一种胶原蛋白远红外石墨烯纤维及其加工工艺的制作方法

本发明涉及纤维加工，具体为一种胶原蛋白远红外石墨烯纤维及其加工工艺。

背景技术：

1、随着居民健康意识的提升与纺织材料技术的发展，功能性纺织品成为行业升级的核心方向之一。其中远红外纤维通过发射与人体波长相匹配的远红外线，可产生温热效应，改善人体局部微循环，促进新陈代谢，在贴身内衣、家纺床品、运动服饰、保健护具等领域拥有广阔的应用空间。传统远红外纤维多采用金属氧化物陶瓷粉体作为功能填料，如氧化锆、氧化铝、电气石粉等，这类材料需要较高的添加量才能达到预期的远红外发射效果，不仅会提升原料成本，还会导致纤维手感粗糙、力学性能下降，且远红外发射效率存在瓶颈，难以满足高端产品的需求。

2、石墨烯作为一种新型二维碳纳米材料，凭借独特的电子结构与晶格振动特性，在8-14μm的远红外波段具备极高的发射效率，仅需极低的添加量即可实现优异的远红外功能，且对纤维基体的力学性能与手感影响较小，成为新一代远红外纤维的核心功能材料。但石墨烯本身属于非极性材料，表面能高，在水相纺丝体系与聚合物基体中极易发生团聚，形成微米级的团聚颗粒。团聚后的石墨烯不仅会丧失纳米材料的功能优势，造成远红外发射不均匀，还会堵塞纺丝喷丝孔，引发断丝、毛丝等问题，严重影响生产效率与纤维品质，成为限制石墨烯远红外纤维规模化应用的关键瓶颈。

3、胶原蛋白是一种来源广泛的天然生物高分子，含有大量亲水基团与活性氨基酸，具备良好的生物相容性、吸湿保湿性与亲肤性，将胶原蛋白引入纺织纤维中，可赋予纤维护肤保湿、改善穿着肤感的功能，提升贴身纺织品的使用体验。但天然胶原蛋白多为大分子结构，分子链间易形成氢键聚集，与合成聚合物基体的相容性较差。现有技术中多采用简单共混的方式将胶原蛋白引入纤维，胶原蛋白大多以物理缠结的方式分散在基体中，与聚合物之间缺乏稳定的化学键合，在水洗、穿着过程中胶原蛋白易从纤维表面脱落，功能持久性差；且大分子胶原蛋白的加入会提升纺丝液的黏度，影响纺丝液的流变稳定性，增加纺丝成型的难度。

4、目前现有胶原蛋白复合纤维与石墨烯远红外纤维的相关技术中，仍存在诸多未解决的缺陷。其一，石墨烯表面改性方式单一，多采用简单的物理分散剂包覆，分散稳定性不足，无法从界面层面解决石墨烯与聚合物基体的结合问题，长期使用易发生石墨烯迁移与团聚；其二，胶原蛋白与基体的结合力弱，多依赖物理吸附与弱氢键作用，功能组分流失率高，耐水洗性能差；其三，为提升结合力常采用戊二醛等醛类交联剂，存在毒性残留风险，不符合贴身纺织品的安全环保要求；其四，加工工艺采用一步共混的粗放方式，未针对不同组分的理化特性进行分步处理，功能组分分散均匀性差，有效利用率低；其五，产品功能相对单一，仅侧重远红外或护肤单一方面，未能实现多种功能的深度融合，且对纤维的力学性能、穿着舒适度等基础性能兼顾不足。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种胶原蛋白远红外石墨烯纤维及其加工工艺，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：一种胶原蛋白远红外石墨烯纤维，包括以下按重量份计的原料：成纤聚合物基体60-80份、胶原蛋白粉5-15份、羟基化远红外石墨烯粉体1-5份、硅烷偶联剂0.5-2份、增塑剂3-8份、环保交联剂1-3份、分散助剂1-4份、保湿调节剂2-6份。

3、一种胶原蛋白远红外石墨烯纤维，包括以下按重量份计的原料：成纤聚合物基体70份、胶原蛋白粉10份、羟基化远红外石墨烯粉体3份、硅烷偶联剂1份、增塑剂5份、环保交联剂2份、分散助剂2份、保湿调节剂4份。

4、一种胶原蛋白远红外石墨烯纤维，包括以下按重量份计的原料：成纤聚合物基体65份、胶原蛋白粉12份、羟基化远红外石墨烯粉体2份、硅烷偶联剂1.5份、增塑剂6份、环保交联剂1.5份、分散助剂3份、保湿调节剂3份。

5、一种胶原蛋白远红外石墨烯纤维，包括以下按重量份计的原料：成纤聚合物基体75份、胶原蛋白粉8份、羟基化远红外石墨烯粉体4份、硅烷偶联剂0.8份、增塑剂4份、环保交联剂2.5份、分散助剂1.5份、保湿调节剂5份。

6、一种胶原蛋白远红外石墨烯纤维的加工工艺，包括如下步骤：

7、步骤一、功能化石墨烯浆料制备：将羟基化远红外石墨烯粉体与去离子水混合配置悬浊液，加入分散助剂进行高速分散，再加入硅烷偶联剂调节ph后加热反应，反应完成后进行超声处理，得到功能化石墨烯浆料；

8、步骤二、胶原蛋白分散液制备：将胶原蛋白粉溶解于去离子水中，加入保湿调节剂搅拌溶解，保温后得到胶原蛋白分散液；

9、步骤三、纺丝基液制备：将成纤聚合物基体加入去离子水中溶胀，加热搅拌溶解得到聚合物溶液，将功能化石墨烯浆料加入聚合物溶液中搅拌混合，得到石墨烯-聚合物混合液；

10、步骤四、共混脱泡：将胶原蛋白分散液加入石墨烯-聚合物混合液中，加入环保交联剂搅拌混合，再进行真空脱泡处理，得到均质纺丝液；

11、步骤五、湿法纺丝成型：将均质纺丝液过滤后经计量泵输送，通过喷丝板挤出进入凝固浴中成型，得到初生纤维；

12、步骤六、多级拉伸交联：将初生纤维依次进行一级拉伸、二级拉伸和热定型交联处理，完成纤维的结构定型与交联反应；

13、步骤七、后处理干燥：将定型后的纤维进行水洗去除残留杂质，再进行热风干燥，平衡回潮后得到成品胶原蛋白远红外石墨烯纤维。

14、步骤一中，羟基化远红外石墨烯粉体与去离子水配置成浓度为5-10wt%的悬浊液；高速分散的转速为3000-5000r/min，分散时间为15-30min；调节体系ph值至4-5，反应温度为60-70℃，搅拌速率为200-300r/min，反应时间为2-4h；超声处理的功率为200-300w，超声时间为20-40min。

15、步骤二中，胶原蛋白粉配置成浓度为10-15wt%的溶液；保温温度为40-50℃，搅拌速率为150-200r/min，保温时间为20-30min；步骤三中，成纤聚合物基体溶胀时间为2-4h，溶解温度为80-90℃，搅拌速率为200-300r/min，聚合物溶液浓度为15-20wt%；功能化石墨烯浆料加入后继续搅拌30-60min。

16、步骤四中，共混温度为50-60℃，搅拌速率为100-150r/min，搅拌时间为20-40min；真空脱泡的真空度为-0.08至-0.1mpa，温度为45-55℃，脱泡时间为1-2h；步骤五中，凝固浴采用质量浓度为20-30%的硫酸钠水溶液，凝固浴温度为30-45℃，纺丝速度为5-10m/min，喷丝板孔径为0.08-0.15mm。

17、步骤六中，一级拉伸在凝固浴中进行，拉伸倍数为1.2-1.5倍，拉伸温度为35-45℃；二级拉伸在热水浴中进行，热水浴温度为60-80℃，拉伸倍数为1.5-2.0倍；热定型交联在热风环境中进行，温度为100-120℃，定型时间为5-10min；总拉伸倍数控制在2.0-3.0倍；步骤七中，水洗温度为40-50℃，水洗时间为10-20min；热风干燥温度为60-80℃，干燥时间为15-30min。

18、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

19、采用羟基化改性石墨烯配合小分子胶原蛋白肽，通过硅烷偶联剂的界面接枝作用，在石墨烯与聚合物基体、胶原蛋白之间构建稳定的化学键合界面，从根本上改善石墨烯的分散性与界面结合力，避免石墨烯团聚与迁移问题；配合柠檬酸环保交联体系，在纤维内部形成三维网络结构，将胶原蛋白与石墨烯功能组分牢固固定在基体中，大幅提升功能的耐水洗性与耐久性，同时避免了传统交联剂的毒性残留问题，安全环保；

20、采用分步制备的加工方式，针对不同组分的理化特性分别制备功能化石墨烯浆料、胶原蛋白分散液与聚合物基液，再逐步共混，配合高速分散、超声处理与真空脱泡工艺，实现各功能组分在基体中的纳米级均匀分散，保障远红外发射的均匀性与功能组分的有效利用率；通过多级拉伸配合热定型交联的工艺方式，同步实现纤维的分子取向增强与交联反应，在提升纤维力学性能的同时，促进交联反应充分进行，稳定纤维内部结构；

21、将远红外保健功能与胶原蛋白亲肤保湿功能深度融合，保湿调节剂与胶原蛋白配合，显著提升纤维的吸湿保湿性能与亲肤感，改善贴身穿着体验；制备的复合纤维力学性能优异，功能均匀稳定，安全无刺激，广泛应用于贴身内衣、家纺面料、保健护具、运动服饰多个领域，具备良好的应用前景与市场价值。