CN112359435A - 一种抗菌抗静电超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法 - Google Patents

一种抗菌抗静电超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明专利提供了一种抗菌抗静电超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法，包括超高分子量聚乙烯粉末、分散剂、碳材料和/或壳聚糖；碳材料包括石墨烯、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、导电炭黑、石墨粉体、膨胀石墨、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯的一种或两种及其两种以上的组合；分散剂包括聚乙烯吡咯烷酮、脂肪醇醚磷酸酯盐、十二烷基苯磺酸钠的一种或两种及其两种以上的组合。本发明专利提供的抗菌抗静电超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法，使得超高分子量聚乙烯纤维具有抗菌抗静电的功能，大大的拓展超高分子量聚乙烯纤维的应用场景。

Description

一种抗菌抗静电超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法
技术领域
本发明专利涉及高分子新材料技术领域，尤其涉及一种抗菌抗静电超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法。
背景技术
超高分子量聚乙烯纤维是目前公认的三大高性能纤维，在民用和军用领域都具有广泛的应用，随着人们生活水平的提高，尤其是在纺织行业，对超高分子量聚乙烯纤维的需求越来越大。为了满足纺织行业对抗菌抗静电等功能性的要求，市场上有利用纳米银作为抗菌剂，但具有一定的成本；使用竹炭粉作为抗菌剂时，竹炭作为多孔结构的物质，在超高分子量聚乙烯纤维生产过程中，可能由于溶剂的挥发导致纤维表面不光滑，出现孔隙，影响了纤维的机械性能。
石墨烯是新材料之王，其具有多种惊艳的性能。它的电导率高达108S/m，比铜还好，使得石墨烯可以作为一种优良的抗静电剂。作为片状的二维材料，单层石墨烯厚度仅为0.335nm，其锋利的结构相当于“纳米刀片”可以使大多数细菌细胞膜被割破，计算机模拟也证实了片状结构的石墨烯与细菌细胞膜上的磷脂分子会发生很强的相互作用。上述两种机理都证实了石墨烯具有很强的抗菌性能。石墨烯由天然石墨为原料制备，无毒性，作为一种无机物，区别于有机抗菌剂，石墨烯抗菌作用持久，耐热性好(熔点>3000℃)，抗菌谱广，不产生耐药性，安全性较高。此外，壳聚糖是一种天然多糖，具有良好的生物相容性，由于其表面具有丰富的氨基，使得其具有较好的抗菌性。
超高分子量聚乙烯纤维和石墨烯这两种不同的“超级材料”，通过“强强联合”，可以赋予超高分子量聚乙烯纤维抗菌抗静电的功能，从而大大的拓展超高分子量聚乙烯纤维的应用场景。
发明内容
本发明专利的目的在于提供一种抗菌抗静电超高分子量聚乙烯纤维及其制备方法，解决了如何使得超高分子量聚乙烯纤维具有抗菌抗静电的技术难题，具有优良的技术性能，大大的拓展超高分子量聚乙烯纤维的应用场景。
一种抗菌抗静电超高分子量聚乙烯纤维，包括超高分子量聚乙烯粉末、分散剂、碳材料和/或壳聚糖；
所述碳材料包括石墨烯、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、导电炭黑、石墨粉体、膨胀石墨、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯的一种或两种及其两种以上的组合；
所述分散剂包括聚乙烯吡咯烷酮、脂肪醇醚磷酸酯盐、十二烷基苯磺酸钠的一种或两种及其两种以上的组合。
所述石墨烯为片状二维结构，二维尺寸为1μm-25μm，厚度0.335nm-15nm；
所述导电炭黑一次粒子尺寸为5nm-500nm的零维形态；
所述石墨粉体粒径为600目-3000目；
所述膨胀石墨的倍数为250-600倍；
所述氧化石墨烯和所述还原氧化石墨烯粒度范围为0.5μm-25μm，厚度0.335nm-20nm；
所述单壁碳纳米管和所述多壁碳纳米管为1μm-25μm，管径2nm-30nm的一维形态结构。
所述壳聚糖粉末粒径为50nm-10μm。
所述碳材料用量为所述超高分子量聚乙烯纤维的0.3%-5wt.%，所述壳聚糖用量为所述超高分子量聚乙烯纤维的0.3%-3wt.%，所述分散剂用量为所述超高分子量聚乙烯纤维的0.025%-3wt.%。
所述石墨烯、所述膨胀石墨、所述单壁碳纳米管、所述导电炭黑、所述多壁碳纳米管和所述石墨粉的电导率均高于104S/m，所述还原氧化石墨烯的电导率高于30S/m。
电导率高于这个数值范围，在加入少量的上述物质后，就可以起到抗静电作用。
所述聚乙烯的超高分子量为100万-500万。
一种抗菌抗静电超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，该方法具体的制备步骤为：
步骤S01：将碳材料或壳聚糖中的一种或多种组合、分散剂中的一种或多种组合加入溶剂中，通过搅拌、分散混合均匀，获得混合物；
步骤S02：向混合物中加入超高分子量聚乙烯粉末，溶胀后，经螺杆挤出机，进行高温剪切溶解，获得溶解混合物；
步骤S03：超高分子量聚乙烯溶解后的混合溶液通过纺丝箱纺丝，后续萃取去除溶剂、干燥处理后，经过热牵伸后，得到抗菌抗静电超高分子量聚乙烯纤维。
在纺丝箱体中纺丝，通过萃取、清洗等去除溶剂，通过热牵伸设备实现热牵伸的过程。
所述步骤S01中，分散混合方法包括球磨、砂磨、乳化机或超声的一种或其中多种的组合。
所述步骤S01中，所述碳材料、所述壳聚糖和所述分散剂的混合处理所需要的时间为0.5h-10h。
所述步骤S01中，所述溶剂为白油、十氢萘、煤油、植物油、动物油的一种或其多种的组合，所述溶剂用量是超高分子量聚乙烯粉末的1-25倍。
最终获得经纳米新材料改性的具有线性结构的抗菌抗静电超高分子量聚乙烯纤维。
本发明专利达成以下显著效果：
本发明的抗菌抗静电超高分子量聚乙烯纤维对金黄色葡萄球菌的抑菌率>99%，对白色念珠菌的抑菌率>99%，对大肠杆菌的抑菌率为87%，具备优良的抗菌效果，且抗静电性能最高达到A级，具有极为优良的抗静电效果。
具体实施方式
为了能更加清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。
实施例1
将重量为20g的石墨烯粉体、80g的多壁碳纳米管、20g PVP与100kg白油溶剂混合，利用砂磨循环处理2h使石墨烯和多壁碳纳米管充分分散在白油体系中；
石墨烯粉体二维尺寸1μm-10μm，多壁碳纳米管一维尺寸为1μm-10μm，石墨烯电导率为7×104S/m，多壁碳纳米管电导率为2×104S/m；
10kg超高分子量聚乙烯粉末（350万分子量）加入到经砂磨处理后的纳米材料分散液中，通过乳化机处理混合，经加热处理，使之形成稳定均匀的悬浮液；
进入螺杆挤出机中，进行高温剪切溶解；超高分子量聚乙烯溶解后的混合溶液通过纺丝箱纺丝，后续萃取去除溶剂、干燥处理后，经过热牵伸后，得到抗菌抗静电超高分子量聚乙烯纤维。
实施例2
将重量为60g的膨胀石墨、60g壳聚糖，20g 十二烷基苯磺酸钠与80kg白油溶剂混合，利用砂磨循环处理8h使600倍膨胀石墨充分均匀分散在白油体系中，其中膨胀石墨电导率为105S/m，；
60g壳聚糖（500nm-1μm）和6kg超高分子量聚乙烯粉末（400万分子量）加入到经砂磨处理后的纳米材料分散液中，通过乳化机处理混合，经加热处理，使之形成稳定均匀的悬浮液；
进入螺杆挤出机中，进行高温剪切溶解；超高分子量聚乙烯溶解后的混合溶液通过纺丝箱纺丝，后续萃取去除溶剂、干燥处理后，经过热牵伸后，得到抗菌抗静电超高分子量聚乙烯纤维。
实施例3
将重量为80g的石墨烯粉体、20g的导电炭黑、35g 脂肪醇醚磷酸酯盐与75kg白油溶剂混合，利用球磨循环处理1.5h使石墨烯和导电炭黑充分分散在十氢萘体系中；
石墨烯粉体二维尺寸3μm-25μm，导电炭黑零维尺寸为20 nm -50nm；石墨烯电导率为105S/m，导电炭黑电导率为104S/m；
8.5kg超高分子量聚乙烯粉末（500万分子量）加入到经球磨处理后的纳米材料分散液中，通过乳化机和超声共同处理混合后，加热处理，使之形成稳定均匀的悬浮液。
进入螺杆挤出机中，进行高温剪切溶解；超高分子量聚乙烯溶解后的混合溶液通过纺丝箱纺丝，后续萃取去除溶剂、干燥处理后，经过热牵伸后，得到抗菌抗静电超高分子量聚乙烯纤维。
注：
（1）抗菌评价标准：抗菌测试按照《纺织品抗菌性能的评价第3部分：振荡法》 (GB/T20944.3-2008)中规定对纤维的抗菌效果进行定性和定量的测试，其中所用测试菌种为：金黄色葡萄球菌（ATCC 6538），大肠杆菌（8099），白色念珠菌（ATCC 10231）。本专利超高分子量聚乙烯纤维样品对金黄色葡萄球菌及大肠杆菌的抑菌率≥70%，对白色念珠菌的抑菌率≥60%，说明被测试样品具备抗菌效果。
（2）抗静电评价标准：利用超高分子量聚乙烯纤维制备的纺织品，抗静电性能按《纺织品静电性能的评定第1部分：静电压半衰期》(GB/T 12703.1-2008)标准测定。静电压半衰期≤2.0s 为A级，≤5.0s 为B级，≤15.0s 为C级。其中，本专利中产品的抗静电性能为A级。
本发明专利未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述，当然，上述说明并非是对本发明专利的限制，本发明专利也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明专利的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明专利的保护范围。

Claims (9)

1.一种抗菌抗静电超高分子量聚乙烯纤维，其特征在于，包括超高分子量聚乙烯粉末、分散剂、碳材料和/或壳聚糖；
所述碳材料包括石墨烯、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、导电炭黑、石墨粉体、膨胀石墨、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯的一种或两种及其两种以上的组合；
所述分散剂包括聚乙烯吡咯烷酮、脂肪醇醚磷酸酯盐、十二烷基苯磺酸钠的一种或两种及其两种以上的组合。
2.根据权利要求1所述的抗菌抗静电超高分子量聚乙烯纤维，其特征在于，所述石墨烯为片状二维结构，二维尺寸为1μm-25μm，厚度0.335nm-15nm；
所述导电炭黑一次粒子尺寸为5nm-500nm的零维形态；
所述石墨粉体粒径为600目-3000目；
所述膨胀石墨的倍数为250 -600倍；
所述氧化石墨烯和所述还原氧化石墨烯粒度范围为0.5μm-25μm，厚度0.335nm-20nm；
所述单壁碳纳米管和所述多壁碳纳米管为1μm-25μm的一维形态结构，管径2nm-30nm；
所述壳聚糖粉末粒径为50nm-10μm。
3.根据权利要求2所述的抗菌抗静电超高分子量聚乙烯纤维，其特征在于：所述碳材料用量为所述超高分子量聚乙烯纤维的0.3%-5wt.%，所述壳聚糖用量为所述超高分子量聚乙烯纤维的0.3%-3wt.%，所述分散剂用量为所述超高分子量聚乙烯纤维的0.025%-3wt.%。
4.根据权利要求3所述的抗菌抗静电超高分子量聚乙烯纤维，其特征在于，所述石墨烯、所述膨胀石墨、所述导电炭黑、所述单壁碳纳米管、所述多壁碳纳米管和所述石墨粉的电导率均高于104S/m，所述还原氧化石墨烯的电导率高于30S/m。
5.根据权利要求4所述的抗菌抗静电超高分子量聚乙烯纤维，其特征在于，所述聚乙烯的超高分子量为100万-500万。
6.一种抗菌抗静电超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于，该方法具体的制备步骤为：
步骤S01：将壳聚糖、碳材料中的一种或多种组合、分散剂中的一种或多种组合添加到溶剂中，通过搅拌、分散混合均匀，获得混合物；
步骤S02：向混合物中加入超高分子量聚乙烯粉末，溶胀后，进入螺杆挤出机中，进行高温剪切溶解；
步骤S03：超高分子量聚乙烯溶解后的混合溶液通过纺丝箱纺丝，后续萃取去除溶剂、干燥处理，经过热牵伸后，得到抗菌抗静电超高分子量聚乙烯纤维。
7.根据权利要求6所述的抗菌抗静电超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤S01中，分散混合方法包括球磨、砂磨、乳化机或超声的一种或其中多种的组合。
8.根据权利要求7所述的抗菌抗静电超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤S01中，所述碳材料、所述壳聚糖和所述分散剂的混合处理所需要的时间为0.5h-10h。
9.根据权利要求8所述的抗菌抗静电超高分子量聚乙烯纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤S01中，所述溶剂为十氢萘、煤油、白油、植物油、动物油的一种或其多种的组合，所述溶剂用量是超高分子量聚乙烯粉末的1-25倍。
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