專利名稱：細(xì)菌纖維素纖維基納米碳纖維無(wú)紡布的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利涉及一種納米碳纖維無(wú)紡布的制備方法，特別是一種細(xì)菌纖維素纖維基納米碳纖維無(wú)紡布的制備方法。
背景技術(shù)：
在19世紀(jì)末，人們?cè)谘芯繜N類物質(zhì)熱裂解及一氧化碳歧化反應(yīng)時(shí)，就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在催化劑表面有極細(xì)小的纖維狀物質(zhì)出現(xiàn)，這種纖維狀物質(zhì)就是納米碳纖維(GNFs或CNFs)。納米碳纖維是由多層石墨片卷曲而成的納米纖維，不具有明顯的中空結(jié)構(gòu)，直徑一般在10-500 nm之間,介于納米碳管與氣相生長(zhǎng)碳纖維之間,從而決定了納米碳纖維的結(jié)構(gòu)和性能處于氣相生長(zhǎng)碳纖維和納米碳管的過(guò)渡狀態(tài)，不僅具有氣相生長(zhǎng)碳纖維所具有的特性，而且在結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用等方面又與納米碳管極為相似。納米碳纖維的制備方法有多種，但大部分尚處于實(shí)驗(yàn)室階段。因制備方法及工藝的不同，納米碳纖維會(huì)呈現(xiàn)出不同的形狀，通過(guò)在反應(yīng)過(guò)程采用不同的參數(shù)，不僅可以控制納米碳纖維的直徑，還可以獲得不同形貌的納米纖維，如晶須狀、螺旋狀、管狀、多孔狀等。納米碳纖維作為一種新型的碳材料，有著優(yōu)異的物理、力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，如低密度、高比模量、高比強(qiáng)度、高比表面積、與石墨相媲美的吸波、導(dǎo)電、導(dǎo)熱和熱穩(wěn)定性能。近年來(lái)，關(guān)于納米碳纖維的研究已經(jīng)引起人們廣泛的興趣。多種多樣的納米碳結(jié)晶、針狀、棒狀、桶狀等層出不窮。碳納米技術(shù)用途極其廣泛，在航空、航天、軍事、能源、汽車、食品、輕工、紡織、IT、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。隨著對(duì)碳納米纖維研究的不斷深入及碳納米纖維潛在高科技領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用，碳納米材料在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)了局限性，人們開(kāi)始把研究的目光從碳納米纖維纖維的制備進(jìn)一步轉(zhuǎn)向碳納米織物制備。如將納米纖維植入織物表面，可形成一層穩(wěn)定的氣體薄膜，制成雙疏性界面織物，達(dá)到既可防水，又可防油、防污；用納米纖維制成的高級(jí)防護(hù)服，其織物多孔且有膜，不僅能使空氣透過(guò)，具可呼吸性，還能擋風(fēng)和過(guò)濾微細(xì)粒子，對(duì)氣溶膠有阻擋性，可防生化武器及有毒物質(zhì)。美國(guó)德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校的納米技術(shù)研究所成功的紡出了碳納米管超強(qiáng)纖維，它比鋼絲或蜘蛛絲更結(jié)實(shí)，同時(shí)可以導(dǎo)電，科學(xué)家用這種納米線織出了碳納米管布料。碳納米材料的這一新發(fā)展使人們有可能在不遠(yuǎn)的將來(lái)利用碳納米管紡線織布，裁剪縫制出可以穿在身上的衣服。鮑曼的研究小組還開(kāi)發(fā)出了碳納米管纖維織成布制作步驟:首先，將數(shù)百萬(wàn)根微小的碳納米管與聚乙烯醇均勻混合在一起，制成凝膠狀；然后，經(jīng)過(guò)紡織和烘干工序，將這種凝膠紡成柔軟的碳納米管長(zhǎng)纖維；接著，再將制成的纖維放入盛有聚乙烯醇溶液的容器，制成直徑約為50 ii m的碳納米管/聚乙烯醇(SWCNT/PVA)復(fù)合纖維，其中約含60%的碳納米管；最后，他們嘗試將這種纖維織成布。德克薩斯大學(xué)利用拉伸、加捻碳納米管“森林”并復(fù)合吸附粉末的方法加工出碳納米管紗。Nanocomp科技公司用傳統(tǒng)羊毛加工工藝加工碳納米管“森林”，生產(chǎn)出碳納米紗線并應(yīng)用于防彈衣、人工肌肉、超級(jí)電容器、超高強(qiáng)燈、超高感應(yīng)器，以及微波、電波的吸收等各種產(chǎn)品。但碳納米管“森林”的加工技術(shù)的局限性制約了該方法的發(fā)展和推廣。碳納米材料的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用已經(jīng)成為科研熱門。但目前面臨的問(wèn)題是缺乏能帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益的規(guī)模生產(chǎn)。實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)碳納米纖維織物變得十分必要。
靜電紡絲是目前唯一能夠直接、連續(xù)制備聚合物納米纖維無(wú)紡布的方法，但其工序比較復(fù)雜，成本比較高。Lee等通過(guò)將可以聚甲基丙烯酸甲酯微球加入到PAN聚合物溶液中攪拌后靜電紡絲，得到直徑400-500 nm的納米前驅(qū)體纖維，加熱納米前驅(qū)體纖維制得碳納米纖維無(wú)紡布。細(xì)菌纖維素濕膜是一種食品產(chǎn)業(yè)的副產(chǎn)品，化學(xué)純度高，來(lái)源廣，價(jià)格低，具有精細(xì)的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其纖維直徑在10-100 nm之間，且化學(xué)純度很高，不需后續(xù)除雜，本發(fā)明以細(xì)菌纖維素超細(xì)纖維為原料，采用膜片開(kāi)纖，成網(wǎng)等工藝工藝，制成細(xì)菌纖維素超細(xì)纖維無(wú)布，經(jīng)熱解碳化及石墨化后制備出納米碳纖維無(wú)紡布布。本方法生產(chǎn)的細(xì)菌纖維素超細(xì)纖維無(wú)紡布采用紡織加工工藝，紡織加工相對(duì)而言成本較低，潛在巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種細(xì)菌纖維素纖維基納米碳纖維無(wú)紡布的制備方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
本發(fā)明的細(xì)菌纖維素纖維基納米碳纖維無(wú)紡布的制備方法，包括如下步驟:
(1)將漂白處理后的細(xì)菌纖維素濕膜置于一對(duì)握持羅拉之間或握持羅拉與喂給板之間，以10 mnTlOO m/分鐘的速度喂入；
(2)從羅拉之間輸出的纖維素膜經(jīng)刺輥表面針刺高速穿刺、割裂以及梳理作用，將細(xì)菌纖維素濕膜變成細(xì)菌纖維素纖維；
(3)將細(xì)菌纖維素超細(xì)纖維經(jīng)壓濾機(jī)壓濾處理，制備出159^50000%含水率的細(xì)菌纖維素超細(xì)纖維條；超細(xì)纖維直徑l(T500nm，超細(xì)纖維長(zhǎng)度200nnTl00mm ；
(4)將以上細(xì)菌纖維素超細(xì)纖維條經(jīng)開(kāi)松、梳理、成網(wǎng)加工處理，形成細(xì)菌纖維素超細(xì)纖維無(wú)紡布；
(5)將以上細(xì)菌纖維素超細(xì)纖維無(wú)紡布經(jīng)液氮處理；
(6)將以上細(xì)菌纖維素超細(xì)纖維無(wú)紡布放入真空冷凍干燥機(jī)中凍干；
(7)待細(xì)菌纖維無(wú)紡布中不含水分后，制備出維持濕態(tài)時(shí)的宏觀形貌，體積不變的多孔細(xì)菌纖維素纖維無(wú)紡布；
(8)將真空冷凍干燥后的細(xì)菌纖維素?zé)o紡布放置于馬費(fèi)爐中，設(shè)定一定的升溫曲線，在純氬的保護(hù)氣氛下分別在600°C 1500°C的條件下進(jìn)行碳化，從而制備出納米碳纖維無(wú)紡布；
(9)將碳化后的碳纖維無(wú)紡布放置在高溫石墨化爐中，在純氬的保護(hù)氣氛下分別在22000C 2800°C的溫度下進(jìn)行石墨化，形成石墨化納米碳纖維無(wú)紡布。所述的細(xì)菌纖維素膜為漂白處理后的細(xì)菌纖維素濕膜，細(xì)菌纖維素濕膜是利用木醋桿菌為主要菌種的各種方法得到的細(xì)菌纖維素原膜，該原膜經(jīng)NaOH溶液處理后得到細(xì)菌纖維素濕膜。所述的握持羅拉直徑為20 3000臟。所述的刺輥包括中心軸，中心軸上套有滾筒，滾筒的外壁上設(shè)有針狀梳理針刺，滾筒直徑為30(T600mm，針刺長(zhǎng)度0.f 5cm，針刺桿部直徑為0.0Of 3mm，針刺尖部直徑為f lOOum，針刺尖部長(zhǎng)度為flOmm，針刺密度2 1000根/cm2。將以上細(xì)菌纖維素超細(xì)纖維經(jīng)液氮浸沒(méi)處理。目前，納米碳纖維的制備方法有多種，但大部分尚處于實(shí)驗(yàn)室階段?；诩{米碳纖維巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)納米碳纖維變得十分必要。靜電紡絲是目前唯一能夠直接、連續(xù)制備聚合物納米纖維的方法，但其工序比較復(fù)雜，成本比較高。如果直接碳化具有納米纖維結(jié)構(gòu)的高分子聚合物，則可簡(jiǎn)化制備步驟和降低成本。細(xì)菌纖維素是一種天然的高分子材料，具有精細(xì)的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其纖維直徑在10-100 nm之間，且化學(xué)純度很高，不需后續(xù)除雜，此外細(xì)菌纖維素是一種食品產(chǎn)業(yè)的副產(chǎn)品，來(lái)源廣，價(jià)格低，本發(fā)明以細(xì)菌纖維素纖維基作為碳化的基體制備碳納米纖維目前，納米碳纖維的制備方法有多種，但大部分尚處于實(shí)驗(yàn)室階段。基于納米碳纖維巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)納米碳纖維變得十分必要。靜電紡絲是目前唯一能夠直接、連續(xù)制備聚合物納米纖維的方法，但其工序比較復(fù)雜，成本比較高。如果直接碳化具有納米纖維結(jié)構(gòu)的高分子聚合物，則可簡(jiǎn)化制備步驟和降低成本。細(xì)菌纖維素是一種天然的高分子材料，具有精細(xì)的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其纖維直徑在10-100 nm之間，且化學(xué)純度很高，不需后續(xù)除雜，此外細(xì)菌纖維素是一種食品產(chǎn)業(yè)的副產(chǎn)品，來(lái)源廣，價(jià)格低，本發(fā)明以細(xì)菌纖維素纖維基作為碳化的基體制備碳納米纖維紗線，原料來(lái)源廣、價(jià)格低，加工方法環(huán)保、安全、簡(jiǎn)單、高效，加工得到的細(xì)菌纖維素基納米碳纖維紗應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，潛在巨大的經(jīng)濟(jì)效益。細(xì)菌纖維素濕膜是一種食品產(chǎn)業(yè)的副產(chǎn)品，化學(xué)純度高，來(lái)源廣，價(jià)格低，具有精細(xì)的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其纖維直徑在10-100 nm之間，且化學(xué)純度很高，不需后續(xù)除雜，本發(fā)明以細(xì)菌纖維素超細(xì)纖維為原料，采用膜片開(kāi)纖，成網(wǎng)等工藝工藝，制成細(xì)菌纖維素超細(xì)纖維無(wú)布，經(jīng)熱解碳化及石墨化后制備出納米碳纖維無(wú)紡布布。本方法生產(chǎn)的細(xì)菌纖維素超細(xì)纖維無(wú)紡布采用紡織加工工藝，紡織加工相對(duì)而言成本較低，潛在巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。實(shí)施例1
將漂白處理后的細(xì)菌纖維素濕膜置于一對(duì)直徑為20mm的握持羅拉之間，按照一定速度(10 mm/分鐘)喂入；經(jīng)針狀、超硬、彈性不銹鋼絲構(gòu)成的拋光輪表面針狀梳理針刺高速穿刺、割裂以及梳理作用，將細(xì)菌纖維素濕膜變成細(xì)菌纖維素纖維；將細(xì)菌纖維素超細(xì)纖維經(jīng)壓濾機(jī)壓濾處理，制備出100%含水率的細(xì)菌纖維素超細(xì)纖維條。超細(xì)纖維直徑lOOnm，超細(xì)纖維長(zhǎng)度40mm。將以上細(xì)菌纖維素超細(xì)纖維條經(jīng)開(kāi)松、梳理、成網(wǎng)加工等處理，形成細(xì)菌纖維素超細(xì)纖維無(wú)紡布。以上細(xì)菌纖維素超細(xì)纖維無(wú)紡布經(jīng)液氮處理后，放入真空冷凍干燥機(jī)中凍干，待超細(xì)纖維紗中不含水分后，制備出維持濕態(tài)時(shí)的宏觀形貌，體積不變的多孔細(xì)菌纖維素超細(xì)干態(tài)纖維無(wú)紡布；以上超細(xì)纖維無(wú)紡布放置于馬費(fèi)爐中，在純氬的保護(hù)氣氛下，按照一定的升溫曲線，溫度達(dá)到700 °C保持I小時(shí)，制備出納米碳纖維無(wú)紡布。該納米碳纖維無(wú)紡布經(jīng)2200 °C石墨化處理,形成石墨化納米碳纖維無(wú)紡布。實(shí)施例2
將漂白處理后的細(xì)菌纖維素濕膜置于一對(duì)直徑為50mm的握持羅拉之間，按照一定速度(50 mm/分鐘)喂入；經(jīng)針狀、超硬、彈性不銹鋼絲構(gòu)成的拋光輪表面針狀梳理針刺高速穿刺、割裂以及梳理作用，將細(xì)菌纖維素濕膜變成細(xì)菌纖維素纖維；將細(xì)菌纖維素超細(xì)纖維經(jīng)壓濾機(jī)壓濾處理，制備出100%含水率的細(xì)菌纖維素超細(xì)纖維條。超細(xì)纖維直徑lOOnm，超細(xì)纖維長(zhǎng)度60mm。將以上細(xì)菌纖維素超細(xì)纖維條經(jīng)開(kāi)松、梳理、成網(wǎng)加工等處理，形成細(xì)菌纖維素超細(xì)纖維無(wú)紡布。以上細(xì)菌纖維素超細(xì)纖維無(wú)紡布經(jīng)液氮處理后，放入真空冷凍干燥機(jī)中凍干，待超細(xì)纖維無(wú)紡布中不含水分后，制備出維持濕態(tài)時(shí)的宏觀形貌，體積不變的多孔細(xì)菌纖維素超細(xì)干態(tài)纖維無(wú)紡布；以上超細(xì)纖維無(wú)紡布放置于馬費(fèi)爐中，在純氬的保護(hù)氣氛下，按照一定的升溫曲線，溫度達(dá)到700 °C保持I小時(shí)，制備出納米碳纖維無(wú)紡布。該納米碳纖維無(wú)紡布經(jīng)2500 °C石墨化處理,形成石墨化納米碳纖維無(wú)紡布。實(shí)施例3
將漂白處理后的細(xì)菌纖維素濕膜置于一對(duì)直徑為80mm的握持羅拉之間，按照一定速度(1000 mm/分鐘)喂入；經(jīng)針狀、超硬、彈性不銹鋼絲構(gòu)成的拋光輪表面針狀梳理針刺高速穿刺、割裂以及梳理作用，將細(xì)菌纖維素濕膜變成細(xì)菌纖維素纖維；將細(xì)菌纖維素超細(xì)纖維經(jīng)壓濾機(jī)壓濾處理，制備出90%含水率的細(xì)菌纖維素超細(xì)纖維條。超細(xì)纖維直徑小于IOOnm,超細(xì)纖維長(zhǎng)度小于100mm。將以上細(xì)菌纖維素超細(xì)纖維條經(jīng)開(kāi)松、梳理、成網(wǎng)加工等處理，形成細(xì)菌纖維素超細(xì)纖維無(wú)紡布。以上細(xì)菌纖維素超細(xì)纖維無(wú)紡布經(jīng)液氮處理后，放入真空冷凍干燥機(jī)中凍干，待超細(xì)纖維無(wú)紡布中不含水分后，制備出維持濕態(tài)時(shí)的宏觀形貌，體積不變的多孔細(xì)菌纖維素超細(xì)干態(tài)纖維無(wú)紡布；以上超細(xì)纖維無(wú)紡布放置于馬費(fèi)爐中，在純氬的保護(hù)氣氛下，按照一定的升溫曲線，溫度達(dá)到700 °C保持I小時(shí)，制備出納米碳纖維無(wú)紡布。該納米碳纖維無(wú)紡布經(jīng)2800 °C石墨化處理，形成石墨化納米碳纖維無(wú)紡布。
權(quán)利要求
1.一種細(xì)菌纖維素纖維基納米碳纖維無(wú)紡布的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)將漂白處理后的細(xì)菌纖維素濕膜置于一對(duì)握持羅拉之間或握持羅拉與喂給板之間，以10 mnTlOO m/分鐘的速度喂入； (2)從羅拉之間輸出的纖維素膜經(jīng)刺輥表面針刺高速穿刺、割裂以及梳理作用，將細(xì)菌纖維素濕膜變成細(xì)菌纖維素纖維； (3)將細(xì)菌纖維素超細(xì)纖維經(jīng)壓濾機(jī)壓濾處理，制備出159^50000%含水率的細(xì)菌纖維素超細(xì)纖維條；超細(xì)纖維直徑l(T500nm，超細(xì)纖維長(zhǎng)度200nnTl00mm ； (4)將以上細(xì)菌纖維素超細(xì)纖維條經(jīng)開(kāi)松、梳理、成網(wǎng)加工處理，形成細(xì)菌纖維素超細(xì)纖維無(wú)紡布； (5)將以上細(xì)菌纖維素超細(xì)纖維無(wú)紡布經(jīng)液氮處理； (6)將以上細(xì)菌纖維素超細(xì)纖維無(wú)紡布放入真空冷凍干燥機(jī)中凍干； (7)待細(xì)菌纖維無(wú)紡布中不含水分后，制備出維持濕態(tài)時(shí)的宏觀形貌，體積不變的多孔細(xì)菌纖維素纖維無(wú)紡布； (8)將真空冷凍干燥后的細(xì)菌纖維素?zé)o紡布放置于馬費(fèi)爐中，設(shè)定一定的升溫曲線，在純氬的保護(hù)氣氛下分別在600°C 1500°C的條件下進(jìn)行碳化，從而制備出納米碳纖維無(wú)紡布； (9)將碳化后的碳纖維無(wú)紡布放置在高溫石墨化爐中，在純氬的保護(hù)氣氛下分別在22000C 2800°C的溫度下進(jìn)行石墨化，形成石墨化納米碳纖維無(wú)紡布。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的細(xì)菌纖維素纖維基納米碳纖維無(wú)紡布的制備方法，其特征在于:所述的細(xì)菌纖維素膜為漂白處理后的細(xì)菌纖維素濕膜，細(xì)菌纖維素濕膜是利用木醋桿菌為主要菌種的各種方法得到的細(xì)菌纖維素原膜，該原膜經(jīng)NaOH溶液處理后得到細(xì)菌纖維素濕膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的細(xì)菌纖維素纖維基納米碳纖維無(wú)紡布的制備方法，其特征在于:所述的握持羅拉直徑為2(T3000mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的細(xì)菌纖維素纖維基納米碳纖維無(wú)紡布的制備方法，其特征在于:所述的刺輥包括中心軸，中心軸上套有滾筒，滾筒的外壁上設(shè)有針狀梳理針刺，滾筒直徑為30(T600mm，針刺長(zhǎng)度0.1 5cm，針刺桿部直徑為0.001 3mm，針刺尖部直徑為f lOOum，針刺尖部長(zhǎng)度為flOmm，針刺密度2 1000根/cm2。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的細(xì)菌纖維素纖維基納米碳纖維無(wú)紡布的制備方法，其特征在于:將以上細(xì)菌纖維素超細(xì)纖維經(jīng)液氮浸沒(méi)處理。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種細(xì)菌纖維素纖維基納米碳纖維無(wú)紡布的制備方法，本發(fā)明以細(xì)菌纖維素濕膜為基體原料，所制備的納米碳纖維紗是由經(jīng)針刺分梳細(xì)化處理的超細(xì)細(xì)菌纖維素纖維，采用紡紗、無(wú)紡布工藝，制備成納米碳纖維無(wú)紡布經(jīng)熱解碳化及石墨化后所得的產(chǎn)物。本發(fā)明的有益效果是原料來(lái)源廣、價(jià)格低，加工方法環(huán)保、安全、簡(jiǎn)單、高效，加工得到的細(xì)菌纖維素基納米碳纖維無(wú)紡布應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，潛在巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
文檔編號(hào)D01D5/42GK103184655SQ201110455889
公開(kāi)日2013年7月3日 申請(qǐng)日期2011年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月31日
發(fā)明者張迎晨, 吳紅艷, 張燕杰, 賈衛(wèi)芳, 沈小剛, 倫瑞欣 申請(qǐng)人:中原工學(xué)院