一種石墨烯功能化纖維素纖維及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種石墨烯功能化纖維素纖維及其制備方法，具體地說，采用柔性在線添加裝置實(shí)現(xiàn)石墨烯在纖維素溶液中的均勻分散，并應(yīng)用于制備石墨烯功能化纖維素纖維，屬于紡織技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料，其具有優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和力學(xué)性能，因而成為制備功能聚合物復(fù)合材料的理想功能填料。
[0003]粘膠纖維與棉纖維性能類似，穿著舒適，具有良好的吸濕性、可染性，其具有其他化學(xué)纖維無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。隨著消費(fèi)者對衣物等材料的功能性要求的越來越高，目前功能性粘膠纖維成為目前研究熱點(diǎn)之一。
[0004]專利號為ZL201210549357.6的中國專利公開了一種石墨烯共混再生纖維素纖維及其制備方法。該專利利用氧化石墨烯溶液與再生纖維素溶液混合、通過粘膠濕法紡絲工藝成型后，再經(jīng)還原制備而成。本方法在纖維制備過程中利用還原劑將氧化石墨烯在纖維成型后進(jìn)行還原得到石墨烯，氧化石墨烯的還原效率較低，且還原劑在后處理過程中很難去除，對纖維性能造成一定影響。
[0005]專利號為201410670057.2的中國專利公開了一種包含石墨烯的粘膠纖維及其制備方法。本方法是向粘膠液或者粘膠液半成品中引入層數(shù)不高于10層的石墨烯，并且為非氧化石墨烯。由于石墨烯表面呈惰性狀態(tài)，與其它介質(zhì)的相互作用極弱，極易發(fā)生團(tuán)聚，很難在聚合物或其溶液中均勻分散，且在過濾前加入，團(tuán)聚引起石墨烯含量降低，從而影響制備的粘膠纖維的性能，且該專利規(guī)定的石墨烯的片層數(shù)較多，使得制備的粘膠纖維的功能性大大降低。
[0006]專利號為201510267761.8的中國專利提供了一種多功能粘膠纖維，包括:粘膠纖維、石墨烯和納米銀。本專利是將石墨烯簡單分散于水溶液，如前所述，石墨烯極易發(fā)生團(tuán)聚。同時，該技術(shù)中也用到了還原劑，遇到了與上述專利中同樣的問題。
[0007]通過上述分析，可以得出，如何制備分散性最佳的石墨烯/纖維素紡絲原液，是制備石墨烯功能化纖維素纖維的關(guān)鍵，只有石墨烯分散的更加均勻才能使石墨烯功能化纖維素纖維的功能性達(dá)到最優(yōu)。
[0008]現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題:
(1)現(xiàn)有技術(shù)工藝中石墨烯分散不勻、易于團(tuán)聚；
(2)后續(xù)工藝中利用還原劑對氧化石墨烯進(jìn)行還原的步驟；
(3)制備的石墨烯功能化纖維素纖維中石墨烯的含量低；
(4)制備的石墨烯功能化纖維素纖維升溫速率小，遠(yuǎn)紅外和防紫外性能差，熱穩(wěn)定性能差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]鑒于現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種石墨烯功能化纖維素纖維及其制備方法，以實(shí)現(xiàn)以下發(fā)明目的:
(1)采用本發(fā)明方法制備的石墨烯/纖維素紡絲液，石墨烯分散均勻、不易團(tuán)聚；
(2)本發(fā)明方法省略了后續(xù)工藝中還原劑對氧化石墨烯進(jìn)行還原的步驟，提高了纖維的性能；
(3)采用本發(fā)明方法制備的石墨烯功能化纖維素纖維中石墨烯的含量為2.0?6.0%;
(4)采用本發(fā)明方法制備的石墨烯功能化纖維素纖維，石墨烯均勻分布，具有較快的升溫速率，較好的遠(yuǎn)紅外和防紫外性能和更好的熱穩(wěn)定性能。
[0010]為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
1、石墨烯/纖維素紡絲液的制備
(I)石墨烯分散液的制備
通過輔助分散方法和添加分散穩(wěn)定劑的方式將石墨烯分散在去離子水中，制備石墨烯分散液；
將上述石墨烯分散液通過砂磨機(jī)或者球磨機(jī)等進(jìn)一步研磨、分散，減少石墨烯的粒徑，提高石墨烯的分散效果；
優(yōu)選地，所述的輔助分散方法包括加熱攪拌分散、加熱超聲分散和加熱高速剪切輔助分散中的一種或幾種的結(jié)合；
優(yōu)選地，所述的分散穩(wěn)定劑包括硅烷偶聯(lián)劑、羥乙基纖維素、羧甲基纖維素、六偏磷酸鈉以及聚乙烯醇等；
優(yōu)選地，所述的石墨烯溶液中石墨烯:分散穩(wěn)定劑:去離子水的質(zhì)量之比為2?10:0.5?2:100。
[0011 ] (2)石墨烯/纖維素初級紡絲液的制備
將配置好的石墨烯分散液加入制備好的纖維素紡絲溶液中，通過高速剪切攪拌的方式，得到初步的石墨烯/纖維素混合溶液，然后通過利用連續(xù)脫泡或者靜置的紡絲進(jìn)行脫泡后備用;
優(yōu)選地，石墨烯分散液與纖維素紡絲溶液的質(zhì)量比為1:1?2;
優(yōu)選地，所述高速剪切攪拌的時間為0.5?1.5h;
(3)石墨烯/纖維素紡絲最終紡絲液的制備
將制備的石墨烯/纖維素初級紡絲液過濾后，通過利用紡前柔性在線添加裝置加入到纖維素紡絲溶液的管路中。
[0012]通過柔性在線混合分散裝置進(jìn)行混合分散。首先，利用紡前動態(tài)混合裝置，實(shí)現(xiàn)兩股分散液的初步混合，然后再通過深入到輸送管路內(nèi)部的探頭超聲裝置，利用超聲分散的方法進(jìn)行超聲分散，防止石墨烯在輸送過程中的再團(tuán)聚，制備更加均勻的石墨烯/纖維素紡絲液。將混合后的紡絲液輸送到冷卻裝置，使紡絲液維持在合適溫度。最后將石墨烯/纖維素紡絲液通過靜態(tài)混合裝置，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)石墨烯與纖維素紡絲原液的混合，制備出石墨烯分散均勻的纖維素紡絲溶液。
[0013]優(yōu)選地，所述的柔性在線添加裝置由紡前過濾裝置、紡前注射裝置、紡前計量裝置組成；
優(yōu)選地，所述的柔性在線混合分散裝置由動態(tài)混合裝置、探頭超聲裝置、冷卻裝置、靜態(tài)混合裝置組成；
優(yōu)選地，所用的動態(tài)混合裝置是行星齒輪動態(tài)混合器、動靜齒圈式動態(tài)混合器、月牙槽型動態(tài)混合器或者球窩型動態(tài)混合器中的一種；
優(yōu)選地，所述探頭超聲裝置的超聲功率為500W?2000W，工作頻率為1KHZ?10KHz;優(yōu)選地，所述的靜態(tài)混合裝置是SK型靜態(tài)混合裝置、SX型靜態(tài)混合裝置或者SH型靜態(tài)混合裝置中的一種；
優(yōu)選地，所述的紡絲液的溫度為18?20°C;
優(yōu)選地，所述的紡絲液通過柔性在線混合分散裝置的時間為10?40min ；
優(yōu)選地，所述的石墨烯/纖維素紡絲液中石墨烯占紡絲液中甲纖的質(zhì)量含量為2.0?6.0%，最優(yōu)的紡絲液中石墨烯占紡絲液中甲纖的質(zhì)量含量為3.0?5.0%。
[0014]2、石墨烯功能化纖維素纖維的制備
將上述制備的石墨烯/纖維素紡絲液通過調(diào)整好的凝固浴進(jìn)行紡絲，初生絲束經(jīng)過多級牽伸，使得纖維中的石墨烯的取向程度加大。所得纖維經(jīng)過切斷、緩和脫硫工藝、上油浴、水洗等精練浴以及烘干后，得到石墨烯功能化纖維素纖維。
[0015]作為優(yōu)選，所述凝固浴包括硫酸95?12(^/1、硫酸鈉295?32(^/1，硫酸鋅5.0?13.5g/L。
[0016]優(yōu)選地，所述脫硫浴:Na2SO3或者氫氧化鈉2.5?6.5g/L，油浴:2.0?6.0g/L，漂白浴:I.5?7.5 g/L，烘干溫度:100?125°C，烘干時間為40?60min。
[0017]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益的效果:
(I)利用該專利中提供的石墨烯/纖維素紡絲液的制備方法，克服了現(xiàn)有制備技術(shù)工藝中石墨烯分散不勻、易于團(tuán)聚等問題，實(shí)現(xiàn)了石墨烯的均勻分散，從而為后續(xù)石墨烯功能化纖維素纖維的優(yōu)良性能奠定了基礎(chǔ)；
避免了后續(xù)利用還原劑對氧化石墨烯進(jìn)行還原的步驟，減少了還原劑的使用，提高了纖維的性能。
[0018](2)該專利中所提供的后續(xù)纖維制備方法中直接利用石墨烯原料，避免了利用還原劑對氧化石墨烯進(jìn)行還原的步驟，減少了還原劑的使用，提高了纖維的性能。
[0019](3)所制備的石墨烯功能化纖維素纖維具有良好的功能性，具有較快的升溫速率，較好的遠(yuǎn)紅外和防紫外性能，且更好的熱穩(wěn)定性。與常規(guī)纖維素纖維織物相比，當(dāng)人體穿戴時達(dá)到人體溫度所需要的時間更短。
[0020]遠(yuǎn)紅外和防紫外性能較好，法向發(fā)射率在0.81以上，紫外線防護(hù)系數(shù)(UPF)等級達(dá)至IJ20+以上，且紫外線透過率小于8.20%(常規(guī)粘膠纖維紫外線防護(hù)系數(shù):1.74，且紫外線透過率 68.31%)。
[0021]熱學(xué)穩(wěn)定性更好，制備的石墨烯功能化纖維素纖維與常規(guī)粘膠纖維相比，熱分解溫度提高8-26 °C。
[0022]下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
【具體實(shí)施方式】
[0023]以下對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行說明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的優(yōu)選實(shí)施例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0024]實(shí)施例1:1)石墨烯/纖維素紡絲液的制備 (I)石墨烯分散液的制備
通過加熱攪拌分散方法和添加羥乙基纖維素的方式將石墨烯分散在去離子水中，制備石墨烯分散液，其中該石墨烯分散液中石墨烯:羥乙基纖維素:去離子水的質(zhì)量之比為2.0:
0.5:1OO0
[0025]將上述石墨烯分散液通過砂磨機(jī)進(jìn)一步研磨、分散，減少石墨烯的粒徑，提高石墨烯的分散效果。
[0026](2)石墨烯/纖維素初級紡絲液的制備
將配置好的石墨烯分散液按質(zhì)量比是1:1的比例加入到制備好的纖維素紡絲溶液中，通過高速剪切攪拌的方式攪拌0.5h，得到初步的石墨烯/纖維素混合溶液，然后通過利用連續(xù)脫泡或者靜置的紡絲進(jìn)行脫泡后備用；
(3)石墨烯/纖維素紡絲最終紡絲液的制備
將