CN109234829A - 一种含有改性纳米竹炭粉的超高分子量聚乙烯纤维及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种含有改性纳米竹炭粉的超高分子量聚乙烯纤维及制备方法，先将纳米竹炭粉用二氧化钛改性后使二氧化钛以锐钛矿型附着在竹炭上以制备改性混合悬浮液，再添加到超高分子量聚乙烯纤维制造工艺中，制备出含有改性纳米竹炭粉的超高分子量聚乙烯纤维，在此种纤维冰凉性的基础上提高了纤维的抗菌吸附性，可在纤维环保领域实现替代效应。

Description

一种含有改性纳米竹炭粉的超高分子量聚乙烯纤维及制备 方法

技术领域

本发明涉及超高分子量聚乙烯纤维产品领域，尤其涉及一种抗菌吸附性的含有改性纳米竹炭粉的超高分子量聚乙烯纤维及制备方法。

背景技术

近年来，功能性保健纺织品成为市场主流，竹炭是竹材料资源有效利用的一个全新发展方向，也是具有卓越性能的环保材料。在日本市场，竹炭纤维更有着“黑钻石”的美誉，含有竹炭的织物具有超强的吸附、除臭、吸湿排汗、抑菌防霉等功能和作用，竹炭纤维还具有良好的远红外和负离子发射、抗紫外等功能，能够增加人体表面微血管的血液循环，促进新陈代谢的功效，是高档纺织品的良好原料。

竹炭是竹材在高温热解下的固体产物，目前竹炭的工业化制备主要有干馏釜热解法和土窑直接烧制法两种。竹炭的组成简单，主要成分是碳（75~95%wt），其次是灰分（2~12%，包括Na、K、Si、Ca、Mn等金属氧化物）和少量的挥发分。竹炭的碳含量与碳化温度有关，灰分含量与竹子的生长地的地质有关。竹炭机械强度较高，孔结构发达，能持久释放负离子，有镇静、催眠、镇痛等功效，有利于身体健康，增强人体免疫力功能。

纳米二氧化钛具有无毒、光催化活性高、氧化能力强、化学稳定性好等优点，作为光催化剂在环保、涂料、医疗卫生、能源领域都有着广阔的应用前景，TiO₂在光照下可以有效的杀灭和抑制环境中的微生物的生长。其原理是TiO₂光催化反应过程中生成的活性超氧离子自由基（-O₂ ^-）和羟基自由基（-OH）能穿透细胞壁，破坏细胞膜质，进入菌体阻止成膜物质的传输，阻断其呼吸系统和电子传输系统，从而有效杀灭细菌。

二氧化钛具有以下优点：

1. 能彻底的杀灭细菌，二氧化钛不但能通过破坏细菌的细胞膜结构来杀死细菌而且还能同时降解由细菌释放的有害物质。

2. 同时具有抗菌进而杀菌的作用，光催化过程中产生的活性物质-OH能降解细菌赖以生存的有机营养物，因此在很大程度上可以控制细菌的繁殖，从而达到抗菌和杀菌的两重目的

3. TiO₂本身稳定性好，无毒安全，且在理论上本身不会因光催化反应有所消耗，可长久使用。

4. 纳米TiO₂光催化复合材料具有对多种细菌的杀伤力，对绿脓杆菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌，枯草芽孢等存在较强灭菌能力，杀菌力在90%以上。

一般来说纯的二氧化钛由于自身因素的限制，如禁带宽度较宽，比表面积有限，电子-空穴对易复合，吸附能力不强等，其催化能力并不理想，对于太阳光的吸收利用率也很低。

超高分子量聚乙烯是一种线型聚合物，是由单体单元结构为（-CH₂-CH₂-）的线性分子构成，是一种没有侧向分支的长链型的线性结构聚合物，分子量在1×10⁶g/mol以上，结晶度一般在65%-85%，其所制成的纤维又称高强度高模量聚乙烯纤维，其分子结构规整、对称，导热系数大于0.15w/mk，常用来凉感纤维而添加到各种复合面料中，增加复合面料的传热性和强度。

发明内容

本发明的目的是提供一种含有改性纳米竹炭粉的超高分子量聚乙烯纤维及制备方法，对竹炭粉和二氧化钛进行一定技术的改性处理，通过竹炭作为吸附载体活化二氧化钛的光催化作用，以制备改性纳米竹炭超高分子量聚乙烯纤维，使本发明达到抗菌保健作用。

本发明提供一种含有改性纳米竹炭粉的超高分子量聚乙烯纤维，所述纤维由竹炭粉和二氧化钛混合改性后与超高分子量聚乙烯、工业白油共混熔融挤出再湿法纺丝而成；其中，所述超高分子量聚乙烯的粘均分子量为1×10⁶ ~ 5×10⁶，所述工业白油为C₁₆~C₃₁的正异构烷烃混合溶液，所述竹炭粉粒径在0.5μm以下，所述竹炭粉和二氧化钛是经溶胶-凝胶法制成。

进一步改进在于：所述竹炭粉和二氧化钛的含量为纤维质量的0.001~5%，所述二氧化钛是以锐钛矿型附着在竹炭粉上。

本发明还提供一种含有改性纳米竹炭粉的超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，所述制备方法按以下步骤进行：

步骤一：制备改性混合溶液：

在22~50℃条件下，将竹炭粉和二氧化钛光催化改性材料研磨后与C₁₆~C₃₁的正异构烷烃在超声条件下用乳化机乳化混合制备成改性纳米竹炭悬浮液，添加比例为C₁₆~C₃₁的正异构烷烃混合溶液的2~5%。乳化釜内的温度稳定在30℃~60℃中间；

步骤二：制备溶胀悬浮液：

将超高分子量聚乙烯粉末添加到C₁₆~C₃₁的正异构烷烃混合溶液中，并在搅拌釜里添加乳化剂和抗氧化剂，开启搅拌，升温至90℃~120℃保温并一直搅拌；

步骤三：溶胀悬浮液与改性混合液共混：

将溶胀悬浮液和改性混合溶液按照每分钟160:1~230：1的质量比在双螺杆挤出机中动态混合，其中溶胀悬浮液经下料釜注入到双螺杆挤压机中，改性混合溶液通过螺杆侧进口装置注入到螺杆挤压机中，螺杆挤出机升温至250~297℃，混合溶液在螺杆挤压机中停留8~13min后再经过过滤器、计量泵、喷丝板和循环水冷却装置得到改性竹炭粉超高分子量聚乙烯初生原丝；

步骤四：初生丝平衡：

初生原丝在室温条件下静置24h~48h，使其起溶胀作用的白油在分子间作用力下析出并排除，解除部分初生丝应力，初生丝发生松弛，长度收缩，收缩率为25%±5%；

步骤五：纤维萃取干燥：

初生丝静置后再在拉伸条件下经过萃取机萃取，拉伸比率为1.1~1.7，萃取剂为碳氢清洗剂，萃取过程中加入超声作用，使白油在碳氢清洗剂作用下更好的置换出，萃取后经过两道负压干燥工艺，温度为36~41℃；

步骤六：高倍拉伸卷绕：

初生丝萃取干燥后再经过3~6道高倍拉伸工艺，拉伸温度为140~148℃，初生丝经过拉伸比率为20~45拉伸后，使纤维中聚乙烯分子链伸长取向，拉伸后即可制得含有改性纳米竹炭粉的超高分子量聚乙烯纤维。

进一步改进在于：所述步骤二的抗氧化剂为抗氧剂1010、抗氧剂168、抗氧剂B225型等中的一种或几种混合；所述乳化剂为EL-12、FLUFDOLW90中的一种。

进一步改进在于：所述步骤二中超高分子量聚乙烯粉末占C₁₆~C₃₁的正异构烷烃混合溶液的重量百分比为8-11%，其中乳化机分散速度为2800~3500r/min，乳化机分散时间为30~45min。

本发明的有益效果是：通过将二氧化钛吸附在竹炭表面上然后再添加到超高分子量聚乙烯纤维中；二氧化钛通过竹炭的吸附产生具有独特的光催化活性，能吸收紫外光使其表面O₂分子产生大量电子和空穴，分离的电子和空穴经氧化还原反应后形成大量的羟基自由基，从而干扰细菌蛋白质的合成达到吸附、抑菌的环保效果。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

本实施例提供一种含有改性纳米竹炭粉的超高分子量聚乙烯纤维及制备方法 。

本发明是在超高分子量聚乙烯纤维的凉感基础上通过添加改性纳米竹炭粉的方式使其具有抗菌吸附功能，纳米竹炭粉吸附锐钛矿型的二氧化钛，通过二氧化钛的光杀菌作用从而附加聚乙烯纤维的抗菌功能，其中改性纳米竹炭粉是以纳米颗粒型均匀分布在聚乙烯纤维中，是在聚乙烯纤维生产工艺的前纺中通过原料混合的方式添加，其制备方法包括有以下步骤：

步骤一：

竹炭粉和二氧化钛的混合改性：

1)室温下取1.5L无水乙醇于反应容器中，搅拌下加入钛酸四丁脂，继续搅拌2h使其充分混合，滴加冰醋酸使pH值呈酸性。

2)在无水乙醇中加入去离子水，稀释成一定比率的滴加液B，并将B溶液慢慢滴加到A溶液中，边加边搅拌使钛醇盐发生水解，继续搅拌。

3)将75g干净的竹炭粉加入混合液中搅拌1h。

4)将混合物陈化48h后至凝胶状，并在450℃高温下煅烧3h，所得材料即为竹炭和TiO₂光催化改性材料。

步骤二：

制备溶胀悬浮液：

将75kg超高分子量聚乙烯粉末添加到850kgC₁₆~C₃₁的正异构烷烃混合溶液中，在搅拌釜里添加乳化剂FLUFDOLW905和抗氧化剂B225型40g，并开启搅拌，搅拌速率为68r/min。升温至120℃，搅拌保温40h。

步骤三：

制备改性混合溶液

在40℃条件下，将步骤一中竹炭和TiO₂光催化改性材料研磨后与C₁₆~C₃₁的正异构烷烃混合溶液在超声条件下通过乳化机混合制备成改性纳米竹炭悬浮液，添加比例为C₁₆~C₃₁的正异构烷烃混合溶液的质量1.5%。

步骤四：溶胀悬浮液与改性混合液共混

将溶胀悬浮液经下料釜注入到双螺杆挤压机中，改性混合溶液通过螺杆侧进口装置注入到螺杆挤压机中，两种溶液的注入速度比为1:5，两种溶液在螺杆挤出机中混合均匀，并升温至270℃，再经过过滤器、计量泵、喷丝板、循环水冷却装置得到改性竹炭粉超高分子量聚乙烯初生原丝。

步骤五：初生原丝在室温条件下静置35h，使其起溶胀作用的白油在分子间作用力下析出并排除，初生丝发生松弛，长度收缩，收缩率为28%。

步骤六：静置后再将初生原丝在拉伸条件下经过萃取机萃取，萃取剂为碳氢清洗剂，萃取过程中加入超声作用，使白油在碳氢清洗剂作用下更好的置换出，萃取后经过两道负压干燥工艺，温度为40℃。

步骤七：萃取干燥后再经过四道高倍拉伸工艺，拉伸温度为142℃，拉伸比为40拉伸后即可制得含有改性纳米竹炭粉的超高分子量聚乙烯纤维。

对得到的含有改性纳米竹炭粉的超高分子量聚乙烯纤维进行纤维性能测试，结果表明，该纤维结晶度达75%以上，模量为1150cN/dtex，强度为30cN/dtex，竹炭和二氧化钛与超高分子量聚乙烯的质量比为0.00073：1。

Claims (6)

1.一种含有改性纳米竹炭粉的超高分子量聚乙烯纤维，其特征在于：所述纤维由竹炭粉和二氧化钛混合改性后与超高分子量聚乙烯、工业白油共混熔融挤出再湿法纺丝而成；其中，所述超高分子量聚乙烯的粘均分子量为1×10⁶ ~ 5×10⁶，所述工业白油为C₁₆~C₃₁的正异构烷烃混合溶液，所述竹炭粉粒径在0.5μm以下，所述竹炭粉和二氧化钛是经溶胶-凝胶法制成。

2.如权利要求1所述的一种含有改性纳米竹炭粉的超高分子量聚乙烯纤维，其特征在于：所述竹炭粉和二氧化钛的含量为纤维质量的0.001~5%，所述二氧化钛是以锐钛矿型附着在竹炭粉上。

3.如权利要求1所述的一种含有改性纳米竹炭粉的超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于：所述制备方法按以下步骤进行：

步骤一：制备改性混合溶液：

在22~50℃条件下，将竹炭粉和二氧化钛光催化改性材料研磨后与C₁₆~C₃₁的正异构烷烃在超声条件下用乳化机乳化混合制备成改性纳米竹炭悬浮液，添加比例为C₁₆~C₃₁的正异构烷烃混合溶液的2~5%。

4.乳化釜内的温度稳定在30℃~60℃中间；

步骤二：制备溶胀悬浮液：

将超高分子量聚乙烯粉末添加到C₁₆~C₃₁的正异构烷烃混合溶液中，并在搅拌釜里添加乳化剂和抗氧化剂，开启搅拌，升温至90℃~120℃保温并一直搅拌；

步骤三：溶胀悬浮液与改性混合液共混：

将溶胀悬浮液和改性混合溶液按照每分钟160:1~230：1的质量比在双螺杆挤出机中动态混合，其中溶胀悬浮液经下料釜注入到双螺杆挤压机中，改性混合溶液通过螺杆侧进口装置注入到螺杆挤压机中，螺杆挤出机升温至250~297℃，混合溶液在螺杆挤压机中停留8~13min后再经过过滤器、计量泵、喷丝板和循环水冷却装置得到改性竹炭粉超高分子量聚乙烯初生原丝；

步骤四：初生丝平衡：

初生原丝在室温条件下静置24h~48h，使其起溶胀作用的白油在分子间作用力下析出并排除，解除部分初生丝应力，初生丝发生松弛，长度收缩，收缩率为25%±5%；

步骤五：纤维萃取干燥：

初生丝静置后再在拉伸条件下经过萃取机萃取，拉伸比率为1.1~1.7，萃取剂为碳氢清洗剂，萃取过程中加入超声作用，使白油在碳氢清洗剂作用下更好的置换出，萃取后经过两道负压干燥工艺，温度为36~41℃；

步骤六：高倍拉伸卷绕：

初生丝萃取干燥后再经过3~6道高倍拉伸工艺，拉伸温度为140~148℃，初生丝经过拉伸比率为20~45拉伸后，使纤维中聚乙烯分子链伸长取向，拉伸后即可制得含有改性纳米竹炭粉的超高分子量聚乙烯纤维。

5.如权利要求3所述的一种含有改性纳米竹炭粉的超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤二的抗氧化剂为抗氧剂1010、抗氧剂168、抗氧剂B225型等中的一种或几种混合；所述乳化剂为EL-12、FLUFDOLW90中的一种。

6.如权利要求3所述的一种含有改性纳米竹炭粉的超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于：所述步骤二中超高分子量聚乙烯粉末占C₁₆~C₃₁的正异构烷烃混合溶液的重量百分比为8-11%，其中乳化机分散速度为2800~3500r/min，乳化机分散时间为30~45min。