CN110093680B - 一种石墨烯/笼型聚倍半硅氧烷改性聚酯纤维及制备方法 - Google Patents

一种石墨烯/笼型聚倍半硅氧烷改性聚酯纤维及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及改性聚酯纤维领域，具体涉及一种石墨烯/POSS改性聚酯纤维及制备方法。本发明将氧化石墨烯和巯基烷基胺反应，得到巯基改性氧化石墨烯，再与八乙烯基POSS进行巯基‑烯点击化学反应，之后与巯基烷基醇反应后还原，得到羟基改性POSS/石墨烯复合材料，与ε‑己内酯在催化剂下进行开环反应，得到聚酯/石墨烯/笼型聚倍半硅氧烷颗粒。聚酯/石墨烯/笼型聚倍半硅氧烷颗粒与聚酯切片进行熔融纺丝，得到石墨烯/POSS改性聚酯纤维。本发明得到的改性聚酯纤维具有较好的导电性、导热性、阻燃性和力学性能，可在纺织上应用。

Description

一种石墨烯/笼型聚倍半硅氧烷改性聚酯纤维及制备方法
技术领域
本发明涉及改性聚酯纤维领域，具体涉及一种石墨烯/笼型聚倍半硅氧烷改性聚酯纤维及制备方法。
背景技术
聚酯纤维，俗称“涤纶”，是由有机二元酸和有机二元醇缩聚而成的聚酯经纺丝得到的合成纤维，具有抗皱性好、保形性好的优点，强度和弹性恢复能力高，坚牢耐用、抗皱免烫、不粘毛。但是存在导电能力差，易产生静电，易燃烧等不足。
笼型聚倍半硅氧烷，简称POSS，具有结构通式(RSiO1.5)n，是由Si-O交替连接的硅氧骨架组成的无机内核，在其顶角上Si原子所连接的基团R为反应性或惰性基团。POSS的三维尺寸在1.3nm之间，其中Si原子之间的距离为0.5nm，R基团之间的距离为1.5nm，属于纳米化合物。POSS经常作为添加剂添加到聚合物中，使得改性后的聚合物耐热性、力学性能、加工性能、阻燃性都能有效的提高。
石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。自从2004年被发现以来，石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。石墨烯添加到聚合物中可以提高聚合物的导热性、导电性、力学强度等。
石墨烯在纺织上的应用主要是通过添加到聚合物中或者吸附在纤维的表面，形成的改性纤维具有导电、导热等功能。公布号CN103966844B的中国发明授权专利公开了一种石墨烯导电复合纤维的制备方法，将纤维表面用KH-560硅烷偶联剂改性后，浸泡在石墨烯分散体系中处理，得到石墨烯导电复合纤维，具有较好的导电性。
含POSS或石墨烯的整理剂应用于织物的后整理，POSS或石墨烯通过化学接枝或物理吸附到织物的表面。但是这种方法具有缺点是织物表面的POSS或石墨烯在洗涤、使用等过程中会逐渐减少，导致作用越来越弱。另一种将POSS或石墨烯分散到纤维聚合物中，得到的功能性纤维能有较长的作用时间。
鉴于POSS和石墨烯的性能，将POSS和石墨烯一起添加到纤维中目的是同时发挥POSS和石墨烯的功能，但是将这两种材料分开添加到纤维中只会各自发挥作用，甚至会互相阻碍。
POSS和石墨烯形成化合物后再加入到纤维中是一种能协同发挥POSS和石墨烯性能的方法。公布号CN107385542A的中国发明申请专利提出了一种POSS接枝氧化石墨烯改性的尼龙复合树脂及其纤维的制备方法，将含有氨基或羟基的POSS与氧化石墨烯反应，得到POSS接枝氧化石墨烯，再与内酰胺单体混合，然后反应，得到POSS接枝氧化石墨烯原位改性的尼龙复合树脂切片，熔融纺丝后得到改性的尼龙纤维。
巯基-烯点击化学反应是一种“绿色”化学反应，具有无需除水除氧、反应条件温和、反应时间短、反应转化率高、反应产物纯度高等优点，在水凝胶、薄膜、光刻印刷和生物材料领域具有广泛的应用。
发明内容
(一)所用解决的技术问题
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种石墨烯/POSS改性聚酯纤维，具有较好的导电性、导热性、力学强度和阻燃性能。
本发明的另一个目的在于提供一种石墨烯/POSS改性聚酯纤维的制备方法。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案，
一种石墨烯/POSS改性聚酯纤维，由以下组分按重量百分比组成，1～50％聚酯/石墨烯/POSS颗粒和50～99％聚酯。
优选的，由以下组分按重量百分比组成，5～20％聚酯/石墨烯/POSS颗粒和80～95％聚酯。
优选的，所述聚酯/石墨烯/POSS颗粒的制备方法包括以下步骤，
S1：按重量份数计，将1～10份氧化石墨烯加入到1000份无水乙醇中超声20～30分钟，加入巯基烷基胺和巯基烷基胺重量0.5倍的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺(EDC)，搅拌下升温至体系微回流，反应0.5～2小时，过滤，除去滤液，滤出固体用无水乙醇清洗5次，在真空烘箱中干燥至恒重，得到巯基改性氧化石墨烯；
S2：按重量份数计，将5～20份步骤S1中的巯基改性氧化石墨烯加入到1000份乙酸乙酯中超声20～30分钟，加入八乙烯基POSS和八乙烯基POSS重量0.01倍的安息香二甲醚，搅拌下，在主波长365nm，光强20～200W/cm的紫外光下照射5～30分钟；加入巯基烷基醇，搅拌下，在主波长365nm，光强20～200W/cm的紫外光下继续照射5～30分钟；加入还原剂，升温至体系微回流，反应2～4小时，过滤，除去滤液，滤出固体用无水乙醇清洗5次，在真空烘箱中干燥至恒重，得到羟基改性POSS/石墨烯复合材料；
S3：按重量份数计，将1份步骤S2中的羟基改性POSS/石墨烯复合材料加入到5～50份ε-己内酯中，超声分散60分钟，加入ε-己内酯重量0.1％的二月桂酸二丁基锡，搅匀后升温至70℃，反应2小时，升温至140℃，反应6小时，减压至-0.099MPa以下，除去低沸物，冷却，造粒，得到聚酯/石墨烯/POSS颗粒。
更优选的，步骤S1中所述巯基烷基胺选自巯基乙胺和巯基丙胺中的一种或两种，所述氧化石墨烯和所述巯基烷基胺的重量比为1:0.5～1.5。
氧化石墨烯是鳞片石墨采用强氧化剂氧化制得，Hummers法或者改进Hummers法制备氧化石墨烯是其中反应条件比较温和的的方法。
期刊文献《巯基化石墨烯对水中Pb(Ⅱ)的吸附性能研究》(《化学通报》2017年第80卷第4期361-366页)报道了采用巯基乙胺和氧化石墨烯反应制备巯基改性氧化石墨烯的方法。
公布号CN108084528A的中国发明申请专利公开了采用巯基-氨基化合物与氧化石墨烯反应制备巯基化石墨烯的方法。
更优选的，步骤S2中所述巯基改性氧化石墨烯中巯基的摩尔数和八乙烯基POSS的摩尔数比为1:1。
期刊文献《八乙烯基多面体低聚倍半硅氧烷的合成与表征》(《合成橡胶工业》2009年第32卷第2期105-108页)报道了乙烯基三甲氧基硅烷在酸性环境中水解缩合制备八乙烯基POSS的方法。
更优选的，步骤S2中所述巯基烷基醇选自巯基乙醇、3-巯基丙醇、4-巯基-1-丁醇、2-巯基-3-丁醇、3-巯基-3-甲基-1-丁醇和3-巯基-2-甲基戊醇中的一种或几种。
更优选的，步骤S2中所述八乙烯基POSS和巯基烷基醇的摩尔比为1:5～10。
更优选的，步骤S2中所述还原剂选自硼氢化钠、维生素C、水合肼、二甲肼和抗坏血酸中的一种或几种，所述还原剂的使用量为巯基改性氧化石墨烯重量的2～3倍。
一种上述任一实施方案中所述石墨烯/POSS改性聚酯纤维的制备方法，按重量份数计，将1～50份上述任一实施方案中所述的聚酯/石墨烯/POSS颗粒和50～99份聚酯切片进行熔融纺丝，得到石墨烯/POSS改性聚酯纤维。
聚酯/石墨烯/POSS颗粒和聚酯切片在熔融纺丝前进行真空干燥处理，以除去其中的水分。
一种上述任一实施方案中所述石墨烯/POSS改性聚酯纤维在纺织上的应用。
本发明利用氧化石墨烯表面含有环氧基团、羧基、羟基等活性基团，采用巯基烷基胺上的氨基与氧化石墨烯表面的环氧基团和羧基的反应，得到巯基改性氧化石墨烯。利用乙烯基和巯基的巯基-烯点击化学反应，使得巯基改性氧化石墨烯和八乙烯基POSS反应后，未反应的乙烯基继续与巯基烷基醇反应，还原氧化石墨烯后得到羟基改性石墨烯/POSS复合材料。利用羟基改性石墨烯/POSS复合材料表面的羟基作为引发基团，在催化剂催化下引发ε-己内酯开环聚合，得到聚酯/石墨烯/POSS颗粒，聚酯/石墨烯/POSS颗粒与聚酯切片具有较好的相容性，两者混合熔融纺丝后即得到石墨烯/POSS改性聚酯纤维纤维。
(三)有益效果
和现有技术相比，本发明的有益效果为：(1)提供一种POSS上接枝有聚酯链段的聚酯/石墨烯/POSS复合材料作为聚酯纤维的改性填料；(2)聚酯/石墨烯/POSS复合材料添加到聚酯中具有较好的分散性，改性聚酯纤维的力学性能较好；(3)添加聚酯/石墨烯/POSS复合材料后得到的改性聚酯纤维具有较好的导电性、导热性、抗紫外性、耐洗性和提高阻燃性。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，通过实施例对本发明进行进一步详细阐述，但并不限制本发明。
如无特别指明，以下的实施方案中的份数都是重量份数。
制备巯基改性氧化石墨烯
在带有搅拌棒、温度计和回流冷凝管的容器中加入1份Hummers法氧化石墨烯和1000份无水乙醇，超声20分钟，加入0.5份巯基乙胺和0.25份EDC，搅拌下升温至体系微回流，反应2小时，过滤，除去滤液，滤出固体用无水乙醇清洗5次，在真空烘箱中干燥至恒重，得到巯基改性氧化石墨烯1。采用滴定法测得产物中巯基的含量为0.13mol/100g。FT-IR分析显示，产物在1585cm-1的尖锐的中强峰，为-NHCO-的特征吸收峰，在3410cm-1的宽峰，为-OH和-NH-的吸收峰重叠导致。
在带有搅拌棒、温度计和回流冷凝管的容器中加入10份Hummers法氧化石墨烯和1000份无水乙醇，超声30分钟，加入15份巯基丙胺和5份EDC，搅拌下升温至体系微回流，反应0.5小时，过滤，除去滤液，滤出固体用无水乙醇清洗5次，在真空烘箱中干燥至恒重，得到巯基改性氧化石墨烯2。采用滴定法测得产物中巯基的含量为0.11mol/100g。
制备羟基改性POSS/石墨烯复合材料
在容器中加入5份巯基改性氧化石墨烯1和1000份乙酸乙酯，超声20分钟，加入4.1份八乙烯基POSS和0.04份安息香二甲醚，搅拌下，在主波长365nm，光强20W/cm的紫外光下照射30分钟；加入2.54份巯基乙醇，搅拌下，在主波长365nm，光强20W/cm的紫外光下继续照射30分钟；加入10份水合肼，升温至体系微回流，反应4小时，过滤，除去滤液，滤出固体用无水乙醇清洗5次，在真空烘箱中干燥至恒重，得到羟基改性POSS/石墨烯复合材料1。FT-IR分析显示，产物在1110cm-1有一个尖锐的强峰，为POSS上Si-O-Si的特征吸收峰，在1630cm-1有一个弱的吸收峰，为POSS上未反应完的乙烯基，1585cm-1的尖锐的中强峰，为-NHCO-的特征吸收峰，在3445cm-1的宽峰，为-OH和-NH-的吸收峰重叠导致，在1218cm-1有一个弱的峰，为C-S-C的吸收峰，在2570cm-1附近没有属于巯基的吸收峰。
在容器中加入10份巯基改性氧化石墨烯1和1000份乙酸乙酯，超声20分钟，加入8.2份八乙烯基POSS和0.08份安息香二甲醚，搅拌下，在主波长365nm，光强100W/cm的紫外光下照射15分钟；加入8.37份3-巯基-1-丙醇，搅拌下，在主波长365nm，光强100W/cm的紫外光下继续照射15分钟；加入25份硼氢化钠，升温至体系微回流，反应3小时，过滤，除去滤液，滤出固体用无水乙醇清洗5次，在真空烘箱中干燥至恒重，得到羟基改性POSS/石墨烯复合材料2。
在容器中加入20份巯基改性氧化石墨烯2和1000份乙酸乙酯，超声30分钟，加入13.9份八乙烯基POSS和0.14份安息香二甲醚，搅拌下，在主波长365nm，光强200W/cm的紫外光下照射5分钟；加入23.3份4-巯基-1-丁醇，搅拌下，在主波长365nm，光强200W/cm的紫外光下继续照射5分钟；加入60份维生素C，升温至体系微回流，反应2小时，过滤，除去滤液，滤出固体用无水乙醇清洗5次，在真空烘箱中干燥至恒重，得到羟基改性POSS/石墨烯复合材料3。
制备聚酯/石墨烯/POSS颗粒
将1份羟基改性POSS/石墨烯复合材料1加入到5份ε-己内酯中，超声分散60分钟，加入0.005份二月桂酸二丁基锡，搅匀后升温至70℃，反应2小时，升温至140℃，反应6小时，减压至-0.099MPa以下，除去低沸物，冷却，造粒，得到聚酯/石墨烯/POSS颗粒1。将1份聚酯/石墨烯/POSS颗粒1加入到100份乙酸乙酯中超声分散30分钟，形成均一性棕黑色半透明液体，过滤，滤出固体用乙酸乙酯清洗3次，在50℃的真空干燥烘箱中烘干，得到固体状颗粒，证明聚酯链段是和石墨烯/POSS形成了化学结合。
将1份羟基改性POSS/石墨烯复合材料2加入到20份ε-己内酯中，超声分散60分钟，加入0.02份二月桂酸二丁基锡，搅匀后升温至70℃，反应2小时，升温至140℃，反应6小时，减压至-0.099MPa以下，除去低沸物，冷却，造粒，得到聚酯/石墨烯/POSS颗粒2。
将1份羟基改性POSS/石墨烯复合材料3加入到50份ε-己内酯中，超声分散60分钟，加入0.05份二月桂酸二丁基锡，搅匀后升温至70℃，反应2小时，升温至140℃，反应6小时，减压至-0.099MPa以下，除去低沸物，冷却，造粒，得到聚酯/石墨烯/POSS颗粒3。
实施例1
将1份聚酯/石墨烯/POSS颗粒1和99份聚酯切片进行熔融纺丝，得到石墨烯/POSS改性聚酯纤维1。熔融纺丝工艺：熔融纺丝温度270℃，采用侧吹冷却工艺，吹风温度为20℃，吹风速度为0.4m/s，以3000m/s的卷绕速度卷绕处理，拉伸、加捻、热定型、上油、卷绕成型，得到改性聚酯纤维1。
实施例2
将10份聚酯/石墨烯/POSS颗粒2和90份聚酯切片进行熔融纺丝，得到石墨烯/POSS改性聚酯纤维2。熔融纺丝工艺与实施例1中的一致。
实施例3
将20份聚酯/石墨烯/POSS颗粒3和80份聚酯切片进行熔融纺丝，得到石墨烯/POSS改性聚酯纤维3。熔融纺丝工艺与实施例1中的一致。
实施例4
将30份聚酯/石墨烯/POSS颗粒1和70份聚酯切片进行熔融纺丝，得到石墨烯/POSS改性聚酯纤维4。熔融纺丝工艺与实施例1中的一致。
实施例5
将40份聚酯/石墨烯/POSS颗粒2和60份聚酯切片进行熔融纺丝，得到石墨烯/POSS改性聚酯纤维5。熔融纺丝工艺与实施例1中的一致。
实施例6
将50份聚酯/石墨烯/POSS颗粒3和50份聚酯切片进行熔融纺丝，得到石墨烯/POSS改性聚酯纤维6。熔融纺丝工艺与实施例1中的一致。
实施例7
将50份聚酯/石墨烯/POSS颗粒1和50份聚酯切片进行熔融纺丝，得到石墨烯/POSS改性聚酯纤维7。熔融纺丝工艺与实施例1中的一致。
对比例
以未改性聚酯切片熔融纺丝得到的聚酯纤维为对比例。熔融纺丝工艺与实施例1中的一致。
性能测试
导电性：参照GB/T 12703.4-2010《纺织品静电性能的评定第4部分：电阻率》，测试待测样品的电阻率。具体结果如表1所示。
导热性：参考ASTM D1518-2014方法，测试待测样品的导热系数。具体结果如表1所示。
抗紫外性：参照GB/T 18830-2009《纺织品防紫外线性能的评定》，测试待测样品的抗紫外性。UPF值越高，抗紫外性能越好。具体结果如表1所示。
阻燃性：参照GB/T 5454-1997《纺织品燃烧性能试验氧指数法》测试待测样品的阻燃性。氧指数越高，阻燃性越好。具体结果如表1所示。
力学性能：参考GB/T14344-2008《化学纤维长丝拉伸性能试验方法》，在25℃采用温州市大荣纺织仪器有限公司生产的YG(B)021H型化纤长丝电子强力机测试待测样品的断裂强度、断裂伸长率和初始模量。具体结果如表1所示。
耐洗性：将待测样品经过标准洗涤50次后，测试其导电性和导热性，比较导电性和导热性的变化。具体结果如表2所示。
表1待测样品性能测试结果
Figure BDA0002083387350000091
Figure BDA0002083387350000101
从表1的结果可知，将本发明得到的改性聚酯纤维具有较好的导电性、导热性、阻燃性、耐紫外性和力学强度。
表2待测样品耐洗性测试结果
Figure BDA0002083387350000102
从表2的结果可知，本发明的改性聚酯纤维具有较好的耐洗性，经过50次的标准洗涤后，电阻率提高一个数量级，导热系数变化不到0.1W/m·K。
因此，本发明的改性聚酯纤维具有较好的导热性、导电性、抗紫外性、力学性能和耐洗性，具有较高的氧指数，可以应用于一些特殊的工作场合。
应当说明的是，以上公开实施例仅体现说明本发明的技术方案，而非用来限定本发明的保护范围，尽管参照较佳实施例对本发明做详细地说明，任何熟悉本技术领域者应当理解，在不脱离本发明的技术方案范围内进行修改或各种变化、等同替换，都应当属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种石墨烯/笼型聚倍半硅氧烷改性聚酯纤维，其特征在于：由以下组分按重量百分比组成，1~50%聚酯/石墨烯/笼型聚倍半硅氧烷颗粒和50~99%聚酯；
所述聚酯/石墨烯/笼型聚倍半硅氧烷颗粒的制备方法包括以下步骤，
S1：按重量份数计，将1~10份氧化石墨烯加入到1000份无水乙醇中超声20~30分钟，加入巯基烷基胺和巯基烷基胺重量0.5倍的1-（3-二甲氨基丙基）-3-乙基碳二亚胺，搅拌下升温至体系微回流，反应0.5~2小时，过滤，除去滤液，滤出固体用无水乙醇清洗5次，在真空烘箱中干燥至恒重，得到巯基改性氧化石墨烯；
S2：按重量份数计，将5~20份步骤S1中的巯基改性氧化石墨烯加入到1000份乙酸乙酯中超声20~30分钟，加入八乙烯基笼型聚倍半硅氧烷和八乙烯基笼型聚倍半硅氧烷重量0.01倍的安息香二甲醚，搅拌下，在主波长365nm，光强20~200W/cm2的紫外光下照射5~30分钟；加入巯基烷基醇，搅拌下，在主波长365nm，光强20~200W/cm2的紫外光下继续照射5~30分钟；加入还原剂，升温至体系微回流，反应2~4小时，过滤，除去滤液，滤出固体用无水乙醇清洗5次，在真空烘箱中干燥至恒重，得到羟基改性笼型聚倍半硅氧烷/石墨烯复合材料；
S3：按重量份数计，将1份步骤S2中的羟基改性笼型聚倍半硅氧烷/石墨烯复合材料加入到5~50份ε-己内酯中，超声分散60分钟，加入ε-己内酯重量0.1%的二月桂酸二丁基锡，搅匀后升温至70℃，反应2小时，升温至140℃，反应6小时，减压至-0.099MPa以下，除去低沸物，冷却，造粒，得到聚酯/石墨烯/笼型聚倍半硅氧烷颗粒。
2.根据权利要求1所述的石墨烯/笼型聚倍半硅氧烷改性聚酯纤维，其特征在于：由以下组分按重量百分比组成，5~20%聚酯/石墨烯/笼型聚倍半硅氧烷颗粒和80~95%聚酯。
3.根据权利要求1所述的石墨烯/笼型聚倍半硅氧烷改性聚酯纤维，其特征在于：步骤S1中所述巯基烷基胺选自巯基乙胺和巯基丙胺中的一种或两种，所述氧化石墨烯和所述巯基烷基胺的重量比为1:0.5~1.5。
4.根据权利要求1所述的石墨烯/笼型聚倍半硅氧烷改性聚酯纤维，其特征在于：步骤S2中所述巯基改性氧化石墨烯中巯基的摩尔数和八乙烯基笼型聚倍半硅氧烷的摩尔数比为1:1。
5.根据权利要求1所述的石墨烯/笼型聚倍半硅氧烷改性聚酯纤维，其特征在于：步骤S2中所述巯基烷基醇选自巯基乙醇、3-巯基丙醇、4-巯基-1-丁醇、2-巯基-3-丁醇、3-巯基-3-甲基-1-丁醇和3-巯基-2-甲基戊醇中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的石墨烯/笼型聚倍半硅氧烷改性聚酯纤维，其特征在于：步骤S2中所述八乙烯基笼型聚倍半硅氧烷和巯基烷基醇的摩尔比为1:5~10。
7.根据权利要求1所述的石墨烯/笼型聚倍半硅氧烷改性聚酯纤维，其特征在于：步骤S2中所述还原剂选自硼氢化钠、水合肼、二甲肼和抗坏血酸中的一种或几种，所述还原剂的使用量为巯基改性氧化石墨烯重量的2~3倍。
8.一种权利要求1-7任一项所述石墨烯/笼型聚倍半硅氧烷改性聚酯纤维的制备方法，其特征在于：按重量份数计，将1~50份权利要求1-7中任一项所述的聚酯/笼型聚倍半硅氧烷/石墨烯颗粒和50~99份聚酯切片进行熔融纺丝，得到石墨烯/POSS改性聚酯纤维。
9.一种权利要求1-7任一项所述石墨烯/笼型聚倍半硅氧烷改性聚酯纤维在纺织上的应用。
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