CN114775101B - 负氧离子生物质基纤维及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种负氧离子生物质基纤维及其制备方法，该制备方法包括如下步骤：S1、将木质纤维素与电气石和海藻酸钠混合，并进行湿磨得到悬浊液；S2、将步骤S1得到的悬浊液挤入凝浴液中凝固，获得单根负氧离子生物质基纤维。本发明中，电气石与纤维表面通过氢键的铆合，实现了电气石的良好分布，避免电气石团聚，比表面积更大，可释放更多的负氧离子。通过浆料在湿法纺丝中的自组装作用，木质纤维素随着流体方向排列，形成定向结构，使得纤维在受力过程中应力通过分散，增加了拉伸过程中的拉伸形变，同时海藻酸钠、电气石和木质纤维素的界面摩擦进一步耗散了能量，最终实现力学性能的提升。
Description
技术领域
本发明涉及纺织原料，具体地，涉及一种负氧离子生物质基纤维及其制备方法。
背景技术
森林优良的生态环境和保健功能，很好满足了那些历经城市热岛效应和环境污染，渴望回归自然的人们的需求。森林独特的小气候源于植物释放的负氧离子(称为“空气维生素”)，它们促进空气电离，被广泛应用于室内空气净化，包括去除空气中的颗粒物、挥发性有机化合物的氧解作用和抑菌作用，已被证明对人类和其他动物的生理和心理健康均有益处。
利用可穿戴纺织品创造独特的森林小气候已被认为是将健康功能引入日常生活的最有前途的策略之一。释放负氧离子的可穿戴结构纺织品通过静电作用净化空气，中和环境中的局部飞灰，形成舒适、安全的微气候，满足人体的环境需求。此外，释放的负氧离子可以有效补充自由基中缺失的电子，使自由基成为稳定的物质，不再从健康细胞中夺取电子。它们还可以为被自由基夺走的衰老细胞提供电子，以恢复它们的正常活动。
目前通常采用化学原料制备能释放负氧离子的复合纤维，例如《基于静电纺丝制备电气石/海藻酸钠/聚乙烯醇复合纤维》(杜冰，2015年5月，化工新型材料)一文将海藻酸钠、纳米电气石粉体与聚乙烯醇共混，经静电纺丝制备负离子功能型复合纤维。这类纤维可以释放负离子，但应力容易集中，导致纤维力学性能差。另外，化工原料不可再生，可持续发展差。
发明内容
针对上述负氧离子复合纤维力学性能差的问题，本发明提供了一种负氧离子生物质基纤维及其制备方法，该负氧离子生物质基纤维具有优异的负氧离子释放性能和释放可持续性，而且力学性能佳。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种负氧离子生物质基纤维的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
S1、将木质纤维素与电气石和海藻酸钠混合，并进行湿磨得到悬浊液；
S2、将步骤S1得到的悬浊液挤入凝浴液中凝固，获得单根负氧离子生物质基纤维。
本发明中，海藻酸钠内部木质纤维素可定向排列，使得纤维在受力过程中应力分散，实现力学性能的提升；电气石与纤维表面通过氢键的铆合，实现了电气石的良好分布，避免电气石团聚，比表面积更大，可释放更多的负氧离子。
优选地，步骤S1中，所述木质纤维素由生物质纤维脱除木质素而得。脱除木质素使得生物质纤维能够更好的分离减小至更小的尺寸。
上述技术方案中，生物质纤维可以是木材、竹材以及相应的加工剩余物，稻草、麦草、玉米秸秆、棉花杆、甘蔗渣之类的农作物废弃物，芦苇、芒杆之类的禾本科野草。
进一步地，采用漂白剂脱除生物质纤维的木质素，所述漂白剂为KOH、NaOH、Na2SO3、NaClO、氨水或者碱性过氧化氢，浓度为0.01～10M。
优选地，步骤S1中，所述木质纤维素、所述电气石和所述海藻酸钠的重量比为100：(1～20)：(100～200)。
制造持久高效的功能纤维必须添加足够多的负氧离子功能性粉体，添加少了，功能效果差；添加过多导致聚酯纤维强度差，纺丝时断丝、毛丝、飘丝增加，纺丝困难，难于正常工业化生产，还增加成本。采用以上比例制得的纤维的力学性能更好，且电气石不容易团聚，负氧离子释放性能更好。
优选地，步骤S1中，所述湿磨的时间为1～24h。
湿磨的作用是使得生物质纤维在机械力的作用下分离成微纤丝，在后续的加工过程中更容易排列，并使得电气石能够均匀的与微纤丝结合。
优选地，步骤S2中，所述凝浴液为氯化钙、氯化镍、氯化钴、氯化亚铁溶液中的一种或几种。
优选地，步骤S2中，所述凝浴液浓度为0.05～1mol/L，凝浴时间为1～30min。
优选地，步骤S2中，所述悬浊液的挤出速率为0.1～5mL/min。挤出速率过快纤维不容易成型，速率过慢形成的定向结构不明显。
将悬浮液装入塑料注射器中，挤入凝浴液中，挤出速度由气泵控制。
进一步地，还包括步骤S3：将多根步骤S2得到的单根纤维捻转并干燥得到螺旋复合纤维，每英寸捻数为1～18。
本发明第二方面提供一种负氧离子生物质基纤维，该纤维由上述的制备方法制得。
通过上述技术方案，本发明实现了以下有益效果：
1、本发明中，电气石与纤维表面通过氢键的铆合，实现了电气石的良好分布，避免电气石团聚，比表面积更大，可释放更多的负氧离子。由于电气石的自发极化效应，所制备的纤维具有永久释放负氧离子的性能。
2、通过浆料在湿法纺丝中的自组装作用，木质纤维素随着流体方向排列，形成定向结构。内部微纤丝的定向排列，结合多层次的螺旋结构，使得纤维在受力过程中应力通过旋转分散，增加了拉伸过程中的拉伸形变，同时海藻酸钠、电气石和木质纤维素的界面摩擦进一步耗散了能量，最终实现力学性能的提升。
3、采用本发明方法制备的复合纤维具有优异的负氧离子释放和力学性能，对于空气净化和自由基清除有潜在的功效，在织物领域中具有广阔的应用前景。同时该制备方法操作简单，成本低，能耗低。
附图说明
图1是本发明的纤维内部木质纤维素的定向排列图；
图2是本发明实施例1得到的生物质基负氧离子释放螺旋纤维的扫描电镜图；
图3是本发明实施例1得到的生物质基负氧离子释放螺旋纤维的负氧离子释放性能；
图4是本发明实施例1得到的生物质基负氧离子释放螺旋纤维的抗拉应力应变曲线。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
实施例中所用试剂均为市购产品。
实施例1
1、将木纤维浸泡在80℃的2.5M NaOH和0.4M Na2SO3的混合溶液中12h，过滤，再用去离子水清洗，去除木质素和半纤维素，得到木质纤维素；
2、将100g完全脱木质素的木质纤维素与1g电气石和100g海藻酸钠加入5000mL去离子水中，并输送至胶磨机中湿磨12h，制备纤维素复合材料悬浮液；
3、将悬浮液装入注射器中，挤入0.1mol/L CaCl2的凝浴液中制备单根木质纤维素纤维。挤出速度(1mL/min)由气泵控制，压力约为12.5psi。流速稳定后，收集均匀的凝胶纤维，在凝浴液中浸泡约10min，然后用去离子水清洗表面Ca2+。单根纤维图如图1所示，从图中可以看出经过湿法纺丝，木质纤维素纤维展现出高度有序的定向结构。
4、将3根凝胶纤维在拉伸呈绷直状态后立即拧成粗纤维(每英寸转数9圈)，然后室温下绷直干燥24小时，得到的生物质基负氧离子释放螺旋纤维，其扫描电镜图如图2所示，负氧离子释放性能如图3所示，抗拉应力应变曲线如图4所示。从图中可以看出木质纤维素纤维展现出优异的负氧离子释放性能和力学性能。
实施例2
1、将木纤维浸泡在60℃的10M KOH和0.01M Na2SO3的混合溶液中10h，过滤，再用去离子水清洗，去除木质素和半纤维素，得到木质纤维素；
2、将100g完全脱木质素的木质纤维素与20g电气石和200g海藻酸钠加入10000mL去离子水中，并输送至胶磨机中湿磨24h，制备纤维素复合材料悬浮液；
3、将悬浮液装入注射器中，挤入0.05mol/L氯化镍的凝浴液中制备单根木质纤维素纤维。挤出速度(5mL/min)由气泵控制。流速稳定后，收集均匀的凝胶纤维，在凝浴液中浸泡约30min，然后用去离子水清洗；
4、将3根凝胶纤维在拉伸后立即拧成粗纤维(每英寸转数18圈)，然后室温拉伸干燥24小时。
实施例3
1、将木纤维浸泡在90℃的5M NaOH和1M NaClO的混合溶液中15h，过滤，再用去离子水清洗，去除木质素和半纤维素，得到木质纤维素；
2、将100g完全脱木质素的木质纤维素与10g电气石和150g海藻酸钠加入7500mL去离子水中，并输送至胶磨机中湿磨1h，制备纤维素复合材料悬浮液；
3、将悬浮液装入注射器中，挤入1mol/L氯化亚铁的凝浴液中制备单根木质纤维素纤维。挤出速度(0.1mL/min)由气泵控制。流速稳定后，收集均匀的凝胶纤维，在凝浴液中浸泡约20min，然后用去离子水清洗；
4、将3根凝胶纤维在拉伸后立即拧成粗纤维(每英寸转数1圈)，然后室温拉伸干燥24小时。
性能检测
(1)其他条件同实施例1，验证不同木质纤维素、电气石和海藻酸钠的重量比对纤维性能的影响，结果如表1所示。
表1不同木质纤维素、电气石和海藻酸钠的重量比对纤维性能的影响
从表1可以看出，纤维负氧离子释放量随着电气石的增加而增加，但过多的电气石加入会团聚导致纤维力学性能大幅度降低。木质纤维素的加入和螺旋结构使得纤维的力学性能得到显著增长。
(2)其他条件同实施例1，验证不同生物质基对纤维性能的影响，结果如表2所示。
表2不同生物质基对纤维性能的影响
从表2可以看出，随着脱木素的程度增加，木质纤维素经过处理之后能负载更多的电气石从而增加负氧离子释放量，而且使得纤维的力学性能得到了增长。
以上结合实施例详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (4)
1.一种负氧离子生物质基纤维的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将木质纤维素与电气石和海藻酸钠混合，并进行湿磨得到悬浊液，所述木质纤维素由生物质纤维脱除木质素而得，采用漂白剂脱除生物质纤维的木质素，所述漂白剂为KOH、NaOH、Na2SO3、NaClO、氨水或者碱性过氧化氢，浓度为0.01~10M，所述木质纤维素、所述电气石和所述海藻酸钠的重量比为100：（1~20）：（100~200），所述湿磨的时间为1~24h；
S2、将步骤S1得到的悬浊液挤入氯化钙凝浴液中凝固，所述悬浊液的挤出速率为0.1~5mL/min，获得海藻酸钙内部木质纤维素定向排列的单根负氧离子生物质基纤维。
2.根据权利要求1所述的负氧离子生物质基纤维的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述凝浴液浓度为0.05~1 mol/L，凝浴时间为1~30 min。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的负氧离子生物质基纤维的制备方法，其特征在于，还包括步骤S3：将多根步骤S2得到的单根纤维捻转并干燥得到螺旋复合纤维，每英寸捻数为1~18。
4.一种负氧离子生物质基纤维，其特征在于，由权利要求1至3中任一项所述的制备方法制得。
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