CN110592716A - 一种石墨烯抗菌纤维及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯抗菌纤维及其制备方法，本发明的石墨烯抗菌纤维具有安全性高、抗菌效果优异、抗菌性能稳定长久的优点。本发明石墨烯抗菌纤维的制备方法是以含有石墨烯纳米组合物的热气流对高熔点聚合物细流进行牵伸，在高效牵伸得到超细纤维的同时，热气流中的石墨烯纳米组合物均匀原位地负载于纤维表面，为纤维提供富集且高效抗菌的反应位点，从而形成织物骨架层和抗菌层双层复合的石墨烯抗菌纤维，该制备方法是在纺丝过程中进行工艺设计和参数控制，不仅简单高效，减少能耗，提高工艺可控性和连续性，可制备出一致性和稳定性好的产品，而且环境友好，充分实现精细化工和绿色环保的可持续发展理念。

Description

一种石墨烯抗菌纤维及其制备方法
技术领域
本发明涉及抗菌技术领域，尤其涉及一种石墨烯抗菌纤维及其制备方法。
背景技术
随着社会的发展、经济水平的提高，人们更加注重自身健康，抗菌材料受到更加广泛的关注。目前的纺织品一般分为天然纤维和化学纤维，这些纺织品并不能提供抗菌的性能，为保护人们的身体健康和减少纤维制品滋生细菌引发疾病的危险，开发出具有抗菌性能的纺织品成为目前研究的重点。
目前，具有抗菌功能的纺织品大多数是用通过母粒中或纺织品后整理中，以获得具有抗菌性能的纺织品。常见的抗菌整后理剂分为无机抗菌整理剂、有机抗菌整理剂和天然生物抗菌整理剂三大类。无机抗菌剂主要以银溶液为主，但纺织品在使用过程中容易脱落影响抗菌性能，而且纳米级别的银通过皮肤接触渗入人体内部，对人体造成伤害；有机抗菌剂主要为有机化学合成物质组成，抗菌剂制备和添加过程中对环境污染大，而且洗涤过程中容易与有机清洗剂发生反应失去抗菌性能；天然生物抗菌剂是在天然生物中提取的具有抗菌功能的有机高分子物质组成的抗菌剂，制备成本高，不能广泛推广和使用。
石墨烯是一种由碳原子以Sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的准二维材料，所以又叫做单原子层石墨。石墨烯是由英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，用微机械剥离法成功从石墨中分离得到，是目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料。石墨烯的抗菌性能于2010年被中国科学院上海应用物理研究所首次证实。国外专家揭示了石墨烯破坏细菌细胞膜的机制，相比于传统的无机、有机抗菌剂，石墨烯基本没有细胞毒性，更适合与人体皮肤直接接触。根据国内外专家研究石墨烯的抗菌机理主要有两种方式，一种是通过破坏细胞膜完整性，引起细菌结构的破坏和功能的紊乱；另外一种是通过与微生物相互作用后进入微生物体内，使微生物自由基代谢平衡失调，导致生物膜和大分子物质发生纸质过氧化损伤，从而达到抑菌效果。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术的不足，提供一种石墨烯抗菌纤维，该抗菌纤维具有安全性高、抗菌效果优异、抗菌性能稳定长久的优点，为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种石墨烯抗菌纤维，所述石墨烯抗菌纤维为双层复合结构，包括织物骨架层和抗菌层，所述织物骨架层为高熔点聚合物，所述抗菌层为石墨烯纳米组合物，所述石墨烯纳米组合物在纺丝过程中以热气流为载体原位负载于所述织物骨架层。
作为本发明石墨烯抗菌纤维的一种改进，所述石墨烯纳米组合物包括石墨烯纳米粉材料、分散剂、偶联剂，所述石墨烯纳米粉材料的重量百分比为90%~99.8%；所述分散剂的重量百分比为0.1%~5%；所述偶联剂的重量百分比为0.1%~5%。
作为本发明石墨烯抗菌纤维的一种改进，所述石墨烯纳米粉材料为石墨烯、氧化石墨烯、氧化还原石墨烯、改性石墨烯的一种或两种以上的组合。
作为本发明石墨烯抗菌纤维的一种改进，所述分散剂为低分子量聚乙烯蜡、聚乙二醇、硬脂酸镁、硬脂酸钙、硬脂酸酰胺一种或两种以上的组合；所述偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂的一种或两种以上的组合。
作为本发明石墨烯抗菌纤维的一种改进，所述高熔点聚合物为聚丙烯、聚乙烯、聚酯、聚四氟乙烯的一种或两种以上的组合。
本发明的另一目的是提供一种石墨烯抗菌纤维的制备方法，包括如下步骤：
S01、预处理：将石墨烯纳米组合物和高熔点聚合物分别进行真空干燥，备用；
S02、造粒输气：在石墨烯纳米组合物中输入热气流，使其形成含有石墨烯纳米组合物的热气流，将高熔点聚合物投入挤出机内挤出制得聚合物母粒；
S03、熔融纺丝：对聚合物母粒进行熔融得到聚合物熔体，聚合物熔体定量输送到喷丝口处喷出聚合物细流；
S04、牵引复合：导入含有石墨烯纳米组合物的热气流对聚合物细流进行牵伸得到石墨烯抗菌初生纤维；
S05、冷却成型：石墨烯抗菌初生纤维冷却固化成型，得到石墨烯抗菌纤维。
作为本发明石墨烯抗菌纤维的制备方法的一种改进，所述步骤S01中，所述高熔点聚合物还包括降解添加剂，所述降解添加剂为过氧化二异丙苯、二叔丁基过氧化物的一种或两种的组合，所述降解添加剂的比例为0.1%~10%。在挤出机中加入降解添加剂，有利于降低聚合物熔体的粘度和缩小分子量分布范围，越容易制得超细纤维。如果聚合物熔体的分子量分布较宽，将造成熔体切边速率下降，增加熔体弹性，影响含有石墨烯纳米组合物的热气流对熔体细流的牵伸和石墨烯纳米组合物的负载，从而影响石墨烯抗菌纤维的细度和抗菌性能。
作为本发明石墨烯抗菌纤维的制备方法的一种改进，所述步骤S03中，所述喷丝口孔径为0.3~0.8mm。
作为本发明石墨烯抗菌纤维的制备方法的一种改进，所述步骤S03中，所述聚合物熔体的粘度为50~300Pa·s。聚合物熔体粘度越低，熔体细丝可被牵伸得越细，更容易得到超细石墨烯抗菌纤维；但熔体粘度过小会造成熔体细丝被过度牵伸，形成的超短超细的纤维会飞散到空中而不易收集，因此为防止聚合物熔体在剪切力作用下产生破裂，聚合物熔体的粘度应保持在一定范围内。
作为本发明石墨烯抗菌纤维的制备方法的一种改进，所述步骤S03中，熔融温度为180~270℃。
作为本发明石墨烯抗菌纤维的制备方法的一种改进，所述步骤S04中，所述含有石墨烯纳米组合物的热气流速度为：2000~5000m/h，热气流温度为90~110℃。在一定的聚合物细流喷出量和一定的聚合物熔体粘度下，牵伸热气流的速度越大，则聚合物细流受到的牵伸作用越大，而且在高效牵引的同时，热气流中的石墨烯纳米组合物可均匀原位地负载于纤维表面，为纤维抗菌时提供富集且高效的反应位点。另外，提高牵伸热气流的速度，有利于提高纤维单强和纤维之间的热粘合程度，从而进一步提高石墨烯抗菌纤维的强度。
作为本发明石墨烯抗菌纤维的制备方法的一种改进，所述步骤S04中，所述石墨烯纳米组合物的在所述含有石墨烯纳米组合物的热气流的含量为0.5%~30%。
作为本发明石墨烯抗菌纤维的一种改进，所述步骤S05中，所述冷却风速为500~4500m/h，冷却温度为12~18℃。
与现有技术相比，本发明实现的有益效果至少包括：
本发明提供一种石墨烯抗菌纤维及其制备方法，本发明的石墨烯抗菌纤维具有安全性高、抗菌效果优异、抗菌性能稳定长久的优点。本发明石墨烯抗菌纤维的制备方法是以含有石墨烯纳米组合物的热气流对高熔点聚合物细流进行牵伸，在高效牵伸得到超细纤维的同时，热气流中的石墨烯纳米组合物均匀原位地负载于纤维表面，为纤维提供富集且高效抗菌的反应位点，从而形成织物骨架层和抗菌层双层复合的石墨烯抗菌纤维，该制备方法是在纺丝过程中进行工艺设计和参数控制，不仅简单高效，减少能耗，提高工艺可控性和连续性，可制备出一致性和稳定性好的产品，而且环境友好，充分实现精细化工和绿色环保的可持续发展理念。
附图说明
下面就根据附图和具体实施方式对本发明及其有益的技术效果作进一步详细的描述，其中：
图1是本发明实施例1制备的石墨烯抗菌纤维的扫描电镜图片。
具体实施方式
下面就根据附图和具体实施例对本发明作进一步描述，但本发明的实施方式不局限于此。
实施例1：一种石墨烯抗菌纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01、预处理：将石墨烯纳米组合物和高熔点聚合物分别进行真空干燥，备用；石墨烯纳米组合物中含有95%石墨烯纳米粉、2%聚乙二醇分散剂和3%硅烷偶联剂的石墨烯纳米组合物，高熔点聚合物中含有98.5%聚丙烯和1.5%过氧化二异丙苯；
S02、造粒输气：在石墨烯纳米组合物中输入热气流，使其形成含有5%石墨烯纳米组合物的热气流，将高熔点聚合物投入挤出机内挤出制得聚合物母粒；
S03、熔融纺丝：对聚合物母粒在225℃进行熔融得到粘度为50Pa·s的聚合物熔体，聚合物熔体定量输送到孔径为0.5mm的喷丝口处喷出聚合物细流；
S04、牵引复合：导入含有石墨烯纳米组合物的热气流，热气流温度为100℃，并以2500m/h的速度对聚合物细流进行牵伸得到石墨烯抗菌初生纤维；
S05、冷却成型：石墨烯抗菌初生纤维以温度15℃和风速1000m/h冷却固化成型，得到石墨烯抗菌纤维。
实施例2：一种石墨烯抗菌纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01、预处理：将石墨烯纳米组合物和高熔点聚合物分别进行真空干燥，备用；石墨烯纳米组合物中含有96%氧化石墨烯纳米粉、2%硬脂酸钙分散剂和2%硅烷偶联剂的石墨烯纳米组合物，高熔点聚合物中含有98%聚丙烯和2%过氧化二异丙苯；
S02、造粒输气：在石墨烯纳米组合物中输入热气流，使其形成含有20%石墨烯纳米组合物的热气流，将高熔点聚合物投入挤出机内挤出制得聚合物母粒；
S03、熔融纺丝：对聚合物母粒在230℃进行熔融得到粘度为200Pa·s的聚合物熔体，聚合物熔体定量输送到孔径为0.5mm的喷丝口处喷出聚合物细流；
S04、牵引复合：导入含有石墨烯纳米组合物的热气流，热气流温度为90℃，并以3200m/h的速度对聚合物细流进行牵伸得到石墨烯抗菌初生纤维；
S05、冷却成型：石墨烯抗菌初生纤维以温度12℃和风速4000m/h冷却固化成型，得到石墨烯抗菌纤维。
实施例3：一种石墨烯抗菌纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01、预处理：将石墨烯纳米组合物和高熔点聚合物分别进行真空干燥，备用；石墨烯纳米组合物中含有92%氧化还原石墨烯纳米粉、4%聚乙二醇分散剂和4%钛酸酯偶联剂的石墨烯纳米组合物，高熔点聚合物中含有97%聚丙烯和3%二叔丁基过氧化物；
S02、造粒输气：在石墨烯纳米组合物中输入热气流，使其形成含有15%石墨烯纳米组合物的热气流，将高熔点聚合物投入挤出机内挤出制得聚合物母粒；
S03、熔融纺丝：对聚合物母粒在180℃进行熔融得到粘度为80Pa·s的聚合物熔体，聚合物熔体定量输送到孔径为0.3mm的喷丝口处喷出聚合物细流；
S04、牵引复合：导入含有石墨烯纳米组合物的热气流，热气流温度为95℃，并以3500m/h的速度对聚合物细流进行牵伸得到石墨烯抗菌初生纤维；
S05、冷却成型：石墨烯抗菌初生纤维以温度18℃和风速3200m/h冷却固化成型，得到石墨烯抗菌纤维。
实施例4：一种石墨烯抗菌纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01、预处理：将石墨烯纳米组合物和高熔点聚合物分别进行真空干燥，备用；石墨烯纳米组合物中含有96%石墨烯纳米粉、3%低分子聚乙烯蜡分散剂和1%铝酸酯偶联剂的石墨烯纳米组合物，高熔点聚合物中含有95%聚乙烯和5%过氧化二异丙苯；
S02、造粒输气：在石墨烯纳米组合物中输入热气流，使其形成含有12%石墨烯纳米组合物的热气流，将高熔点聚合物投入挤出机内挤出制得聚合物母粒；
S03、熔融纺丝：对聚合物母粒在240℃进行熔融得到粘度为120Pa·s的聚合物熔体，聚合物熔体定量输送到孔径为0.8mm的喷丝口处喷出聚合物细流；
S04、牵引复合：导入含有石墨烯纳米组合物的热气流，热气流温度为105℃，并以5000m/h的速度对聚合物细流进行牵伸得到石墨烯抗菌初生纤维；
S05、冷却成型：石墨烯抗菌初生纤维以温度14℃和风速2000m/h冷却固化成型，得到石墨烯抗菌纤维。
实施例5：一种石墨烯抗菌纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01、预处理：将石墨烯纳米组合物和高熔点聚合物分别进行真空干燥，备用；石墨烯纳米组合物中含有96%改性石墨烯纳米粉、3%硬脂酸酰胺分散剂和1%硅烷偶联剂的石墨烯纳米组合物，高熔点聚合物中含有92%聚丙烯和8%过氧化二异丙苯；
S02、造粒输气：在石墨烯纳米组合物中输入热气流，使其形成含有30%石墨烯纳米组合物的热气流，将高熔点聚合物投入挤出机内挤出制得聚合物母粒；
S03、熔融纺丝：对聚合物母粒在270℃进行熔融得到粘度为300Pa·s的聚合物熔体，聚合物熔体定量输送到孔径为0.6mm的喷丝口处喷出聚合物细流；
S04、牵引复合：导入含有石墨烯纳米组合物的热气流，热气流温度为110℃，并以4000m/h的速度对聚合物细流进行牵伸得到石墨烯抗菌初生纤维；
S05、冷却成型：石墨烯抗菌初生纤维以温度16℃和风速4500m/h冷却固化成型，得到石墨烯抗菌纤维。
对实施例1至5的石墨烯抗菌纤维进行抗菌性能检测，抗细菌和白色念珠菌性能参照GB/T 20944.3-2008震荡法：将试样置于烧瓶中、加入接种菌液、震荡，吸取瓶中液体，置于平板培养48小时（白色念珠菌72小时），记录菌落数（cfu/ml）计算抑菌率。测试对象包括金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus) ATCC 6538、大肠埃希氏菌(Escherichiacoli) ATCC 25922、白色念珠菌(Canidia Albicans) ATCC 10231。实施例1至5的石墨烯抗菌纤维分别编号为S1~S5，测试编号为S1~S5的石墨烯抗菌纤维的抗菌性能，所得结果见表1。
表1：编号为S1~S5的石墨烯抗菌纤维的抗细菌/白色念珠菌性能
*参照标准，抗菌率标准要求≥70%。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和结构的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims (13)

1.一种石墨烯抗菌纤维，所述石墨烯抗菌纤维为双层复合结构，包括织物骨架层和抗菌层，所述织物骨架层为高熔点聚合物，所述抗菌层为石墨烯纳米组合物，所述石墨烯纳米组合物在纺丝过程中以热气流为载体原位负载于所述织物骨架层。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯抗菌纤维，其特征在于，所述石墨烯纳米组合物包括石墨烯纳米粉材料、分散剂、偶联剂，所述石墨烯纳米粉材料的重量百分比为90%~99.8%；所述分散剂的重量百分比为0.1%~5%；所述偶联剂的重量百分比为0.1%~5%。
3.根据权利要求2所述的一种石墨烯抗菌纤维，其特征在于，所述石墨烯纳米粉材料为石墨烯、氧化石墨烯、氧化还原石墨烯、改性石墨烯的一种或两种以上的组合。
4.根据权利要求2所述的一种石墨烯抗菌纤维，其特征在于，所述分散剂为低分子量聚乙烯蜡、聚乙二醇、硬脂酸镁、硬脂酸钙、硬脂酸酰胺一种或两种以上的组合；所述偶联剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂的一种或两种以上的组合。
5.根据权利要求2所述的一种石墨烯抗菌纤维，其特征在于，所述高熔点聚合物为聚丙烯、聚乙烯、聚酯、聚四氟乙烯的一种或两种以上的组合。
6.一种如权利要求1所述的石墨烯抗菌纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01、预处理：将石墨烯纳米组合物和高熔点聚合物分别进行真空干燥，备用；
S02、造粒输气：在石墨烯纳米组合物中输入热气流，使其形成含有石墨烯纳米组合物的热气流，将高熔点聚合物投入挤出机内挤出制得聚合物母粒；
S03、熔融纺丝：对聚合物母粒进行熔融得到聚合物熔体，聚合物熔体定量输送到喷丝口处喷出聚合物细流；
S04、牵引复合：导入含有石墨烯纳米组合物的热气流对聚合物细流进行牵伸得到石墨烯抗菌初生纤维；
S05、冷却成型：石墨烯抗菌初生纤维冷却固化成型，得到石墨烯抗菌纤维。
7.根据权利要求6所述的一种石墨烯抗菌纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤S01中，所述高熔点聚合物还包括降解添加剂，所述降解添加剂为过氧化二异丙苯、二叔丁基过氧化物的一种或两种的组合，所述降解添加剂的比例为0.1%~10%。
8.根据权利要求6所述的一种石墨烯抗菌纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤S03中，所述喷丝口孔径为0.3~0.8mm。
9.根据权利要求6所述的一种石墨烯抗菌纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤S03中，所述聚合物熔体的粘度为50~300Pa·s。
10.根据权利要求6所述的一种石墨烯抗菌纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤S03中，熔融温度为180~270℃。
11.根据权利要求6所述的一种石墨烯抗菌纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤S04中，所述含有石墨烯纳米组合物的热气流速度为：2000~5000m/h，热气流温度为90~110℃。
12.根据权利要求6所述的一种石墨烯抗菌纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤S04中，所述石墨烯纳米组合物的在所述含有石墨烯纳米组合物的热气流的含量为0.5%~30%。
13.根据权利要求6所述的一种石墨烯抗菌纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤S05中，所述冷却风速为500~4500m/h，冷却温度为12~18℃。
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