CN108085983A - 一种基于水凝胶和溶胶改性的凯夫拉碳复合面料及其制备方法 - Google Patents

一种基于水凝胶和溶胶改性的凯夫拉碳复合面料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于水凝胶和溶胶改性的凯夫拉碳复合面料及其制备方法，包括凯夫拉碳复合纱、复合水凝胶和二氧化钛，具体制备方法为：将凯夫拉纳米纤维与碳纳米纤维混纺形成凯夫拉碳复合纱，真空干燥后，浸入含碱液的二甲基亚砜溶液中恒温振荡，取出，晾干，得到预处理的凯夫拉碳复合纱；将凯夫拉碳复合纱加入预处理的乙烯基单体中充分浸渍后，加入交联剂和海藻酸钠反应，在戊二醛蒸汽环境下蒸汽固化，织造成面料，然后经低温等离子处理，再在负载水凝胶凯夫拉碳复合面料的表面滴加二氧化钛溶胶，室温固化，得到基于水凝胶和溶胶改性的凯夫拉碳复合面料，面料除了具有亲水亲肤高强的优点，还具有抗菌、保健、抗紫外、调温调湿等功效，综合性能优异。

Description

一种基于水凝胶和溶胶改性的凯夫拉碳复合面料及其制备 方法
技术领域
本发明属于纺织材料技术领域，具体涉及一种基于水凝胶和溶胶改性的凯夫拉碳复合面料及其制备方法。
背景技术
凝胶是由三维网络结构的高分子和充塞在高分子链段间隙中的介质构成，介质可以是气体、液体。凝胶种类众多，根据来源可分为天然凝胶与合成凝胶；依据交联方式分为通过共价键交联的化学交联与通过氢键、库仑力、配位键以及物理缠结在大分子间形成交联的物理交联；依据交联结构及其尺寸分为微凝胶与宏观凝胶；依据介质类型可分为气凝胶、水凝胶和有机凝胶。凝胶作为一种新型材料具有许多的性能优势，可用于智能纺织品、特种防护纺织品、保温隔热阻燃等功能纺织品等。
高分子水凝胶是一种能够在水中溶胀、吸收并保持大量水分而又不溶解于水的亲水性网状高分子溶胀体，表面光滑且生物相容性好。它是由高分子的三维交联网络结构和介质共同组成的多元体系，交联网络上分布着大量的亲水性基团(如酰胺基)或可解离性基团(如羧基羧酸盐)。但高分子水凝胶在溶胀状态有过于柔软、难以定形、机械强度较低、基本丧失了支撑其自身能力的缺点。通过接枝改性的方法将高分子水凝胶引入智能纺织品开发设计领域，使纤维或织物表面形成凝胶层。这种复合结构不仅弥补了凝胶材料力学强度低的缺陷，而且使纤维或织物在原有物理机械性能保持基本不变的情况下，可以获得凝胶聚合物的吸水调湿、抗压保液、环境响应、保温蓄冷、安全防护等优异性能。
中国专利CN104480712B公开的一种回潮整理剂及其在纺织品上的整理工艺，该回潮整理剂中包括柔软剂整理液、水凝胶、多元醇的水溶液和水，其中水凝胶是由琼脂糖、透明质酸盐或者蛋白质天然高分子水凝胶和聚丙烯酸系水凝胶混合而成，柔软剂整理液包括阴离子柔软剂或/和非离子高级脂肪醇柔软剂，多元醇为丙三醇，该回潮整理剂通过浸轧烘干后附着于面料表面提高面料的回潮率，提高面料凉爽的舒适度。中国专利CN 105440214A公开的一种纺织品用蓄热保温水凝胶整理剂及其制备方法，将N-异丙基丙烯酰胺、壳聚糖、N-N-亚甲基双丙烯酰胺在室温下溶解后，依次加入过硫酸钾和亚硫酸氢钠，常温反应得到蓄热保温相变水凝胶，烘干研磨得到水凝胶粉末，该水凝胶粉末中含有两种交联互穿网络，可用于纺织品用蓄热保温水凝胶整理剂中，整理后的纺织品具有蓄热保温、调节温度的功能，且不易脱落，耐水性良好。由上述现有技术可知，将水凝胶运用于纺织品不仅可以提高纺织品的舒适性，还可以赋予蓄热保温等功能性，但是目前水凝胶与纺织品中纤维的接合牢度低，难以承受日常生活中的摩擦、挤压和水洗而脱落，持久性和使用性较差，因此，需要进一步完善水凝胶在纺织品中的应用工艺。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于水凝胶和溶胶改性的凯夫拉碳复合面料及其制备方法，本发明将凯夫拉纳米纤维与碳纳米纤维混纺后的复合纱作为主要原料，在碱性二甲基亚砜预处理后在复合纱的表面形成乙烯基/海藻酸钠复合水凝胶，经戊二醛蒸汽固化后织造形成坯布，最后经低温等离子体活化后附着二氧化钛涂层，制备得到基于水凝胶和溶胶改性的凯夫拉碳复合面料。本发明制备的复合面料含有机械性能优异的纤维织造作为基布，依次在基布的表面附着复合水凝胶和二氧化钛涂层，使制备的复合面料即亲水亲肤高强智能为一体，综合性能优异。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种基于水凝胶和溶胶改性的凯夫拉碳复合面料，所述基于水凝胶和溶胶改性的凯夫拉碳复合面料包括凯夫拉碳复合纱、复合水凝胶和二氧化钛，所述凯夫拉碳复合纱由凯夫拉纳米纤维与碳纳米纤维混纺形成，所述水凝胶为乙烯基水凝胶与海藻酸钠的复合水凝胶，所述凯夫拉碳复合纱的表面经碱性二甲基亚砜预处理，所述负载水凝胶凯夫拉碳复合面料经戊二醛固化、低温等离子体处理后附着二氧化钛。
作为上述技术方案的优选，所述乙烯基水凝胶由预处理的乙烯基单体与乙烯基化合物交联得到，所述预处理的乙烯基单体为微波低温等离子体处理后的乙烯基单体。
本发明还提供一种基于水凝胶和溶胶改性的凯夫拉碳复合面料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将凯夫拉纳米纤维与碳纳米纤维混纺形成凯夫拉碳复合纱，将凯夫拉碳复合纱在真空干燥后，浸入含碱液的二甲基亚砜溶液中，恒温振荡，取出，晾干，得到预处理的凯夫拉碳复合纱；
(2)将步骤(1)制备的凯夫拉碳复合纱加入预处理的乙烯基单体中，恒温振荡充分浸渍后，加入乙烯基化合物交联剂和海藻酸钠，继续恒温振荡，取出，得到负载复合水凝胶的凯夫拉碳复合纱；
(3)将步骤(2)制备的负载复合水凝胶的凯夫拉碳复合纱在戊二醛蒸汽环境下蒸汽固化，织造得到负载水凝胶凯夫拉碳复合面料；
(4)将步骤(3)制备的负载水凝胶凯夫拉碳复合面料经低温等离子处理，再在负载水凝胶凯夫拉碳复合面料的表面滴加二氧化钛溶胶，室温固化，得到基于水凝胶和溶胶改性的凯夫拉碳复合面料。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(1)中，凯夫拉碳复合纱的纤度为0.2-0.4D，凯夫拉碳复合纱中凯夫拉纳米纤维与碳纳米纤维的质量比为0.5-2:0.5-2。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(1)中，凯夫拉纳米纤维的直径为50-300nm，碳纳米纤维的直径为100-1000nm。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(1)或者步骤(2)中，恒温振荡的温度为35-40℃，时间为0.5-8d。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(2)中，预处理的乙烯基单体为微波低温等离子体处理后的乙烯基单体，所述乙烯基单体为苯乙烯、丙烯酸甲酯或者甲基丙烯酸甲酯，所述乙烯基化合物交联剂为二乙烯基苯、乙烯基硅烷或者1,4-二(4′-乙烯苯氧基)丁烷。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(2)中，乙烯基单体与海藻酸钠的质量比为0.3-0.5:1。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(3)中，蒸汽固化的温度为80-90℃，时间为5-10min。
作为上述技术方案的优选，所述步骤(4)中，低温等离子处理的条件为：在空气氛围下，在100-200W的功率下处理30-60s。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明制备的基于水凝胶和溶胶改性的凯夫拉碳复合面料包括凯夫拉碳复合纱、复合水凝胶和二氧化钛，将凯夫拉纳米纤维与碳纳米纤维混纺后的复合纱作为主要原料，凯夫拉纳米纤维与碳纳米纤维都为一种高强纳米纤维，可显著提高织物的承载能力，且为了提高凯夫拉纳米纤维与碳纳米纤维的附着力，先将两者进行混纺，复合纱中含有纱线缠结过程形成的凹槽，且在碱性二甲基亚砜预处理后，在清除复合纱表面杂质的同时，进一步提高复合纱表面的粗糙度，有利于之后复合水凝胶的附着牢固。然后将预处理后的复合纱表面首先充分浸渍乙烯基单体，乙烯基单体渗入到凯夫拉纳米纤维与碳纳米纤维的缝隙之间以及沉着于各自纤维的表面，然后加入乙烯基交联剂和海藻酸钠，在恒温振荡的作用下，促使乙烯基单体之间发生交联，此时海藻酸钠在自身交联的同时，也与乙烯基交联体之间互穿，在牢固的固着与复合纤维表面和内部的同时形成互穿三维网络，而且复合水凝胶形成紧密的三维网络结构中大分子链充分伸展，能够均匀分散应力，防止分子链的相对位移甚至断裂，含有的非冻结结合水对复合水凝胶具有增塑作用，能提高凝胶的抗拉伸强力，可以在与外界发生冲撞的过程中吸收外界部分能量，有缓和冲击的作用，进一步提高复合纱以及面料的机械强度。将负载复合水凝胶的复合纱经戊二醛蒸汽固化后织造形成坯布，最后经低温等离子体活化后附着二氧化钛涂层，得到产品。
(2)本发明制备的复合面料含有机械性能优异的纤维织造作为基布，依次在基布的表面附着复合水凝胶和二氧化钛涂层，使制备的复合面料即亲水亲肤高强智能为一体，综合性能优异，且由于复合纱经二甲基亚砜处理后，残留的二甲基亚砜可赋予面料一定的消炎止痛、利尿、镇静等作用，二氧化钛可提高面料的抗紫外性能和抗菌性能，复合水凝胶除了能赋予面料亲水亲肤高强的性能，还具有调温调湿储水等功能。
具体实施方式
下面将结合具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例1：
(1)将直径为50nm的凯夫拉纳米纤维与直径为100nm的碳纳米纤维按照质量比为0.5:2混纺形成0.2D的凯夫拉碳复合纱，将凯夫拉碳复合纱在30℃下真空干燥后，按照用料比为1g:500mL，浸入pH值为8的含碱液的二甲基亚砜溶液中，在35℃下恒温振荡6d，取出，晾干，得到预处理的凯夫拉碳复合纱.
(2)将凯夫拉碳复合纱加入微波低温等离子体处理后的苯乙烯单体中，其中微波低温等离子体处理的功率为50W，时间为5s，在35℃下恒温振荡0.5d充分浸渍后，加入二乙烯基苯交联剂和海藻酸钠，其中，乙烯基单体与海藻酸钠的质量比为0.3:1，继续在35℃下恒温振荡1d，取出，得到负载复合水凝胶的凯夫拉碳复合纱。
(3)将负载复合水凝胶的凯夫拉碳复合纱在戊二醛蒸汽环境下，在80℃下蒸汽固化5min，织造得到负载水凝胶凯夫拉碳复合面料。
(4)将负载水凝胶凯夫拉碳复合面料在空气氛围下，在100W的功率下低温等离子处理30s，再在负载水凝胶凯夫拉碳复合面料的表面滴加二氧化钛溶胶，室温固化，得到基于水凝胶和溶胶改性的凯夫拉碳复合面料。
实施例2：
(1)将直径为300nm的凯夫拉纳米纤维与直径为1000nm的碳纳米纤维按照质量比为2:0.5混纺形成0.4D的凯夫拉碳复合纱，将凯夫拉碳复合纱在35℃下真空干燥后，按照用料比为1.5g:500mL，浸入pH值为10的含碱液的二甲基亚砜溶液中，在35-40℃下恒温振荡8d，取出，晾干，得到预处理的凯夫拉碳复合纱.
(2)将凯夫拉碳复合纱加入微波低温等离子体处理后的丙烯酸甲酯单体中，其中微波低温等离子体处理的功率为150W，时间为30s，在40℃下恒温振荡1.5d充分浸渍后，加入乙烯基硅烷交联剂和海藻酸钠，其中，乙烯基单体与海藻酸钠的质量比为0.5:1，继续在40℃下恒温振荡8d，取出，得到负载复合水凝胶的凯夫拉碳复合纱。
(3)将负载复合水凝胶的凯夫拉碳复合纱在戊二醛蒸汽环境下，在90℃下蒸汽固化10min，织造得到负载水凝胶凯夫拉碳复合面料。
(4)将负载水凝胶凯夫拉碳复合面料在空气氛围下，在200W的功率下低温等离子处理60s，再在负载水凝胶凯夫拉碳复合面料的表面滴加二氧化钛溶胶，室温固化，得到基于水凝胶和溶胶改性的凯夫拉碳复合面料。
实施例3：
(1)将直径为100nm的凯夫拉纳米纤维与直径为500nm的碳纳米纤维按照质量比为1:0.5混纺形成0.32D的凯夫拉碳复合纱，将凯夫拉碳复合纱在32℃下真空干燥后，按照用料比为1.3g:500mL，浸入pH值为9的含碱液的二甲基亚砜溶液中，在38℃下恒温振荡7d，取出，晾干，得到预处理的凯夫拉碳复合纱.
(2)将凯夫拉碳复合纱加入微波低温等离子体处理后的甲基丙烯酸甲酯单体中，其中微波低温等离子体处理的功率为100W，时间为10s，在37℃下恒温振荡2d充分浸渍后，加入1,4-二(4′-乙烯苯氧基)丁烷交联剂和海藻酸钠，其中，乙烯基单体与海藻酸钠的质量比为0.4:1，继续在38℃下恒温振荡3d，取出，得到负载复合水凝胶的凯夫拉碳复合纱。
(3)将负载复合水凝胶的凯夫拉碳复合纱在戊二醛蒸汽环境下，在85℃下蒸汽固化7min，织造得到负载水凝胶凯夫拉碳复合面料。
(4)将负载水凝胶凯夫拉碳复合面料在空气氛围下，在150W的功率下低温等离子处理45s，再在负载水凝胶凯夫拉碳复合面料的表面滴加二氧化钛溶胶，室温固化，得到基于水凝胶和溶胶改性的凯夫拉碳复合面料。
实施例4：
(1)将直径为150nm的凯夫拉纳米纤维与直径为400nm的碳纳米纤维按照质量比为1.2:0.8混纺形成0.26D的凯夫拉碳复合纱，将凯夫拉碳复合纱在30℃下真空干燥后，按照用料比为1.3g:500mL，浸入pH值为8.5的含碱液的二甲基亚砜溶液中，在37℃下恒温振荡1.5d，取出，晾干，得到预处理的凯夫拉碳复合纱.
(2)将凯夫拉碳复合纱加入微波低温等离子体处理后的苯乙烯单体中，其中微波低温等离子体处理的功率为50W，时间为30s，在35℃下恒温振荡1d充分浸渍后，加入乙烯基硅烷交联剂和海藻酸钠，其中，乙烯基单体与海藻酸钠的质量比为0.35:1，继续在35℃下恒温振荡2.5d，取出，得到负载复合水凝胶的凯夫拉碳复合纱。
(3)将负载复合水凝胶的凯夫拉碳复合纱在戊二醛蒸汽环境下，在85℃下蒸汽固化6min，织造得到负载水凝胶凯夫拉碳复合面料。
(4)将负载水凝胶凯夫拉碳复合面料在空气氛围下，在170W的功率下低温等离子处理45s，再在负载水凝胶凯夫拉碳复合面料的表面滴加二氧化钛溶胶，室温固化，得到基于水凝胶和溶胶改性的凯夫拉碳复合面料。
实施例5：
(1)将直径为200nm的凯夫拉纳米纤维与直径为700nm的碳纳米纤维按照质量比为1.2:0.8混纺形成0.29D的凯夫拉碳复合纱，将凯夫拉碳复合纱在30℃下真空干燥后，按照用料比为1.5g:500mL，浸入pH值为8的含碱液的二甲基亚砜溶液中，在40℃下恒温振荡8d，取出，晾干，得到预处理的凯夫拉碳复合纱。
(2)将凯夫拉碳复合纱加入微波低温等离子体处理后的甲基丙烯酸甲酯单体中，其中微波低温等离子体处理的功率为50W，时间为30s，在35℃下恒温振荡3d充分浸渍后，加入二乙烯基苯交联剂和海藻酸钠，其中，乙烯基单体与海藻酸钠的质量比为0.45:1，继续在35℃下恒温振荡1.5d，取出，得到负载复合水凝胶的凯夫拉碳复合纱。
(3)将负载复合水凝胶的凯夫拉碳复合纱在戊二醛蒸汽环境下，在80℃下蒸汽固化10min，织造得到负载水凝胶凯夫拉碳复合面料。
(4)将负载水凝胶凯夫拉碳复合面料在空气氛围下，在100W的功率下低温等离子处理60s，再在负载水凝胶凯夫拉碳复合面料的表面滴加二氧化钛溶胶，室温固化，得到基于水凝胶和溶胶改性的凯夫拉碳复合面料。
实施例6：
(1)将直径为250nm的凯夫拉纳米纤维与直径为500nm的碳纳米纤维按照质量比为0.5:1.2混纺形成0.36D的凯夫拉碳复合纱，将凯夫拉碳复合纱在35℃下真空干燥后，按照用料比为1g:500mL，浸入pH值为10的含碱液的二甲基亚砜溶液中，在35℃下恒温振荡8d，取出，晾干，得到预处理的凯夫拉碳复合纱。
(2)将凯夫拉碳复合纱加入微波低温等离子体处理后的丙烯酸甲酯单体中，其中微波低温等离子体处理的功率为150W，时间为5s，在40℃下恒温振荡0.5d充分浸渍后，加入1,4-二(4′-乙烯苯氧基)丁烷交联剂和海藻酸钠，其中，乙烯基单体与海藻酸钠的质量比为0.3:1，继续在40℃下恒温振荡1d，取出，得到负载复合水凝胶的凯夫拉碳复合纱。
(3)将负载复合水凝胶的凯夫拉碳复合纱在戊二醛蒸汽环境下，在90℃下蒸汽固化5min，织造得到负载水凝胶凯夫拉碳复合面料。
(4)将负载水凝胶凯夫拉碳复合面料在空气氛围下，在200W的功率下低温等离子处理30s，再在负载水凝胶凯夫拉碳复合面料的表面滴加二氧化钛溶胶，室温固化，得到基于水凝胶和溶胶改性的凯夫拉碳复合面料。
经检测，实施例1-6制备的基于水凝胶和溶胶改性的凯夫拉碳复合面料的复合凝胶的含量、二氧化钛的含量、二氧化钛涂层的厚度、韧性、承重强度、保水率和保温率的结果如下所示：
由上表可见，本发明制备的基于水凝胶和溶胶改性的凯夫拉碳复合面料的机械性能优异，韧性和承重能力突出，还具有很好的保水率和保温率，具有调温调湿功能。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种基于水凝胶和溶胶改性的凯夫拉碳复合面料，其特征在于：所述基于水凝胶和溶胶改性的凯夫拉碳复合面料包括凯夫拉碳复合纱、复合水凝胶和二氧化钛，所述凯夫拉碳复合纱由凯夫拉纳米纤维与碳纳米纤维混纺形成，所述水凝胶为乙烯基水凝胶与海藻酸钠的复合水凝胶，所述凯夫拉碳复合纱的表面经碱性二甲基亚砜预处理，所述负载水凝胶凯夫拉碳复合面料经戊二醛固化、低温等离子体处理后附着二氧化钛。
2.根据权利要求1所述的一种基于水凝胶和溶胶改性的凯夫拉碳复合面料，其特征在于：所述乙烯基水凝胶由预处理的乙烯基单体与乙烯基化合物交联得到，所述预处理的乙烯基单体为微波低温等离子体处理后的乙烯基单体。
3.一种基于水凝胶和溶胶改性的凯夫拉碳复合面料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将凯夫拉纳米纤维与碳纳米纤维混纺形成凯夫拉碳复合纱，将凯夫拉碳复合纱在真空干燥后，浸入含碱液的二甲基亚砜溶液中，恒温振荡，取出，晾干，得到预处理的凯夫拉碳复合纱；
(2)将步骤(1)制备的凯夫拉碳复合纱加入预处理的乙烯基单体中，恒温振荡充分浸渍后，加入乙烯基化合物交联剂和海藻酸钠，继续恒温振荡，取出，得到负载复合水凝胶的凯夫拉碳复合纱；
(3)将步骤(2)制备的负载复合水凝胶的凯夫拉碳复合纱在戊二醛蒸汽环境下蒸汽固化，织造得到负载水凝胶凯夫拉碳复合面料；
(4)将步骤(3)制备的负载水凝胶凯夫拉碳复合面料经低温等离子处理，再在负载水凝胶凯夫拉碳复合面料的表面滴加二氧化钛溶胶，室温固化，得到基于水凝胶和溶胶改性的凯夫拉碳复合面料。
4.根据权利要求3所述的一种基于水凝胶和溶胶改性的凯夫拉碳复合面料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，凯夫拉碳复合纱的纤度为0.2-0.4D，凯夫拉碳复合纱中凯夫拉纳米纤维与碳纳米纤维的质量比为0.5-2:0.5-2。
5.根据权利要求3所述的一种基于水凝胶和溶胶改性的凯夫拉碳复合面料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，凯夫拉纳米纤维的直径为50-300nm，碳纳米纤维的直径为100-1000nm。
6.根据权利要求3所述的一种基于水凝胶和溶胶改性的凯夫拉碳复合面料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)或者步骤(2)中，恒温振荡的温度为35-40℃，时间为0.5-8d。
7.根据权利要求3所述的一种基于水凝胶和溶胶改性的凯夫拉碳复合面料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，预处理的乙烯基单体为微波低温等离子体处理后的乙烯基单体，所述乙烯基单体为苯乙烯、丙烯酸甲酯或者甲基丙烯酸甲酯，所述乙烯基化合物交联剂为二乙烯基苯、乙烯基硅烷或者1,4-二(4′-乙烯苯氧基)丁烷。
8.根据权利要求3所述的一种基于水凝胶和溶胶改性的凯夫拉碳复合面料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，乙烯基单体与海藻酸钠的质量比为0.3-0.5:1。
9.根据权利要求3所述的一种基于水凝胶和溶胶改性的凯夫拉碳复合面料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，蒸汽固化的温度为80-90℃，时间为5-10min。
10.根据权利要求3所述的一种基于水凝胶和溶胶改性的凯夫拉碳复合面料的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中，低温等离子处理的条件为：在空气氛围下，在100-200W的功率下处理30-60s。
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