石墨烯-白石墨烯皮芯结构相变涤纶复合纤维及其制备方法与流程

1.本发明涉及一种石墨烯-白石墨烯复合涤纶纤维及其制备方法，具体地，涉及一种石墨烯-白石墨烯皮芯结构相变涤纶复合纤维及其制备方法。


背景技术：

2.石墨烯是从石墨中剥离出来的单层碳原子材料，由碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构，它是人类已知的厚度最薄、质地最坚硬、导电性最好的材料。石墨烯具有优异的力学、光学和电学性质，结构非常稳定，迄今为止研究者尚未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况，碳原子之间的链接非常柔韧，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍，如果用石墨烯制成包装袋，它将能承受大约两吨重的物品，几乎完全透明，却极为致密，不透水、不透气，即使原子尺寸最小的氦气也无法通过，导电性能好，石墨烯中电子的运动速度达到了光速的1/300，导电性超过了任何传统的导电材料，化学性质类似石墨表面，可以吸附和脱附各种原子和分子，还有抵御强酸强碱的能力。
[0003]“白色石墨烯”是晶粒为层片状结构的六方氮化硼(英文名称为 hexagonal boron nitride，缩写为h-bn)在经过剥层后得到的纳米薄片的别名。由于六方氮化硼的结构和石墨非常相似，具有六方层状结构，质地柔软，可加工性强，并且颜色为白色。与石墨烯相对应，因此六方氮化硼被称为“白色石墨烯”。
[0004]
六方氮化硼和石墨烯都是仅一个原子厚度的层状二维材料，不同之处在于石墨烯结合纯属碳原子之间的共价键，而六方氮化硼晶体中的结合则是硼、氮异类原子间的共价结合。
[0005]
高度相似的晶体结构赋予白色石墨烯与石墨烯一些共同特性，如极高的面内弹性模量、高温稳定性、原子级平滑的表面。白色石墨烯具有高透明度和化学惰性，而且具有很高的机械强度、高熔点、高热导率，以及极低的摩擦系数等性质。单层原子厚的氮化硼可以在空气中经受住800℃的高温。白色石墨烯具有极好的不渗透性，非常适合用于金属在高温和腐蚀性液体环境下的防腐。与此同时，最新研究发现，白石墨烯还具有优异的抗菌、散热、抗紫外等性能，在纤维应用上极具发展潜力。
[0006]
涤纶纤维是一种成本低，性能好，用途极为广泛的化学纤维，但传统涤纶纤维并不具备功能性，随着社会发展，传统涤纶已不能满足人们对功能性纺织品的需求。


技术实现要素：

[0007]
本发明的目的是提供一种石墨烯-白石墨烯复合涤纶纤维及其制备方法，能够解决现有问题，制备的涤纶复合纤维具有良好的抗菌性、抗紫外、温度调节等功能，且功能性为永久性的，不会随着洗涤次数增加而出现功能性减弱情况。
[0008]
为了达到上述目的，本发明提供了一种石墨烯-白石墨烯皮芯结构相变涤纶复合纤维的制备方法，其中，所述的方法包含：步骤1，按比例称取各原料；原料中包括涤纶切片、石墨烯材料、白石墨烯、分散剂、储能材料、无水乙醇；步骤2，将储能材料干燥，然后将储能
材料和分散剂分散在无水乙醇中，超声处理，再除去多余的无水乙醇，得到相变储能材料；步骤3，将步骤2所得的相变储能材料和一部分涤纶切片加入到螺杆挤出机中，再将石墨烯、白石墨烯加入，挤出制得复合涤纶母粒；步骤4，将步骤3所得的复合母粒进行干燥，然后将剩余的涤纶切片作为纤维皮层、干燥后的复合母粒为芯层，通过熔融纺丝，得到石墨烯-白石墨烯皮芯结构相变涤纶复合纤维。
[0009]
上述的石墨烯-白石墨烯皮芯结构相变涤纶复合纤维的制备方法，其中，所述的步骤1中，原料按重量份数计包括涤纶切片84～99份，石墨烯材料 0.05～10份，白石墨烯0.05～10份，分散剂0.1～1份，储能材料0.1～10份，无水乙醇0.1～5份。
[0010]
上述的石墨烯-白石墨烯皮芯结构相变涤纶复合纤维的制备方法，其中，所述的分散剂为明胶、纤维素醚、十二烷基硫酸钠中的任意一种或多种。
[0011]
上述的石墨烯-白石墨烯皮芯结构相变涤纶复合纤维的制备方法，其中，所述的储能材料为石蜡、聚乙二醇、烷烃、高级脂肪酸、聚烯烃中的任意一种或多种。
[0012]
上述的石墨烯-白石墨烯皮芯结构相变涤纶复合纤维的制备方法，其中，所述的石墨烯材料是采用机械剥离法、化学气相沉积法、液相剥离法、氧化还原法中的任意一种或多种方法制备的石墨烯或氧化石墨烯。
[0013]
上述的石墨烯-白石墨烯皮芯结构相变涤纶复合纤维的制备方法，其中，所述的白石墨烯是采用硼砂-氯化铵法、化学气相沉积法、硼砂-尿素法、高频等离子法、水热法、前驱体法中的任意一种方法制备的。
[0014]
上述的石墨烯-白石墨烯皮芯结构相变涤纶复合纤维的制备方法，其中，所述的步骤2中，超声处理20-30min，再离心除去多余的无水乙醇。
[0015]
上述的石墨烯-白石墨烯皮芯结构相变涤纶复合纤维的制备方法，其中，所述的步骤3中，采用双螺杆挤出机，挤出制得复合涤纶母粒；双螺杆挤出机一区到六区的温度分别控制为210-230℃，230-240℃，230-245℃， 245-255℃，230-245℃，240-255℃。
[0016]
上述的石墨烯-白石墨烯皮芯结构相变涤纶复合纤维的制备方法，其中，所述的步骤4，将所得的复合母粒进行干燥，干燥温度为60-80℃，干燥后的复合母粒含水量控制在100ppm以下，然后将剩余的涤纶切片作为纤维皮层、干燥后的复合母粒为芯层，皮层和芯层质量比为1：(2-3)，采用熔融纺丝机，纺丝成束，纺丝温度为240-270℃，纺丝速度为500-1000m/min，制备得到具有皮芯结构的复合纤维。
[0017]
本发明还提供了通过上述的方法制备的石墨烯-白石墨烯皮芯结构相变涤纶复合纤维。
[0018]
本发明提供的石墨烯-白石墨烯皮芯结构相变涤纶复合纤维及其制备方法具有以下优点：
[0019]
本发明的复合纤维具有抗菌、散热、抗紫外等性能优良，其中大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、白色念珠菌抑菌率达到99.9％，upf大于100，同时具有温度调节功能，温度调节范围可达约5-8℃，极大提升穿着舒适感。
[0020]
本方法制备的石墨烯-白石墨烯皮芯结构相变涤纶复合纤维，工艺简单易操作，成本低廉，经济效益高，适合大规模工业化生产。实用性强，适用于服装、家纺、医护、军工等行业。本发明创造的白石墨烯-石墨烯皮芯结构相变涤纶复合纤维技术，增强和提升了白石墨烯材料和石墨烯材料在纺织领域的多元化组合功能特性和实际应用范围。
具体实施方式
[0021]
以下对本发明的具体实施方式作进一步地说明。
[0022]
本发明提供的石墨烯-白石墨烯皮芯结构相变涤纶复合纤维的制备方法，其包含：步骤1，按比例称取各原料；原料中包括涤纶切片、石墨烯材料、白石墨烯、分散剂、储能材料、无水乙醇；步骤2，将储能材料干燥，然后将储能材料和分散剂分散在无水乙醇中，超声处理，再除去多余的无水乙醇，得到形态稳定的具有较好耐热性的相变储能材料；步骤3，将步骤2所得的相变储能材料和一部分涤纶切片加入到螺杆挤出机中，相变储能材料和涤纶切片的质量比优选为1：(3-5)，再将石墨烯、白石墨烯加入，挤出制得复合涤纶母粒；步骤4，将步骤3所得的复合母粒进行干燥，然后将剩余的涤纶切片作为纤维皮层、干燥后的复合母粒为芯层，通过熔融纺丝，得到石墨烯-白石墨烯皮芯结构相变涤纶复合纤维。
[0023]
优选地，步骤1中的原料按重量份数计包括涤纶(聚对苯二甲酸乙二醇酯，polyester，简称pet)切片84～99份，石墨烯材料0.05～10份，白石墨烯0.05～10份，分散剂0.1～1份，储能材料0.1～10份，无水乙醇0.1～5份。
[0024]
分散剂为明胶、纤维素醚、十二烷基硫酸钠等中的任意一种或多种。
[0025]
储能材料为石蜡、聚乙二醇、烷烃、高级脂肪酸、聚烯烃等中的任意一种或多种。
[0026]
石墨烯材料是采用机械剥离法、化学气相沉积法、液相剥离法、氧化还原法等中的任意一种或多种方法制备的石墨烯或氧化石墨烯。
[0027]
白石墨烯是采用硼砂-氯化铵法、化学气相沉积法、硼砂-尿素法、高频等离子法、水热法、前驱体法等中的任意一种方法制备的。
[0028]
步骤2中，超声处理20-30min，再离心除去多余的无水乙醇。
[0029]
步骤3中，采用双螺杆挤出机，挤出制得复合涤纶(pet)母粒；双螺杆挤出机一区到六区的温度分别控制为210-230℃，230-240℃，230-245℃， 245-255℃，230-245℃，240-255℃。
[0030]
步骤4，将所得的复合母粒进行干燥，干燥温度为60-80℃，干燥后的复合母粒含水量控制在100ppm以下，然后将剩余的涤纶切片作为纤维皮层、干燥后的复合母粒为芯层，皮层和芯层质量比为1：(2-3)，采用熔融纺丝机，纺丝成束，纺丝温度为240-270℃，纺丝速度为500-1000m/min，制备得到具有皮芯结构的复合纤维。
[0031]
本发明中采用的设备和其他工艺条件参数等均为本领域内技术人员所知的。
[0032]
本发明还提供了通过该方法制备的石墨烯-白石墨烯皮芯结构相变涤纶复合纤维，该复合材料具有抗静电性能。
[0033]
下面结合实施例对本发明提供的石墨烯-白石墨烯皮芯结构相变涤纶复合纤维及其制备方法做更进一步描述。
[0034]
实施例1
[0035]
一种石墨烯-白石墨烯皮芯结构相变涤纶复合纤维的制备方法，其包含：
[0036]
步骤1，按比例称取各原料；原料中按重量份数计包括涤纶切片99份，石墨烯材料0.05份，白石墨烯0.05份，分散剂0.2份，储能材料0.2份，无水乙醇0.5份。
[0037]
分散剂为明胶。储能材料为石蜡。
[0038]
石墨烯材料是采用机械剥离法制备的石墨烯。
[0039]
白石墨烯是采用硼砂-氯化铵法制备的。
[0040]
步骤2，将储能材料干燥，然后将储能材料和分散剂分散在无水乙醇中，超声处理20-30min，再离心除去多余的无水乙醇，得到相变储能材料。
[0041]
步骤3，将步骤2所得的相变储能材料和一部分涤纶切片加入到螺杆挤出机中，再将石墨烯、白石墨烯加入，挤出制得复合涤纶母粒。
[0042]
优选地，采用双螺杆挤出机，挤出制得复合涤纶母粒；双螺杆挤出机一区到六区的温度分别控制为210-230℃，230-240℃，230-245℃，245-255℃， 230-245℃，240-255℃。
[0043]
步骤4，将步骤3所得的复合母粒进行干燥，然后将剩余的涤纶切片作为纤维皮层、干燥后的复合母粒为芯层，通过熔融纺丝，得到石墨烯-白石墨烯皮芯结构相变涤纶复合纤维。
[0044]
优选地，将所得的复合母粒进行干燥，干燥温度为60-80℃，干燥后的复合母粒含水量控制在100ppm以下，然后将剩余的涤纶切片作为纤维皮层、干燥后的复合母粒为芯层，皮层和芯层质量比为1：2，采用熔融纺丝机，纺丝成束，纺丝温度为240-270℃，纺丝速度为500-1000m/min，制备得到具有皮芯结构的复合纤维。
[0045]
本实施例还提供了通过该方法制备的石墨烯-白石墨烯皮芯结构相变涤纶复合纤维。
[0046]
实施例2
[0047]
一种石墨烯-白石墨烯皮芯结构相变涤纶复合纤维的制备方法，其包含：
[0048]
步骤1，按比例称取各原料；原料中按重量份数计包括涤纶切片85.5份，石墨烯材料1.5份，白石墨烯1.5份，分散剂0.5份，储能材料10份，无水乙醇1份。
[0049]
分散剂为纤维素醚。储能材料为聚乙二醇。
[0050]
石墨烯材料是采用化学气相沉积法制备的氧化石墨烯。
[0051]
白石墨烯是采用化学气相沉积法制备的。
[0052]
步骤2，将储能材料干燥，然后将储能材料和分散剂分散在无水乙醇中，超声处理20-30min，再离心除去多余的无水乙醇，得到相变储能材料。
[0053]
步骤3，将步骤2所得的相变储能材料和一部分涤纶切片加入到螺杆挤出机中，再将石墨烯、白石墨烯加入，挤出制得复合涤纶母粒。
[0054]
优选地，采用双螺杆挤出机，挤出制得复合涤纶母粒；双螺杆挤出机一区到六区的温度分别控制为210-230℃，230-240℃，230-245℃，245-255℃， 230-245℃，240-255℃。
[0055]
步骤4，将步骤3所得的复合母粒进行干燥，然后将剩余的涤纶切片作为纤维皮层、干燥后的复合母粒为芯层，通过熔融纺丝，得到石墨烯-白石墨烯皮芯结构相变涤纶复合纤维。
[0056]
优选地，将所得的复合母粒进行干燥，干燥温度为60-80℃，干燥后的复合母粒含水量控制在100ppm以下，然后将剩余的涤纶切片作为纤维皮层、干燥后的复合母粒为芯层，皮层和芯层质量比为1：2，采用熔融纺丝机，纺丝成束，纺丝温度为240-270℃，纺丝速度为500-1000m/min，制备得到具有皮芯结构的复合纤维。
[0057]
本实施例还提供了通过该方法制备的石墨烯-白石墨烯皮芯结构相变涤纶复合纤维。
[0058]
实施例3
[0059]
一种石墨烯-白石墨烯皮芯结构相变涤纶复合纤维的制备方法，其包含：
[0060]
步骤1，按比例称取各原料；原料中按重量份数计包括涤纶切片87份，石墨烯材料3份，白石墨烯3份，分散剂0.6份，储能材料1.4份，无水乙醇 5份。
[0061]
分散剂为十二烷基硫酸钠。储能材料为烷烃。
[0062]
石墨烯材料是采用液相剥离法制备的石墨烯。
[0063]
白石墨烯是采用硼砂-尿素法或高频等离子法制备的。
[0064]
步骤2，将储能材料干燥，然后将储能材料和分散剂分散在无水乙醇中，超声处理20-30min，再离心除去多余的无水乙醇，得到相变储能材料。
[0065]
步骤3，将步骤2所得的相变储能材料和一部分涤纶切片加入到螺杆挤出机中，再将石墨烯、白石墨烯加入，挤出制得复合涤纶母粒。
[0066]
优选地，采用双螺杆挤出机，挤出制得复合涤纶母粒；双螺杆挤出机一区到六区的温度分别控制为210-230℃，230-240℃，230-245℃，245-255℃， 230-245℃，240-255℃。
[0067]
步骤4，将步骤3所得的复合母粒进行干燥，然后将剩余的涤纶切片作为纤维皮层、干燥后的复合母粒为芯层，通过熔融纺丝，得到石墨烯-白石墨烯皮芯结构相变涤纶复合纤维。
[0068]
优选地，将所得的复合母粒进行干燥，干燥温度为60-80℃，干燥后的复合母粒含水量控制在100ppm以下，然后将剩余的涤纶切片作为纤维皮层、干燥后的复合母粒为芯层，皮层和芯层质量比为1：2.5，采用熔融纺丝机，纺丝成束，纺丝温度为240-270℃，纺丝速度为500-1000m/min，制备得到具有皮芯结构的复合纤维。
[0069]
本实施例还提供了通过该方法制备的石墨烯-白石墨烯皮芯结构相变涤纶复合纤维。
[0070]
实施例4
[0071]
一种石墨烯-白石墨烯皮芯结构相变涤纶复合纤维的制备方法，其包含：
[0072]
步骤1，按比例称取各原料；原料中按重量份数计包括涤纶切片85.9份，石墨烯材料10份，白石墨烯2份，分散剂1份，储能材料1份，无水乙醇 0.1份。
[0073]
分散剂为明胶、纤维素醚、十二烷基硫酸钠中的任意一种。
[0074]
储能材料为高级脂肪酸或聚烯烃。
[0075]
石墨烯材料是采用氧化还原法制备的氧化石墨烯。
[0076]
白石墨烯是采用水热法制备的。
[0077]
步骤2，将储能材料干燥，然后将储能材料和分散剂分散在无水乙醇中，超声处理20-30min，再离心除去多余的无水乙醇，得到相变储能材料。
[0078]
步骤3，将步骤2所得的相变储能材料和一部分涤纶切片加入到螺杆挤出机中，再将石墨烯、白石墨烯加入，挤出制得复合涤纶母粒。
[0079]
优选地，采用双螺杆挤出机，挤出制得复合涤纶母粒；双螺杆挤出机一区到六区的温度分别控制为210-230℃，230-240℃，230-245℃，245-255℃， 230-245℃，240-255℃。
[0080]
步骤4，将步骤3所得的复合母粒进行干燥，然后将剩余的涤纶切片作为纤维皮层、干燥后的复合母粒为芯层，通过熔融纺丝，得到石墨烯-白石墨烯皮芯结构相变涤纶复合纤维。
[0081]
优选地，将所得的复合母粒进行干燥，干燥温度为60-80℃，干燥后的复合母粒含水量控制在100ppm以下，然后将剩余的涤纶切片作为纤维皮层、干燥后的复合母粒为芯层，
皮层和芯层质量比为1：3，采用熔融纺丝机，纺丝成束，纺丝温度为240-270℃，纺丝速度为500-1000m/min，制备得到具有皮芯结构的复合纤维。
[0082]
本实施例还提供了通过该方法制备的石墨烯-白石墨烯皮芯结构相变涤纶复合纤维。
[0083]
实施例5
[0084]
一种石墨烯-白石墨烯皮芯结构相变涤纶复合纤维的制备方法，其包含：
[0085]
步骤1，按比例称取各原料；原料中按重量份数计包括涤纶切片84份，石墨烯材料4份，白石墨烯10份，分散剂0.1份，储能材料0.1份，无水乙醇1.8份。
[0086]
分散剂为明胶、纤维素醚、十二烷基硫酸钠中的任意多种。
[0087]
储能材料为石蜡、聚乙二醇、烷烃、高级脂肪酸、聚烯烃中的任意多种。
[0088]
石墨烯材料是采用化学气相沉积法制备的石墨烯。
[0089]
白石墨烯是采用前驱体法制备的。
[0090]
步骤2，将储能材料干燥，然后将储能材料和分散剂分散在无水乙醇中，超声处理20-30min，再离心除去多余的无水乙醇，得到相变储能材料。
[0091]
步骤3，将步骤2所得的相变储能材料和一部分涤纶切片加入到螺杆挤出机中，再将石墨烯、白石墨烯加入，挤出制得复合涤纶母粒。
[0092]
优选地，采用双螺杆挤出机，挤出制得复合涤纶母粒；双螺杆挤出机一区到六区的温度分别控制为210-230℃，230-240℃，230-245℃，245-255℃， 230-245℃，240-255℃。
[0093]
步骤4，将步骤3所得的复合母粒进行干燥，然后将剩余的涤纶切片作为纤维皮层、干燥后的复合母粒为芯层，通过熔融纺丝，得到石墨烯-白石墨烯皮芯结构相变涤纶复合纤维。
[0094]
优选地，将所得的复合母粒进行干燥，干燥温度为60-80℃，干燥后的复合母粒含水量控制在100ppm以下，然后将剩余的涤纶切片作为纤维皮层、干燥后的复合母粒为芯层，皮层和芯层质量比为1：3，采用熔融纺丝机，纺丝成束，纺丝温度为240-270℃，纺丝速度为500-1000m/min，制备得到具有皮芯结构的复合纤维。
[0095]
本实施例还提供了通过该方法制备的石墨烯-白石墨烯皮芯结构相变涤纶复合纤维。
[0096]
针对本发明各实施例制备的石墨烯-白石墨烯皮芯结构相变涤纶复合纤维进行测试，具体结果见下表1。
[0097]
表1.测试结果表。
[0098][0099]
本发明提供的石墨烯-白石墨烯皮芯结构相变涤纶复合纤维及其制备方法，制备的涤纶复合纤维具有良好的抗菌性、抗紫外、温度调节等功能，且功能性为永久性的，不会
随着洗涤次数增加而出现功能性减弱情况，扩展了传统涤纶的应用范围，提高产品附加值，很好的满足了人们对健康、环保的功能性纺织品的需求。
[0100]
本发明旨在利用改性石墨烯、白石墨烯分散体系，以及涤纶熔融法技术制备一种石墨烯-白石墨烯皮芯结构相变涤纶复合纤维。该复合纤维具有抗菌、抗紫外、温度调节的特点。复合纤维中石墨烯、白石墨烯位于皮芯结构皮层，相变储能材料位于皮芯结构芯层，皮层石墨烯与白石墨烯具有抗菌、抗紫外、散热功能，芯层相变储能材料具有温度较高时吸热、温度较低时散热的温度调节功能，使复合纤维呈现出冬暖夏凉的特点，且该纤维功能持久，不会随着洗涤次数的增加而减低，很好的满足消费者对于功能性、环保纺织品的需求。本发明创造的白石墨烯-石墨烯皮芯结构相变涤纶复合纤维技术，增强和提升了白石墨烯材料和石墨烯材料在纺织领域的多元化组合功能特性和实际应用范围。
[0101]
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。