一種石墨烯超高分子量聚乙烯雜化纖維的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明屬于高性能纖維技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種石墨烯超高分子量聚乙烯雜化纖維，特別是一種將親油接枝改性的石墨烯分散液與超高分子量聚乙烯石蠟油性紡絲液共混制備的雜化纖維。
【背景技術(shù)】
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[0002]超高分子量聚乙烯纖維是指以分子量為100萬以上的超高分子量聚乙烯為原料，通過凍膠濕法紡絲方法凝固成絲的一種高性能纖維。該類纖維具有高度取向的大分子鏈和伸直鏈結(jié)晶度，具有超強(qiáng)的物理機(jī)械性能，同時(shí)具有耐紫外線、耐沖擊和耐海水腐蝕等優(yōu)良性能，在航空航天、軍事安全及特種繩纜等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，與碳纖維和芳綸并稱為世界三大高性能纖維。超高分子量聚乙烯纖維具有接近理論極限強(qiáng)度的分子結(jié)構(gòu)，具有平面鋸齒形的構(gòu)象結(jié)構(gòu)，較少的側(cè)鏈基團(tuán)，結(jié)晶度高且分子鏈內(nèi)無較強(qiáng)的結(jié)合鍵。但是該結(jié)構(gòu)也帶來了一些致命缺點(diǎn)，那就是在應(yīng)力作用下易發(fā)生蠕變、耐熱性較差，大大限制了該纖維的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，提高超高分子量聚乙烯纖維抗蠕變性和耐熱性的改性方法主要有兩種:一種是纖維表面交聯(lián)改性，另一種是添加無機(jī)填充物改性，形成物理交聯(lián)點(diǎn)，限制分子的熱運(yùn)動(dòng)，以改善耐熱性和抗蠕變性，但大部分無機(jī)物填充物也成為應(yīng)力集中點(diǎn)，降低纖維基體的強(qiáng)度。
[0003]石墨烯是由sP2雜化的碳原子蜂窩狀六角結(jié)構(gòu)緊密排列而成的二維單原子層片狀晶體材料，石墨烯及其衍生物因具有輕質(zhì)、柔性的二維單原子納米結(jié)構(gòu)及優(yōu)異的強(qiáng)度、導(dǎo)電、導(dǎo)熱等特性在復(fù)合材料、智能材料、電子器件、能量?jī)?chǔ)存和藥物載體等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛能。在現(xiàn)有技術(shù)中，申請(qǐng)?zhí)枮?01210078324.8的中國(guó)發(fā)明專利“超高分子量聚乙烯石墨烯復(fù)合纖維制備方法及其應(yīng)用”公開了一種超高分子量聚乙烯/石墨烯復(fù)合纖維的制備方法，將石墨烯粉體進(jìn)行表面凈化處理和偶聯(lián)劑處理后，分散在含有超高分子量聚乙烯紡絲液中，通過凍膠紡絲以制備復(fù)合纖維，所制備纖維的拉伸強(qiáng)度可達(dá)2.5GPa，拉伸模量為130GPa，熱分解溫度390°C以上。申請(qǐng)?zhí)枮?01310471406.3的中國(guó)發(fā)明專利“共混改性超高分子量聚乙烯纖維的制備方法”通過乳化處理將碳納米管、二氧化硅和石墨烯粉體加入紡絲液基體中進(jìn)行紡絲以制備灰色系超高分子量聚乙烯纖維，然而眾所周知，石墨烯納米材料是一種表面具有較少官能團(tuán)的二維單原子層結(jié)構(gòu)，具有疏水疏油的特性，由于納米片層間的范德華力，與高分子聚合物共混過程中極易產(chǎn)生團(tuán)聚，該發(fā)明在石墨烯粉體與超高分子量聚乙烯石蠟油性溶液共混時(shí)，并未預(yù)先對(duì)石墨烯進(jìn)行親油處理，僅通過簡(jiǎn)單的偶聯(lián)劑交聯(lián)和乳化處理，勢(shì)必會(huì)造成石墨烯的團(tuán)聚，無法以單片層狀態(tài)分散于紡絲液中，進(jìn)而影響其在復(fù)合纖維中所發(fā)揮的作用。因此，尋去設(shè)計(jì)一種石墨烯超高分子量聚乙烯雜化纖維，對(duì)石墨烯或氧化石墨烯進(jìn)行親油接枝改性，使其具有良好的親油性和穩(wěn)定的分散特性，然后將改性石墨烯或氧化石墨烯分散液與超高分子量聚乙烯石蠟油性紡絲液共混，制得抗蠕變、耐熱性好和纖維基體強(qiáng)度高的雜化纖維，這種雜化纖維至今未見有報(bào)道。
【發(fā)明內(nèi)容】
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[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)提出一種石墨烯超高分子量聚乙烯雜化纖維，以解決纖維在應(yīng)力作用下易蠕變和耐熱性差的問題;克服填充物成為應(yīng)力集中點(diǎn)，降低纖維集體強(qiáng)度的問題;改進(jìn)石墨烯團(tuán)聚的不足，增強(qiáng)石墨烯在復(fù)合纖維中所發(fā)揮的作用。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明涉及的石墨烯超高分子量聚乙烯雜化纖維的原料包括親油改性石墨烯或氧化石墨烯分散液與超高分子量聚乙烯石蠟油性紡絲液，兩者的重量比例為1:9;其中，親油改性石墨烯或氧化石墨烯分散液為石墨烯或氧化石墨烯乙醇分散液和親油改性劑(油胺或油酸)按重量比例(1:10—10:1)混合的共混溶液;所述石墨烯或氧化石墨烯乙醇分散液為石墨烯或氧化石墨烯原料與乙醇溶液的混合溶液，石墨烯或氧化石墨烯原料的重量百分比濃度為0.1-10%。
[0006]本發(fā)明涉及的石墨烯超高分子量聚乙烯雜化纖維的制備工藝步驟包括:石墨烯(或氧化石墨烯)親油改性、親油改性石墨烯分散液與超高分子量聚乙烯石蠟油性紡絲液共混和凍膠濕法紡絲制備石墨烯增強(qiáng)超高分子量聚乙烯雜化纖維三個(gè)工藝步驟:
[0007](1)石墨烯(或氧化石墨烯)親油改性:先將石墨烯或氧化石墨烯原料均勻分散于乙醇溶液中，以制備石墨烯或氧化石墨烯重量百分比濃度為0.1-10%的石墨烯或氧化石墨烯乙醇分散液;再將石墨烯或氧化石墨烯乙醇分散液按重量比例(1: 10—10:1)加入親油改性劑(油胺或油酸)中進(jìn)行共混制得共混溶液;然后，將共混溶液控溫50-150°C進(jìn)行親油接枝改性，制備親油改性石墨烯或氧化石墨烯分散液;其中，所述石墨烯或氧化石墨烯原料為粉體或分散漿料或分散溶液，分散漿料為石墨烯或氧化石墨烯與乙醇溶液的混合溶液，其中石墨烯或氧化石墨烯的重量百分比濃度為5-15%，分散溶液為石墨烯或氧化石墨烯與乙醇溶液的混合溶液，其中石墨烯或氧化石墨烯的重量百分比濃度為0.1-5% ;所述石墨烯或氧化石墨稀的橫向尺寸為0.5-50微米，厚度為1-50納米;所述石墨稀或氧化石墨稀乙醇分散液與親油改性劑(油胺或油酸)的質(zhì)量比為1:10—10:1;所述親油改性石墨烯或氧化石墨稀分散液的重量百分比濃度為0.1-10% ；
[0008](2)親油改性石墨烯或氧化石墨烯分散液與超高分子量聚乙烯石蠟油性紡絲液共混:先采用超高分子量聚乙烯溶脹工藝，將抗氧化劑和超高分子量聚乙烯按重量比例為1:(1000-1500)加入到盛有石蠟的溶解釜中，升溫至100-150°C，保溫1-2小時(shí)至超高分子量聚乙烯完全溶脹，制得超高分子量聚乙烯石蠟油性紡絲液;再將步驟(1)制得的親油改性石墨烯(或氧化石墨烯)分散液按重量百分比1%共混至超高分子量聚乙烯石蠟油性紡絲液，并不斷攪拌以獲取均勻穩(wěn)定的親油改性石墨烯(或氧化石墨烯)超高分子量聚乙烯石蠟油性紡絲液;其中，所述超高分子量聚乙稀分子量為100萬-400萬；所述超高分子量聚乙稀石錯(cuò)油性紡絲液中超高分子量聚乙烯的固含量為5-15%;所述抗氧化劑為丁基羥基茴香醚或甲基苯酚，抗氧化劑與超高分子量聚乙烯的重量比例為1:(1000-1500);所述親油石墨烯(或氧化石墨烯)占超高分子量聚乙烯重量百分比例為0.1-10%;
[0009](3)凍膠濕法紡絲制備石墨烯超高分子量聚乙烯雜化纖維:將步驟(2)制得的親油改性石墨烯(或氧化石墨烯)超高分子量聚乙烯石蠟油性紡絲液從常規(guī)的紡絲設(shè)備的噴絲孔噴出后驟冷凝固形成凍膠原絲，然后將凍膠原絲經(jīng)碳?xì)淝逑磩┹腿∪コV物油，萃取后的絲條經(jīng)干燥工藝去除萃取劑，再經(jīng)由三級(jí)超倍牽伸得到石墨烯超高分子量聚乙烯雜化纖維;其中，所述三級(jí)超倍牽伸倍數(shù)為20-40倍。
[0010]本發(fā)明制備的石墨烯超高分子量聚乙烯雜化纖維的拉伸強(qiáng)度為2.2-3.0GPa，拉伸模量為100-1806?&，在氮?dú)鈿夥罩械臒岱纸鉁囟葹?50-430°(3。
[0011]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，對(duì)石墨烯或氧化石墨烯進(jìn)行親油接枝改性，具有良好的親油性和穩(wěn)定的分散特性;將改性石墨烯或氧化石墨烯分散液與超高分子量聚乙烯石蠟油性紡絲液共混，制備的雜化纖維拉伸強(qiáng)度為2.2-3.06?&，拉伸模量為100-1806?&，纖維基體強(qiáng)度高;在氮?dú)鈿夥罩械臒岱纸鉁囟葹?50-430°C，具有抗蠕變、耐熱性好，改善應(yīng)力集中等力學(xué)性能;其制備工藝簡(jiǎn)單，便于操作，應(yīng)用廣泛。
【附圖說明】
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[0012]圖1是本發(fā)明的工藝流程原理示意圖。
【具體實(shí)施方式】
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[0013]下面通過具體實(shí)施例并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0014]實(shí)施例1:
[0015]本實(shí)施例涉及的石墨烯超高分子量聚乙烯雜化纖維的制備工藝步驟包括:石墨烯(或氧化石墨烯)親油改性、親油改性石墨烯分散液與超高分子量聚乙烯石蠟油性紡絲液共混和凍膠濕法紡絲制備石墨烯增強(qiáng)超高分子量聚乙烯雜化纖維三個(gè)工藝步驟:
[0016](1)石墨烯(或氧化石墨烯)親油改性:先將石墨烯或氧化石墨烯原料均勻分散于乙醇溶液中，以制備石墨烯或氧化石墨烯重量百分比濃度為0.1-10%的石墨烯或氧化石墨烯乙醇分散液;再將石墨烯或氧化石墨烯乙醇分散液按重量比例(1: 10—10:1)加入親油改性劑(油胺或油酸)中進(jìn)行共混制得共混溶液;然后，將共混溶液控溫50-150°C進(jìn)行親油接枝改性，制備親油改性石墨烯或氧化石墨烯分散液;其中，所述石墨烯或氧化石墨烯原料為粉體或分散漿料或分散溶液，分散漿料為石墨烯或氧化石墨烯與乙醇溶液的混合溶液，其中石墨烯或氧化石墨烯的重量百分比濃