CN108277545B - 一种多功能化再生纤维素复合纤维的制备方法 - Google Patents

一种多功能化再生纤维素复合纤维的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多功能化再生纤维素复合纤维的制备方法，通过再生纤维素以及氧化石墨烯混合制备纺丝液，混合凝固浴中纺丝，然后经过多级水洗以及高温蒸汽牵伸制备了再生纤维素/氧化石墨烯复合纤维。此方法简单且极易工业化，纤维素原料来源广泛，价格低廉。所制备的再生纤维素/氧化石墨烯复合纤维抗静电性能得到明显的提高，抗静电性能具有可设计性，具有优异的力学性能，杀菌性能以及抗紫外远红外性能，同时也具备纤维素的柔软、透气、吸湿性好以及易染色等优点，可广泛应用在纺织行业中。

Description

一种多功能化再生纤维素复合纤维的制备方法
技术领域
本发明涉及一种多功能化再生纤维素复合纤维的制备及应用。
技术背景
纤维素是一种用途广泛的高分子，能从棉、麻、竹子、树、灌木等原料制备再生纤维素，同时也可以从虾、鳖等水产品和昆虫等节肢动物的外壳制备的再生纤维素，具有存储量大，易再生，易降解等优点。利用纤维素制备的再生纤维素纤维具有优异的柔软性、光滑性、吸湿性以及易染色等优点。
目前的报道中主要还未报道多功能化的再生纤维素纤维，一些研究者对再生纤维素复合纤维的研究主要集中在对再生纤维素纤维的机械性能以及热性能的研究，对于多功能化再生纤维素纤维/氧化石墨烯复合纤维的报道较少，且其制备的复合纤维并不具备抗静电性能，同时因为纤维素需要离子液体来溶解，例如NaOH等，在初始加入片氧化石墨烯到体系中时，不利于片状氧化石墨烯的分散，片状氧化石墨烯易在体系中堆叠团聚，制备的复合纤维力学性能较差或力学性能的离散性较大，不能制备机械性能稳定地复合纤维。
本发明通过引入球状氧化石墨烯，通过调节转速进行原位展开，使氧化石墨烯先以球状的形式均匀分散在再生纤维素溶液中，同时不会发生团聚和堆叠，加大转速使球状氧化石墨烯展开，展开的氧化石墨烯与再生纤维素的分子链会协同取向，增加纤维的强度。同时边界以及表面的含氧官能团与再生纤维素上大量的羟基形成氢键或脱水形成共价键，在混合凝固浴中纺丝制备了再生纤维素氧化石墨烯复合纤维，并且通过多级拉伸以及最后的高温牵伸对氧化石墨烯进行了一定程度上的还原，制备的再生纤维素/氧化石墨烯复合纤维不仅具有优异的柔软性、光滑性、吸湿性以及易染色等优点，而且还具有优异的抗静电性能、力学性能，杀菌性能以及抗紫外远红外性能。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种具有优异抗静电性能、高强度、高良品率等优异性能的多功能化再生纤维素/氧化石墨烯复合纤维的制备方法。
本发明采用以下技术方案：一种多功能化再生纤维素复合纤维的制备方法，包括以下步骤：
(1)将NaOH、尿素、干态再生纤维素按照质量比依次加入水中，其中mNaOH：m尿素：m干态再生纤维素：m水＝7.5-10:10-15:1-10:100，在-15℃～0℃的冰盐浴中搅拌至完全分散，备用。
(2)将球状氧化石墨烯粉末加入步骤(1)中制备的分散液，在-15℃～0℃的冰盐浴中搅拌，起始速率为50-100rpm搅拌4h，调整搅拌速率至300～400rpm，搅拌30min，得到氧化石墨烯的复合纺丝液。其中，球状氧化石墨烯粉末占再生纤维素的0.1wt％-5wt％。
(3)将纺丝液经过进样器从多孔纺丝喷出进入凝固浴，然后经过多级水浴拉伸以及高温蒸汽拉伸，其中第一级水浴温度为50℃、拉伸比为2.1；第二级水浴温度为90℃、牵伸比为1.6；第三级水浴温度为100℃、牵伸比为1.4；高温蒸汽拉伸的温度为150℃-200℃，拉伸比为1.2，最后在卷轴上收丝，得到再生纤维素-氧化石墨烯复合纤维。
进一步地，所述步骤1中，干态再生纤维素可以是棉、麻、竹子、树、灌木等原料制备的再生纤维素，也可是虾、鳖等水产品和昆虫等节肢动物的外壳制备的再生纤维素。
进一步地，所述步骤(3)中，凝固浴可以是H2SO4、Na2SO4、Al2(S04)3、HCI、HAc、NaAc等一种或几种的混合凝固浴。
本发明的有益效果在于：本发明通过引入球状氧化石墨烯，通过调节转速进行原位展开，使氧化石墨烯先以球状的形式均匀分散在再生纤维素溶液中，同时不会发生团聚和堆叠，加大转速使球状氧化石墨烯展开，展开的氧化石墨烯与再生纤维素的分子链会协同取向，增加纤维的强度。同时边界以及表面的含氧官能团与再生纤维素上大量的羟基形成氢键或脱水形成共价键，在混合凝固浴中纺丝制备了再生纤维素氧化石墨烯复合纤维，克服了片状氧化石墨烯在离子液体中易团聚及堆叠的特点。并且通过多级拉伸以及最后的高温牵伸对氧化石墨烯进行了一定程度上的还原，制备的再生纤维素/氧化石墨烯复合纤维不仅具有优异的柔软性、光滑性、吸湿性以及易染色等优点，而且还具有优异的抗静电性能、力学性能，杀菌性能以及抗紫外远红外性能，实现了再生纤维素纤维的多功能化。
附图说明
图1为实施例2制备的复合纤维的力学性能图。
图2为实施例2制备的复合纤维的电学性能如图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例一
(1)分别称取100gNaOH、150g尿素、100g纤维素氨基甲酸酯依次加入到1000g水中，在0℃的冰盐浴中强力搅拌至完全分散，备用。
(2)称取2.5g球状氧化石墨烯粉末(ZL201610056421.5)加入步骤(1)中制备的分散液，在0℃的冰盐浴中搅拌，起始速率为100rpm搅拌4h，至球状氧化石墨烯完全分散在混合液中；调整搅拌速率至400rpm，搅拌30min，得到片状氧化石墨烯的复合纺丝液。
(3)将纺丝液经过过滤、脱泡以及老化等前处理，经过进样器从多孔纺丝喷出进入NaAc凝固浴，然后经过多级水浴拉伸以及高温水蒸汽拉伸，其中第一级水浴温度为50℃、拉伸比为2.1；第二级水浴温度为90℃、牵伸比为1.6；第三级水浴温度为100℃、牵伸比为1.4；第四级为高温蒸汽拉伸，温度为200℃，拉伸比为1.2，最后在卷轴上收丝，得到再生纤维素-氧化石墨烯复合纤维，标记为Fiber-1。
对比例一
(1)分别称取100gNaOH、150g尿素、100g纤维素氨基甲酸酯依次加入到1000g水中，在0℃的冰盐浴中强力搅拌至完全分散，备用。
(2)将步骤(1)制备的分散液0℃的冰盐浴中搅拌，起始速率为100rpm搅拌4h；调整搅拌速率至400rpm，搅拌30min，得到复合纺丝液。
(3)将纺丝液经过过滤、脱泡以及老化等前处理，经过进样器从多孔纺丝喷出进入NaAc凝固浴，然后经过多级水浴拉伸以及高温水蒸汽拉伸，其中第一级水浴温度为50℃、拉伸比为2.1；第二级水浴温度为90℃、牵伸比为1.6；第三级水浴温度为100℃、牵伸比为1.4；第四级为高温蒸汽拉伸，温度为200℃，拉伸比为1.2，最后在卷轴上收丝，得到再生纤维素纤维，标记为Fiber-0。
对比例二
(1)分别称取100gNaOH、150g尿素、100g纤维素氨基甲酸酯依次加入到800g水中，在0℃的冰盐浴中强力搅拌至完全分散，备用。
(2)称取200g氧化石墨烯溶液加入步骤(1)中制备的分散液，其中氧化石墨烯的重量为2.5g，在0℃的冰盐浴中搅拌，起始速率为100rpm搅拌4h；调整搅拌速率至400rpm，搅拌30min，得到片状氧化石墨烯的复合纺丝液。
(3)将纺丝液经过过滤、脱泡以及老化等前处理，经过进样器从多孔纺丝喷出进入NaAc凝固浴，然后经过多级水浴拉伸以及高温水蒸汽拉伸，其中第一级水浴温度为50℃、拉伸比为2.1；第二级水浴温度为90℃、牵伸比为1.6；第三级水浴温度为100℃、牵伸比为1.4；第四级为高温蒸汽拉伸，温度为150℃-200℃，拉伸比为1.2，最后在卷轴上收丝，得到再生纤维素-氧化石墨烯复合纤维，标记为Fiber-2。
经过测试，Fiber-1以及Fiber-2拥有优异的抗静电性能，Fiber-1的表面电阻为105Ω，Fiber-2表面电阻为106Ω，Fiber-0不具备优异的抗静电性能。Fiber-0的拉伸强度为2.20-2.30cN/dtex，Fiber-1的拉伸强度为2.87-3.11cN/dtex，Fiber-2的拉伸强度为2.28-2.72cN/dtex，Fiber-0以及Fiber-1力学性能稳定且离散性小，Fiber-2力学性能不稳定。此外，Fiber-0及Fiber-1同时具有优异的杀菌、抗紫外以及远红外性能。
实施例二
(1)分别称取10gNaOH、100g尿素、75g纤维素氨基甲酸酯依次加入到1000g水中，在-15℃℃的冰盐浴中强力搅拌至完全分散，备用。
(2)分别称取0.075g、0.375g、0.75g、1.5g、2.25g、3g、3.75g球状氧化石墨烯粉末加入步骤(1)中制备的分散液，在-15℃的冰盐浴中搅拌，起始速率为50rpm搅拌4h，至球状氧化石墨烯完全分散在混合液中；调整搅拌速率至3000rpm，搅拌30min，得到片状氧化石墨烯的复合纺丝液。
(3)将纺丝液经过过滤、脱泡以及老化等前处理，经过进样器从多孔纺丝喷出进入Al2(S04)3凝固浴，经过多级水浴拉伸以及高温水蒸汽拉伸，其中第一级水浴温度为50℃、拉伸比为2.1；第二级水浴温度为90℃、牵伸比为1.6；第三级水浴温度为100℃、牵伸比为1.4；第四级为高温蒸汽拉伸，温度为180℃，拉伸比为1.2，最后在卷轴上收丝，得到再生纤维素-氧化石墨烯复合纤维。
经过测试，制备的再生纤维素/氧化石墨烯复合纤维具有杀菌、抗紫外、远红外性能以及优异的力学性能和抗静电性能。力学性能以及电学性能如图1和2所示。
实施例三
(1)分别称取45gNaOH、120g尿素、90g纤维素氨基甲酸酯依次加入到1000g水中，在-10℃的冰盐浴中强力搅拌至完全分散，备用。
(2)称取1.8g球状氧化石墨烯粉末加入步骤(1)中制备的分散液，在-10℃的冰盐浴中搅拌，起始速率为80rpm搅拌4h，至球状氧化石墨烯完全分散在混合液中；调整搅拌速率至350rpm，搅拌30min，得到片状氧化石墨烯的复合纺丝液。
(3)将纺丝液经过过滤、脱泡以及老化等前处理，经过进样器从多孔纺丝喷出进入Al2(S04)3凝固浴，经过多级水浴拉伸以及高温水蒸汽拉伸，其中第一级水浴温度为50℃、拉伸比为2.1；第二级水浴温度为90℃、牵伸比为1.6；第三级水浴温度为100℃、牵伸比为1.4；第四级为高温蒸汽拉伸，温度为150℃，拉伸比为1.2，最后在卷轴上收丝，得到再生纤维素-氧化石墨烯复合纤维。
经过测试，制备的再生纤维素/氧化石墨烯复合纤维的强度为2.98cN/dtex，表面电阻为10^5Ω，有优异的抗静电效果，同时复合纤维具备杀菌、抗紫外、远红外等性能。

Claims (5)

1.一种多功能化再生纤维素复合纤维的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将NaOH、尿素、干态再生纤维素按照质量比依次加入水中，其中mNaOH：m尿素：m干态再生纤维素：m水＝7.5-10:10-15:1-10:100，在-15℃～0℃的冰盐浴中搅拌至完全分散，备用；
(2)将球状氧化石墨烯粉末加入步骤(1)中制备的分散液，在-15℃～0℃的冰盐浴中搅拌，起始速率为50-100rpm，搅拌一定时间后，调整搅拌速率至300～400rpm继续搅拌，得到氧化石墨烯的复合纺丝液；
(3)将纺丝液经过进样器从多孔纺丝喷出进入凝固浴，然后经过多级水浴拉伸以及高温蒸汽拉伸，其中第一级水浴温度为50℃、拉伸比为2.1；第二级水浴温度为90℃、牵伸比为1.6；第三级水浴温度为100℃、牵伸比为1.4；高温蒸汽拉伸的温度为150℃-200℃，拉伸比为1.2，最后在卷轴上收丝，得到再生纤维素-氧化石墨烯复合纤维。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，干态再生纤维素为棉、麻、竹子、树、灌木制备的再生纤维素，或虾、鳖和昆虫的外壳制备的再生纤维素。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，凝固浴为H2SO4、Na2SO4、Al2(S04)3、HCI、HAc、NaAc中的一种或几种的混合凝固浴。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，球状氧化石墨烯粉末占再生纤维素的0.1wt％-5wt％。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，50-100rpm搅拌速度下搅拌4h，在300～400rpm搅拌速度下搅拌30min。
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