具有皮芯结构的导电多功能纤维及其制备方法与流程

本发明属于功能纤维制备
技术领域：
，具体涉及一种具有皮芯结构的导电多功能纤维及其制备方法。
背景技术：
：智能纺织品作为未来发展的一大趋势，已受到科研界与工业界越来越多的关注，其产品具有广阔的市场前景。智能纺织品的许多功能都是基于电传导的基础上实现的，研制出一种导电性能优异且具有多功能的纤维，是本行业亟待解决的问题。目前许多纤维都是通过表面改性来达到导电的目的，随着智能纺织品的发展和功能的不断增加，导电纤维用量将越来越大，所传输的电流和电压也在不断增加，如果电流长期从纤维表面经过会与人体接触，易造成安全隐患和对人体健康造成影响，且由于表面改性材料、制造工艺等影响因素，易造成纤维及其织物透气性差、质量增加、染色困难及功能持久性问题。石墨烯作为一种新型纳米材料，具有优异的导电性能，能赋予纤维良好的抗静电、防紫外、抗菌抑菌、电磁屏蔽和远红外等功能，改性效果较好，与聚苯胺、纳米银相结合可进一步提高纤维的导电能力和赝电容能力，可用于制备导电功能纤维。专利cn103668502a公开了一种超细皮芯丝导线的制备方法，皮层为聚对苯二甲酸乙二酯，芯层由炭黑微粒和聚苯胺的混合物组成，利用熔融纺丝法制得皮芯结构。此方法所制得的超细皮芯丝导线导电能力不足，芯层脆硬，易形成断路，缺乏多功能性。技术实现要素：本发明要解决的技术问题是提供一种具有皮芯结构的导电多功能纤维的制备方法，本发明制备所得的纤维在具备优良导电能力的同时，还具有抗菌抑菌、电磁屏蔽、防紫外和远红外等功能。为了解决上述技术问题，本发明提供一种具有皮芯结构的导电多功能纤维的制备方法，具有皮芯结构的导电多功能纤维包括皮层和芯层，制备方法包括如下步骤：1)、制备皮层纺丝原液：将粘胶纤维加入至溶剂ⅰ中进行混合溶解，制得皮层纺丝原液；所述皮层纺丝原液中，粘胶纤维的浓度为1～20wt％(较佳为4.5～6％)；2)、制备芯层纺丝原液：将聚苯胺与2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(ampsa)混合(研磨成粉后混合)后加入至溶剂ⅱ进行混合溶解，再加入抗凝剂均匀搅拌，然后加入石墨烯粉末与纳米银颗粒，形成混合液；混合液超声分散后经脱泡，得到芯层纺丝原液；聚苯胺与2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(ampsa)的摩尔比为1:0.5～1.5；聚苯胺与抗凝剂的摩尔比为1:0.5～3(较佳为1:1～3)；混合液中，聚苯胺的质量浓度为10％～20％(较佳为12～14％)，石墨烯粉末的质量浓度为1％～10％(较佳为3～6％)，纳米银颗粒的质量浓度为1％～10％(较佳为3～6％)；说明：石墨烯粉末：纳米银颗粒的质量比为1:0.5～2，优选1:0.67～1.5；3)、皮芯结构的制备：将皮层纺丝原液和芯层纺丝原液通过同轴湿法纺丝工艺制备皮芯结构，得初生纤维；4)、皮层凝固浴：由硫酸、硫酸锌、硫酸钠、水混合形成皮层凝固浴的浴液；所述皮层凝固浴的浴液中，硫酸、硫酸锌和硫酸钠的质量浓度分别为100～140g/l、280～320g/l和8～16g/l；将步骤3)所得的初生纤维放入皮层凝固浴的浴液中浸渍30～80分钟；皮层凝固浴温度为40～50℃；5)、芯层凝固浴：将步骤4)所得的纤维放入芯层凝固浴的浴液中浸渍45～80分钟；芯层凝固浴的温度为1～6℃；所述芯层凝固浴的浴液为以下任一：丙酮水溶液、n-甲基吡咯烷酮(nmp)水溶液、乙醇、乙酸丁酯；丙酮水溶液中，丙酮浓度为0.5～2mol/l；n-甲基吡咯烷酮(nmp)水溶液中，n-甲基吡咯烷酮(nmp)质量浓度为5～20％；说明：乙醇、乙酸丁酯为原液；6)、牵伸：将步骤5)所得的纤维先后进行塑化牵伸和空气牵伸，得到具有皮芯结构的导电多功能纤维。作为本发明的具有皮芯结构的导电多功能纤维的制备方法的改进，步骤1)：溶剂ⅰ为氢氧化钠和尿素的混合水溶液或n-甲基吗啉-n-氧化物(nmmo)水溶液；当溶剂ⅰ为氢氧化钠和尿素的混合水溶液时，氢氧化钠的质量浓度为5～9％，尿素的质量浓度为10～14％；混合溶解温度为-20～-12℃；当溶剂ⅰ为n-甲基吗啉-n-氧化物(nmmo)水溶液时，nmmo的的质量浓度为85～89％，混合溶解温度为90～120℃。作为本发明的具有皮芯结构的导电多功能纤维的制备方法的进一步改进，所述步骤2)：溶剂ⅱ为二氯乙酸、n-甲基吡咯烷酮(nmp)、或者为三氯乙酸水溶液，所述三氯乙酸水溶液为三氯乙酸：水＝1:0.5～1的体积比混合而得的溶液；说明：二氯乙酸及n-甲基吡咯烷酮(nmp)为原液。作为本发明的具有皮芯结构的导电多功能纤维的制备方法的进一步改进，所述步骤2)：抗凝剂为四氢吡咯；石墨烯粉末片径为0.5～5μm，纳米银颗粒的粒径为50～150nm。作为本发明的具有皮芯结构的导电多功能纤维的制备方法的进一步改进，步骤6)：塑化牵伸率为5～20％，空气牵伸率为4～8％。作为本发明的具有皮芯结构的导电多功能纤维的制备方法的进一步改进，步骤3)，同轴湿法纺丝的速度为30～60m/min。本发明还同时提供了利用上述方法制备而得的具有皮芯结构的导电多功能纤维。本发明的芯层主要由聚苯胺、石墨烯和纳米银组成，皮层为普通粘胶纤维。本发明制备的具有皮芯结构的导电多功能纤维是一种更安全的导电纤维，电流是从纤维芯层经过，并由皮层进行隔绝，不与人体皮肤接触；另一方面，利用聚苯胺、石墨烯和纳米银的协同作用，进一步提高了纤维的导电能力，并相应解决了纤维表面改性所带来的织物透气性差、质量增加、染色困难及功能持久性问题，且石墨烯的加入还带来了抗菌、防紫外、远红外、电磁屏蔽等多功能特性。本发明改性效果较好，具有良好的应用价值。与目前现有的改性导电纤维进行对比，本发明具有如下技术优势：(1)纯石墨烯纤维导电性能优良，但成本较高，生产技术还不成熟，无法作为芯层单独使用；本发明通过在芯层加入聚苯胺和纳米银，利用协同作用提高导电能力的同时，还能降低石墨烯的用量，从而达到经济、高效的目的；(2)由于电流是从纤维芯层经过，并由皮层进行隔绝，不与人体皮肤接触，因此本发明获得了一种更安全的导电纤维；(3)解决了纤维表面改性所带来的织物透气性差、质量增加、染色困难及功能持久性问题；(4)石墨烯的加入带来了一些新的功能特性，如抗菌、防紫外、远红外、电磁屏蔽等，改性效果较好，在提升常规纤维附加值的同时，拓展其使用性能与应用领域，具有良好的应用价值。附图说明下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。图1为本发明具有皮芯结构导电多功能纤维的结构示意图。具体实施方式下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：以下石墨烯粉末片径为0.5～5μm、厚度为0.8～1.2nm，纳米银颗粒的粒径为50～150nm。实施例1、一种具有皮芯结构的导电多功能纤维的制备方法，依次进行如下步骤：(1)制备皮层纺丝原液：配置500g的氢氧化钠和尿素的水溶液，该水溶液中，氢氧化钠和尿素的质量分数分别为7％和12％，放入冰箱，温度控制在-12℃；取普通粘胶纤维30g加入至上述氢氧化钠和尿素的水溶液中于-12℃进行搅拌溶解，得到皮层纺丝原液。(2)制备芯层纺丝原液：取聚苯胺0.048mol(约35g)和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(ampsa)0.024mol(约4.98g)研磨混合，溶解于200g二氯乙酸中，加入抗凝剂四氢吡咯0.048mol(约3.41g)，经高速搅拌均匀后，加入石墨烯粉末15g与纳米银颗粒10g，经常规的超声分散(于超声波清洗器中进行超声震荡，分散时间为30min)后，脱泡，得到芯层纺丝原液；(3)皮芯结构的制备(此为常规技术)：取适量皮层纺丝原液和芯层纺丝原液装进推进泵，选用内径为0.3mm，外径为0.4mm的皮芯针头进行同轴湿法纺丝，纺丝速度为30m/min；得初生纤维；(4)皮层凝固浴：将上述步骤(3)得到的初生纤维浸入皮层凝固浴，皮层凝固浴中硫酸、硫酸锌和硫酸钠的质量浓度分别为120g/l、300g/l和12g/l(余量为水)，凝固浴温度45℃，凝固时间45min。(5)芯层凝固浴：将步骤(4)得到的纤维浸于芯层凝固浴中，芯层凝固浴为质量分数为10％的n-甲基吡咯烷酮(nmp)水溶液，凝固浴温度4℃，凝固时间60min。(6)牵伸：将步骤(5)所得到纤维先于塑化浴中进行塑化牵伸，牵伸率为10％，塑化浴采用的是硫酸、硫酸锌和硫酸钠组成的混合水溶液，该混合水溶液中，硫酸、硫酸锌和硫酸钠的质量浓度分别为10g/l、15g/l和30g/l，塑化浴温度为95℃；之后再进行空气牵伸，牵伸率为4％，空气浴温度为8℃；最后60℃烘干至恒重，即可得到具有皮芯结构的导电多功能纤维。实施例2、一种具有皮芯结构导电多功能纤维的制备方法，依次进行如下步骤：(1)制备皮层纺丝原液：将质量分数为50％的nmmo水溶液在减压条件下浓缩至质量分数为87％的nmmo水溶液，将25g普通粘胶纤维溶解于500g质量分数为87％的nmmo水溶液中，溶解温度为90℃，得到皮层纺丝原液；(2)制备芯层纺丝原液：取聚苯胺0.048mol(约35g)和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(ampsa)0.048mol(约9.95g)研磨混合，溶解于200g二氯乙酸中，加入抗凝剂四氢吡咯0.096mol(约6.83g)，经高速搅拌均匀后，加入石墨烯粉末10g与纳米银颗粒15g，经超声分散后，脱泡，得到芯层纺丝原液；(3)皮芯结构的制备：取适量皮层和芯层纺丝原液装进推进泵，选用内径为0.3mm，外径为0.4mm的皮芯针头进行同轴湿法纺丝，纺丝速度为60m/min，得初生纤维；(4)皮层凝固浴：将上述步骤(3)得到的初生纤维浸入皮层凝固浴，皮层凝固浴中硫酸、硫酸锌和硫酸钠的质量浓度分别为100g/l、280g/l和14g/l，凝固浴温度40℃，凝固时间30min。(5)芯层凝固浴：将步骤(4)得到的纤维浸于芯层凝固浴中，芯层凝固浴为纯乙酸丁酯，凝固浴温度4℃，凝固时间45min。(6)牵伸：将步骤(5)得到的纤维先进行塑化牵伸，牵伸率为15％，之后再进行空气牵伸，牵伸率为6％，其余等同于实施例1的步骤(6)；最后60℃烘干至恒重，即可得到具有皮芯结构的导电多功能纤维。实施例3、一种具有皮芯结构导电多功能纤维的制备方法，依次进行如下步骤：(1)制备皮层纺丝原液：将质量分数为50％的nmmo水溶液在减压条件下浓缩至质量分数为89％的nmmo水溶液，将30g普通粘胶纤维溶解于500g质量分数为89％的nmmo水溶液中，溶解温度为110℃，即可得到皮层纺丝原液；(2)制备芯层纺丝原液：取聚苯胺0.048mol(约35g)和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(ampsa)0.072mol(约14.93g)研磨混合，溶解于200gn-甲基吡咯烷酮(nmp)中，加入抗凝剂四氢吡咯0.144mol(约10.24g)，经高速搅拌均匀后，加入石墨烯粉末15g与纳米银颗粒15g，经超声分散后，脱泡，得到芯层纺丝原液；(3)皮芯结构的制备：取适量皮层和芯层纺丝原液装进推进泵，选用内径为0.3mm，外径为0.4mm的皮芯针头进行同轴湿法纺丝，纺丝速度为60m/min，得初生纤维；(4)皮层凝固浴：将上述步骤(3)得到的初生纤维浸入皮层凝固浴，皮层凝固浴中硫酸、硫酸锌和硫酸钠的质量浓度分别为120g/l、300g/l和10g/l，凝固浴温度45℃，凝固时间30min。(5)芯层凝固浴：将上述步骤(4)得到的纤维浸于芯层凝固浴中，芯层凝固浴为纯乙酸丁酯，凝固浴温度4℃，凝固时间60min。(6)牵伸：将步骤(5)所得到纤维先进行塑化牵伸，牵伸率为10％，之后再进行空气牵伸，牵伸率为6％，其余等同于实施例1的步骤(6)；最后60℃烘干至恒重，即可得到具有皮芯结构的导电多功能纤维。实验：将上述实施例1～实施例3按照gb/t11007-2008进行导电率检测；按照fz/t73023-2006、gb/t30127-2013、gb/t18830-2009和gb/t22583-2009进行抗菌、远红外、防紫外、防辐射的检测，所得结果如下表1～表5所述。表1、导电率实施例1实施例2实施例3电导率(s/m)46847.2742638.1450683.25表2、抑菌率实施例1实施例2实施例3金黄色葡萄球菌99％99％99％大肠杆菌98％99％99％白色念珠菌99％98％99％表3、远红外性能实施例1实施例2实施例3远红外发射率0.970.950.98远红外辐射温升(℃)4.53.75.1表4、防紫外性能实施例1实施例2实施例3紫外防护系数upf656070t(uva)％23.51表5、防辐射性能实施例1实施例2实施例3电磁屏蔽效能值(db)26.823.128.9电磁辐射屏蔽率(％)99.297.899.8对比例1-1、将“石墨烯15g、纳米银颗粒15g”改成“石墨烯10g、纳米银颗粒20g”，其余等同于实施例3。对比例1-2、将“石墨烯15g、纳米银颗粒15g”改成“石墨烯20g、纳米银颗粒10g”，其余等同于实施例3。对比例1-1和对比例1-2相应的性能数据如下表6～表10所述。表6、导电率对比例1-1对比例1-2电导率(s/m)47521.8449346.37表7、抑菌率对比例1-1对比例1-2金黄色葡萄球菌99％99％大肠杆菌98％99％白色念珠菌99％98％表8、远红外性能对比例1-1对比例1-2远红外发射率0.960.98远红外辐射温升(℃)2.84.9表9、防紫外性能对比例1-1对比例1-2紫外防护系数upf6075t(uva)％31表10、防辐射性能对比例1-1对比例1-2电磁屏蔽效能值(db)21.927.6电磁辐射屏蔽率(％)9198对比例2-1、将“聚苯胺0.048mol”改成“聚苯胺0.024mol”，其余等同于实施例3。对比例2-2、将“聚苯胺0.048mol”改成“聚苯胺0.096mol”，其余等同于实施例3。对比例3-1、将“塑化牵伸，牵伸率为10％，空气牵伸，牵伸率为6％”改成“塑化牵伸，牵伸率为20％，空气牵伸，牵伸率为8％”，其余等同于实施例3。对比例3-2、将“塑化牵伸，牵伸率为10％，空气牵伸，牵伸率为6％”改成“塑化牵伸，牵伸率为8％，空气牵伸，牵伸率为4％”，其余等同于实施例3。上述4个对比例的导电率如下表11所述。表11、导电率对比例4、取消实施例3的“(5)芯层凝固浴”，即，将步骤(4)所得纤维直接进行后续步骤(6)的牵伸，所导致的缺陷是芯层凝固不完全，直接进行牵伸，易形成断层，导电性能下降，纤维强度及断裂伸长率降低。最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。当前第1页1 2 3 

起点商标作为专业知识产权交易平台，可以帮助大家解决很多问题，如果大家想要了解更多知产交易信息请点击 【在线咨询】或添加微信 【19522093243】与客服一对一沟通，为大家解决相关问题。

此文章来源于网络,如有侵权,请联系删除