本发明实施例5和6，当黄原胶的加入量为0.5、0.6份时，本发明制备的石墨烯粘胶纤维干断裂伸长率为37%；湿断裂伸长率为38-39%。

具体实施方式

实施例1 ：一种石墨烯粘胶纤维的制备方法，包括以下步骤：

（1）稳定液制备

准备浓度为50%的乙醇溶液，加热至55℃；将制备的缓冲组份，在搅拌条件下，快速加入乙醇溶液中，经紫外线照射和超声处理制得稳定液。

所述缓冲组份与乙醇的质量比为41；所述搅拌速率189r/min；所述紫外线照射时间为80min，紫外线输出量为30ｕw∕cm²；所述超声处理次数为两次；所述第一次超声时间为10min，超声频率为120KHz，静置20min后，进行二次超声处理，二次超声梳理时间70min，二次超声频率为20KHz。

所述缓冲组份，按重量份数计包含以下组份：30份纺丝粘胶原液、0.9份天然保护剂、28份石墨烯、0.1份黄原胶、1.5份聚氧乙烯变性剂；

所述纺丝粘胶原液，熟成度：6.5ml，粘度：50s，过滤值80ml，甲纤含量：10.2%；

所述天然保护剂为茶树籽提取物，所述茶树籽提取物pH值：5.0，活性物含量：85% ，细度：96，茶皂素含量65%；

所述石墨烯，厚度为0.45nm，比表面积为2835m²/g，导热率为4100W/mK；

所述黄原胶，30目，干燥失重1%，总灰分含量0.05%，丙酮酸含量3%，pH值6.5；

所述聚氧乙烯变性剂为油醇聚氧乙烯醚，pH值6.5，粘度为50s；

所述缓冲组份的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将石墨烯制成乳液，石墨烯乳液浓度为12%，将乳液加热至60℃，快速将聚氧乙烯变性剂加入石墨烯乳液中，并快速搅拌，搅拌速度120r/min，搅拌时间30min，制备成石墨烯变性液；

步骤2：石墨烯变性液冷却到55℃后，将黄原胶和茶树籽提取物混合后匀速加入到制备成的石墨烯变性液中，搅拌50min，得石墨烯稳定胶；

步骤3：将制得所述石墨烯稳定胶按照所述重量份数与纺丝粘胶原液混合均匀，得缓冲组份，缓冲组份的温度保持53℃。

（2）石墨烯粘胶纤维纺丝粘胶制备

将步骤（1）制得的稳定液，通过纺前注射系统，注入纺丝粘胶中，稳定液注入量为纺丝粘胶质量的15%，混合均匀，制得石墨烯粘胶纤维纺丝粘胶；制得的所述石墨烯粘胶纤维纺丝粘胶，熟成度：7.5ml，粘度：50s，过滤值75ml，甲纤含量：9.8%。

（3）石墨烯粘胶纤维的制备

将步骤（2）制得的石墨烯粘胶纤维纺丝粘胶，在酸浴中进行纺丝；所述的酸浴组成为H₂SO₄：65g/l，ZnSO₄：30g/l，Na₂SO₄：220g/l，酸温30℃

牵伸步骤包括喷头牵伸、盘间牵伸，所述喷头牵伸比例为20%，盘间牵伸为40%。

（4）后处理工序

取消漂白工序，水洗温度：55℃，脱硫温度：63℃，脱硫采用硫氢化钠代替氢氧化钠，上油温度40℃。

纺丝工艺：所述纺丝工序的纺速为65m/min，烘干温度72℃。

实施例2：一种石墨烯粘胶纤维的制备方法，包括以下步骤：

（1）稳定液制备

准备浓度为60%的乙醇溶液，加热至58℃；将制备的缓冲组份，在搅拌条件下，快速加入乙醇溶液中，经紫外线照射和超声处理制得稳定液。

所述缓冲组份与乙醇的质量比为5:1；所述搅拌速率195r/min；所述紫外线照射时间为95min，紫外线输出量为32ｕw∕cm²；所述超声处理次数为两次；所述第一次超声时间为12min，超声频率为130KHz，静置22min后，进行二次超声处理，二次超声梳理时间72min，二次超声频率为22KHz。

所述缓冲组份，按重量份数计包含以下组份：32份纺丝粘胶原液、1份天然保护剂、29份石墨烯、0.2份黄原胶、2份聚氧乙烯变性剂；

所述纺丝粘胶原液，熟成度：7ml，粘度：52s，过滤值85ml，甲纤含量：11.2%；

所述天然保护剂为茶树籽提取物，所述茶树籽提取物pH值：6.2，活性物含量：82% ，细度：95，茶皂素含量68%；

所述石墨烯，厚度为0.46nm，比表面积为2880m²/g，导热率为4150W/mK；

所述黄原胶，45目，干燥失重1.2%，总灰分含量0.06%，丙酮酸含量3.2%，pH值6.8；

所述聚氧乙烯变性剂为油醇聚氧乙烯醚，pH值6.7，粘度为52s；

所述缓冲组份的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将石墨烯配置成乳液，石墨烯乳液浓度为18%，加热至65℃，快速将聚氧乙烯变性剂加入石墨烯乳液中，并快速搅拌，搅拌速度130r/min，搅拌时间33min，制备成石墨烯变性液；

步骤2：石墨烯变性液冷却到57℃后，将黄原胶和茶树籽提取物混合后匀速加入到制备成的石墨烯变性液中，搅拌53min，得石墨烯稳定胶；

步骤3：将制得所述石墨烯稳定胶按照所述重量份数与纺丝粘胶原液混合均匀，得缓冲组份，缓冲组份的温度保持55℃。

（2）石墨烯粘胶纤维纺丝粘胶制备

将步骤（1）制得的稳定液，通过纺前注射系统，注入纺丝粘胶中，稳定液注入量为纺丝粘胶质量的25%，混合均匀，制得石墨烯粘胶纤维纺丝粘胶；制得的所述石墨烯粘胶纤维纺丝粘胶，熟成度：9.6ml，粘度：53s，过滤值78ml，甲纤含量：10.2%；

（3）石墨烯粘胶纤维的制备

牵伸步骤包括喷头牵伸、盘间牵伸，所述喷头牵伸比例为28%，盘间牵伸为44%。

（4）后处理工序

取消漂白工序，水洗温度：57℃，脱硫温度：65℃，脱硫采用硫氢化钠代替氢氧化钠，上油温度42℃。

纺丝工艺：所述纺丝工序的纺速为68m/min，烘干温度76℃。

实施例3：一种石墨烯粘胶纤维的制备方法如下：

（1）稳定液制备

准备浓度为67%的乙醇溶液，加热至62℃；将制备的缓冲组份，在搅拌条件下，快速加入乙醇溶液中，经紫外线照射和超声处理制得稳定液。

所述缓冲组份与乙醇的质量比为6:1；所述搅拌速率212r/min；所述紫外线照射时间为120min，紫外线输出量为35ｕw∕cm²；所述超声处理次数为两次；所述第一次超声时间为15min，超声频率为148KHz，静置25min后，进行二次超声处理，二次超声梳理时间75min，二次超声频率为25KHz。

所述缓冲组份，按重量份数计包含以下组份：35份纺丝粘胶原液、1.3份天然保护剂、30份石墨烯、0.3份黄原胶、2.5份聚氧乙烯变性剂；

所述纺丝粘胶原液，熟成度： 8.2ml，粘度： 53s，过滤值93ml，甲纤含量： 11.6%；

所述天然保护剂为茶树籽提取物，所述茶树籽提取物pH值： 6.5，活性物含量：80% ，细度：92，茶皂素含量70%；

所述石墨烯，厚度为0.48nm，比表面积为2940m²/g，导热率为4200W/mK；

所述黄原胶，55目，干燥失重1.5%，总灰分含量0.08%，丙酮酸含量3.5%，pH值7；

所述聚氧乙烯变性剂为油醇聚氧乙烯醚，pH值6.6，粘度为53s；

所述缓冲组份的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将石墨烯配置成乳液，将石墨烯乳液加热至69℃，快速将聚氧乙烯变性剂加入石墨烯乳液中，并快速搅拌，搅拌速度150r/min，搅拌时间35min，制备成石墨烯变性液；

步骤2：石墨烯变性液冷却到58℃后，将黄原胶和茶树籽提取物混合后匀速加入到制备成的石墨烯变性液中，搅拌55min，得石墨烯稳定胶；

步骤3：将制得所述石墨烯稳定胶按照所述重量份数与纺丝粘胶原液混合均匀，得缓冲组份，缓冲组份的温度保持56℃。

（2）石墨烯粘胶纤维纺丝粘胶制备

将步骤（1）制得的稳定液，通过纺前注射系统，注入纺丝粘胶中，稳定液注入量为纺丝粘胶质量的28%，混合均匀，制得石墨烯粘胶纤维纺丝粘胶；制得的所述石墨烯粘胶纤维纺丝粘胶，熟成度： 10.8ml，粘度： 55s，过滤值75ml，甲纤含量：9.8%；

（3）石墨烯粘胶纤维的制备

牵伸步骤包括喷头牵伸、盘间牵伸，所述喷头牵伸比例为%，盘间牵伸为46%。

（4）后处理工序

纺丝工艺：所述纺丝工序的纺速为65m/min，烘干温度78℃。

本发明实施例1、2、3制备的石墨烯粘胶纤维，具有优异的性能，以下试验为检测本发明制备的石墨烯粘胶纤维的性能参数等相关数据。

（1）本发明实施例1、2、3制备的石墨烯粘胶纤维的干断裂强度、湿断裂强度、纱线缩水率、钩接断裂强度参数，见表1

表1 本发明制备的石墨烯粘胶纤维的干断裂强度、湿断裂强度、纱线缩水率、钩接断裂强度参数对比

由上表可以看出，本发明制备的石墨烯粘胶纤维，其干断裂强度为5.18-7.15cN/dtex；湿断裂强度为3.65-4.62cN/dtex；纱线缩水率0.1-0.3%；钩接强力16-20 cN/tex。

（2）本发明实施例1、2、3制备的石墨烯粘胶纤维的规格、石墨烯含量、茶树籽提取物、弹性回复率参数，见表2

表2 本发明制备的石墨烯粘胶纤维的规格、石墨烯含量、茶树籽提取物、纤维质量比电阻，纤维热分解温度检测指标

由上表可以看出，本发明制备的石墨烯粘胶纤维，石墨烯含量为3.5-10.8%，茶树籽提取物含量为0.1-0.47%，纤维质量比电阻为0.5-1Ω·g/cm ²，纤维热分解温度问600-710℃。

（3）本发明实施例1、2、3制备的石墨烯粘胶纤维的对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌的抑菌性及制备过程中酸浴调配的成本和酸浴废水的排放降低量，见表3

表3 本发明制备的石墨烯粘胶纤维对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌的抑菌性及制备过程中酸浴调配的成本和酸浴废水的排放降低量对比

由上表可以看出本发明制备的石墨烯粘胶纤维对金黄色葡萄球菌的抑菌率达96.7-99.3%；对大肠杆菌的抑菌率95.3-99.2%；

纤维制备过程中酸浴成本因酸浴的构成组份不同，成本降低15-32%，酸浴废水排放量降低35-46%。

（4）本发明实施例1、2、3制备的石墨烯粘胶纤维，具有远红外发射性能和湿状态下产生3%伸长率所需的强度、干断裂伸长率、湿断裂伸长率，见表4：

表4 本发明制备的石墨烯粘胶纤维，远红外发射性能、湿状态下产生3%伸长率所需的强度、干断裂伸长率、湿断裂伸长率尖刺对比

由上表可以看出，本发明制备的石墨烯粘胶纤维，远红外发射率90.1-96.7%；3%伸长率所需的强度0.75-0.95 cN/dtex；干断裂伸长率25-28%，湿断裂伸长率22-29%。

综合上述检测数据可以明显看出，实施例3是本发明的最佳实施例

实施例4 单因素分析试验

在试验中我们发现，在石墨烯粘胶纤维制备过程中，稳定液制备步骤中的缓冲组份中的黄原胶的加入量对制备的石墨烯粘胶纤维的断裂强度有一定影响。下面采用实施例3的方法，只改变稳定液制备步骤过程中，缓冲组份中的黄原胶的加入量，试验不同加入量对制备的石墨烯粘胶纤维指标参数的影响；具体检测指标见表5

由上表可以看出，当黄原胶的加入量为0.5、0.6份时，本发明制备的石墨烯粘胶纤维干断裂伸长率为37%；湿断裂伸长率为38-39%，因此实施例5、6中是本发明干断裂伸长率与湿断裂伸长率的最佳实施例。

除非另有说明和本领域常用单位，本发明中所采用的百分数均为重量百分数，本发明所述的比例，均为质量比例。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种石墨烯粘胶纤维，其特征在于：所述纤维素纤维含有石墨烯和茶树籽提取物。

2.根据权利要求1所述的一种石墨烯粘胶纤维，其特征在于：所述纤维素纤维，石墨烯含量为3.5-10.8%；茶树籽提取物含量0.1-0.47%。

3.根据权利要求1所述的一种石墨烯粘胶纤维，其特征在于：所述纤维素纤维，干断裂强度为5.18-7.15cN/dtex，湿断裂强度为3.65-4.62 cN/dtex，纱线缩水率0.3-0.1%，钩接强力16-20 cN/dtex。

4.根据权利要求1所述的一种石墨烯粘胶纤维，其特征在于：所述纤维素纤维远红外发射率90.1-96.7%，干断裂伸长率25-37%，湿断裂伸长率22-39%，纤维质量比电阻为 0.5-1×10⁶ Ω·g/cm ² ，纤维热分解温度为≥600℃。

5.一种石墨烯粘胶纤维的制备方法，其特征在于：包括稳定液制备步骤，所述稳定液制备步骤包括：

6.根据权利要求5所述的一种石墨烯粘胶纤维的制备方法，其特征在于：所述缓冲组份与乙醇的质量比为4-6:1；所述搅拌速率189-212r/min；所述紫外线照射时间为80-120min，紫外线输出量为30-35ｕw∕cm²。

7.根据权利要求5所述的一种石墨烯粘胶纤维的制备方法，其特征在于：所述超声处理次数为两次；所述第一次超声时间为10-15min，超声频率为120-150KHz；静置20-25min后，进行二次超声处理；所述二次超声梳理时间70-75min，二次超声频率为20-25KHz。

8.根据权利要求5所述的一种石墨烯粘胶纤维的制备方法，其特征在于：所述缓冲组份，按重量份数计包含以下原料：30-35份纺丝粘胶原液、0.9-1.3份天然保护剂、28-30份石墨烯、0.1-0.3份黄原胶、1.5-2.5份聚氧乙烯变性剂。

9.根据权利要求8所述的一种石墨烯粘胶纤维的制备方法，其特征在于：所述聚氧乙烯变性剂为油醇聚氧乙烯醚，pH值6.5-6.8，粘度为50-53s；所述石墨烯，厚度为0.46-0.48nm，比表面积为2880-2940m²/g，导热率为4150-4200W/mK。

10.根据权利要求8所述的一种石墨烯粘胶纤维的制备方法，其特征在于：所述天然保护剂为茶树籽提取物，所述茶树籽提取物pH值：5.0-6.5，活性物含量：≥75% ，细度≥90，茶皂素含量65-70%。