一种大豆蛋白远红外石墨烯纤维及其制备方法与流程

本发明涉及生物质纤维制备，具体为一种大豆蛋白远红外石墨烯纤维及其制备方法。

背景技术：

1、大豆蛋白纤维是以大豆豆粕中提取的分离蛋白为主要原料，经湿法纺丝制备的生物质再生纤维，富含多种氨基酸与亲水基团，具有亲肤透气、保湿柔顺、天然抗菌、可生物降解等特性，穿着舒适度接近羊绒，在高端纺织面料、家居家纺、贴身服饰等领域具有广阔应用前景。但纯大豆蛋白纤维自身存在力学强度偏低、湿态性能差、耐洗涤性不足等缺陷，且功能较为单一，难以满足功能性纺织品的开发需求。

2、远红外功能性纤维可吸收环境与人体辐射的热量，并向人体反射8～14μm波段的远红外线，产生温热效应，促进人体微循环与新陈代谢，兼具保暖、保健双重功效，是当前功能性纺织品的研究热点。现有远红外纤维多通过添加锆系、钛系陶瓷微粉实现功能改性，但陶瓷粉体密度大、与纤维基体相容性差，高添加量下易导致纤维手感粗糙、可纺性下降，且远红外发射效率有限。

3、石墨烯作为二维碳纳米材料，具有极高的远红外发射系数与优异的力学增强效果，将其引入大豆蛋白纤维体系，理论上可同时实现远红外功能提升与力学性能改性。但现有相关技术中，原始石墨烯表面呈惰性、片层间范德华力强，在水相纺丝体系中易团聚堆叠，难以均匀分散；且石墨烯与大豆蛋白分子间仅靠弱氢键结合，界面结合力弱，纺丝与使用过程中易发生片层脱落，导致功能耐久性差，纤维性能波动大。目前尚未有通过原位界面改性构建共价键合界面，实现石墨烯均匀分散与性能协同提升的大豆蛋白远红外纤维的相关报道。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种大豆蛋白远红外石墨烯纤维及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种大豆蛋白远红外石墨烯纤维，包括以下按干基重量份计的原料：大豆分离蛋白40-70份、聚乙烯醇15-35份、羟基化改性石墨烯1-6份、硅烷偶联剂0.3-2.5份、戊二醛交联剂0.8-4份、甘油增塑剂3-12份、十二烷基苯磺酸钠分散剂0.2-1.5份。

3、各组分的作用如下：

4、大豆分离蛋白作为纤维的主要成纤基体，由大豆豆粕经低温脱脂、碱提酸沉工艺制备，蛋白质含量≥90%，分子链中含有大量酰胺基、氨基、羟基等活性基团，可形成丰富的氢键网络，赋予纤维良好的亲肤性、吸湿性与生物相容性。大豆蛋白分子链中的肽键可在交联剂作用下发生共价交联，形成稳定的三维网络结构，提升纤维的耐水性与力学稳定性；其分子链上的活性位点可与改性石墨烯表面的官能团结合，实现功能填料与基体的界面结合。同时，大豆蛋白本身含有的多种氨基酸组分，赋予纤维天然的抑菌性与护肤特性，提升纤维的穿着舒适度。

5、聚乙烯醇作为成纤辅助组分，为高聚合度的完全醇解型聚乙烯醇，分子链上含有大量侧羟基，与大豆蛋白具有优异的相容性，可与蛋白分子形成氢键互穿网络，显著提升纺丝液的流变性能与可纺性，改善纯大豆蛋白纺丝液易断丝、成纤性差的问题。聚乙烯醇自身具有良好的成膜性与力学强度，可在纤维内部起到骨架支撑作用，有效提升纤维的干态与湿态断裂强度，改善大豆蛋白纤维湿强低的缺陷。

6、羟基化改性石墨烯作为远红外功能组分，为单层或少层石墨烯经羟基化处理得到，片层表面接枝有大量羟基官能团，相比于原始石墨烯，表面亲水性显著提升，在水相体系中分散稳定性大幅提高，不易发生团聚。石墨烯的二维片层结构具有极高的红外发射率，可高效发射8~14μm波段的远红外线，同时可反射人体散发的热量，提升纤维的保暖与远红外保健效果。此外，石墨烯片层具有优异的力学性能，均匀分散后可作为纳米增强相，承载纤维受外力时的应力传递，提升纤维的拉伸强度与韧性；其大比表面积可吸附大豆蛋白分子，增大填料与基体的接触面积，强化界面结合作用。

7、硅烷偶联剂选用γ-氨丙基三乙氧基硅烷，作为界面相容剂，分子两端分别含有可水解的烷氧基与活性氨基。在改性过程中，烷氧基水解生成硅羟基，可与石墨烯表面的羟基发生脱水反应，共价接枝到石墨烯片层表面；另一端的氨基可与大豆蛋白分子链上的羧基、酰胺基发生反应，同时可与聚乙烯醇的羟基形成氢键，从而在无机石墨烯填料与有机蛋白基体之间构建稳定的“分子桥”，显著降低界面张力，改善两相相容性，避免石墨烯片层团聚与界面剥离问题，保障功能组分的均匀分散与稳定结合。

8、戊二醛交联剂作为共价交联剂，含有两个醛基官能团，可在弱酸性条件下与大豆蛋白分子链上的伯氨基发生席夫碱反应，在不同蛋白分子链之间形成共价交联键，构建三维网状交联结构。交联网络可限制蛋白分子链的运动，提升纤维的力学强度与结构稳定性，同时降低蛋白分子的水溶性，显著改善纤维的湿态性能与耐洗涤性，避免纤维遇水溶胀破损。通过控制交联剂的添加量与反应条件，可调控交联密度，兼顾纤维的强度与柔韧性。

9、甘油增塑剂作为小分子增塑剂，含有多个羟基，可插入大豆蛋白与聚乙烯醇分子链之间，破坏大分子间部分氢键，削弱分子间作用力，增加分子链的运动性，从而提升纤维的断裂伸长率与柔韧性，改善纯蛋白纤维偏脆、易弯折断裂的问题。同时甘油具有吸湿性，可保持纤维内部的适度水分，提升纤维的手感柔软度与抗静电性能，使纤维具有良好的纺织加工性能。

10、十二烷基苯磺酸钠分散剂作为阴离子型表面活性剂，可吸附在石墨烯片层表面，通过静电斥力与空间位阻效应，进一步降低石墨烯片层间的范德华吸引力，抑制片层堆叠团聚，辅助提升石墨烯在水相体系中的分散稳定性与分散均匀度，保障纺丝液的均一性与纤维性能的稳定性。

11、进一步的，包括以下按干基重量份计的原料：大豆分离蛋白55份、聚乙烯醇25份、羟基化改性石墨烯2份、硅烷偶联剂0.8份、戊二醛交联剂1.5份、甘油增塑剂6份、十二烷基苯磺酸钠分散剂0.5份。

12、进一步的，包括以下按干基重量份计的原料：大豆分离蛋白50份、聚乙烯醇30份、羟基化改性石墨烯3.5份、硅烷偶联剂1.2份、戊二醛交联剂2份、甘油增塑剂8份、十二烷基苯磺酸钠分散剂0.8份。

13、进一步的，包括以下按干基重量份计的原料：大豆分离蛋白60份、聚乙烯醇20份、羟基化改性石墨烯5份、硅烷偶联剂1.8份、戊二醛交联剂2.5份、甘油增塑剂4份、十二烷基苯磺酸钠分散剂1份。

14、一种大豆蛋白远红外石墨烯纤维的制备方法，包括如下步骤：

15、步骤一、原料预处理：将大豆分离蛋白配制为蛋白水溶液，调节ph后进行恒温溶胀处理；将羟基化改性石墨烯与分散剂混合，经超声处理制备石墨烯分散液；

16、步骤二、原位界面改性：将硅烷偶联剂稀释后滴加至石墨烯分散液中，调节ph后加热搅拌反应，得到界面改性石墨烯分散液；

17、步骤三、共混基体溶液制备：将聚乙烯醇溶解于去离子水中配制为聚乙烯醇水溶液，再与溶胀后的大豆蛋白溶液混合搅拌，得到共混基体溶液；

18、步骤四、复合纺丝液制备：将界面改性石墨烯分散液滴加至共混基体溶液中，搅拌混合后依次加入增塑剂和交联剂进行交联反应，反应结束后真空脱泡，得到复合纺丝液；

19、步骤五、湿法纺丝成型：将复合纺丝液经过滤、计量后，通过喷丝头挤出至凝固浴中固化成型，得到初生纤维；

20、步骤六、后处理：将初生纤维经两级拉伸、水洗、上油、干燥处理后，得到成品大豆蛋白远红外石墨烯复合纤维。

21、进一步的，其特征在于，所述步骤一中，大豆分离蛋白水溶液的质量分数为10%-15%，ph调节至8-9，溶胀温度为40-50℃，溶胀时间为2-4小时；石墨烯分散液的质量分数为5%-10%，超声处理功率为200-300w，超声时间为20-40分钟。

22、进一步的，其特征在于，所述步骤二中，硅烷偶联剂采用无水乙醇按体积比1:5稀释，反应体系ph调节至4-5，反应温度为50-60℃，搅拌反应时间为1-3小时。

23、进一步的，其特征在于，所述步骤三中，聚乙烯醇水溶液的质量分数为10%-20%，溶解温度为85-95℃；共混混合温度为45-55℃，搅拌时间为30-60分钟。

24、进一步的，所述步骤五中，喷丝孔直径为0.08-0.15mm，挤出速度为0.5-1.5m/min；凝固浴为硫酸钠-硫酸混合水溶液，其中硫酸钠质量分数20%-30%，硫酸质量分数1%-3%，凝固浴温度为30-45℃，丝条停留时间为20-60秒。

25、进一步的，所述步骤六中，两级拉伸的总拉伸倍率为2.0-3.0倍，其中第一级拉伸倍率1.2-1.8倍，拉伸浴温度50-60℃；第二级拉伸倍率1.5-2.0倍，拉伸浴温度60-70℃；干燥温度为60-80℃，干燥时间为10-20分钟，纤维上油率控制在0.5%-1.5%。

26、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

27、本发明采用羟基化改性石墨烯作为远红外功能相，通过硅烷偶联剂原位界面改性，在石墨烯与大豆蛋白、聚乙烯醇基体之间构建共价键合的界面结构，从根本上解决石墨烯与蛋白基体相容性差、易团聚脱落的问题，实现石墨烯在纤维内部的纳米级均匀分散与稳定结合。改性石墨烯与交联后的蛋白基体形成氢键-共价键复合网络，协同提升纤维的力学强度与耐水性能，改善纯大豆蛋白纤维湿强低、耐洗性差的缺陷。

28、石墨烯二维片层的高效远红外发射特性，与大豆蛋白分子的酰胺键振动吸收形成协同效应，强化远红外温热作用，赋予纤维优异的远红外保健功能；同时完整保留大豆蛋白纤维的亲肤保湿、天然抑菌等特性，纤维手感柔软顺滑，穿着舒适。