一種碳納米管改性聚乙烯醇納米纖維紗及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種碳納米管改性聚乙烯醇納米纖維紗及其制備方法。將碳納米管與一定量的聚乙烯醇混溶，以三氯化鋁為催化劑進(jìn)行傅克烷基化反應(yīng)，經(jīng)后處理除去殘余的聚乙烯醇和鋁離子，得到聚乙烯醇接枝改性的碳納米管；將所得接枝產(chǎn)物溶于溶劑中，與適量聚乙烯醇配制成紡絲原液，通過靜電紡絲工藝制備碳納米管改性聚乙烯醇納米纖維平行陣列，經(jīng)加捻處理得到纖維紗。本發(fā)明通過傅克烷基反應(yīng)使聚乙烯醇與碳納米管之間以化學(xué)鍵結(jié)合，碳納米管的接枝效率明顯，提高了碳納米管在溶液中的分散性及碳納米管與聚乙烯醇基體之間的應(yīng)力轉(zhuǎn)移效率，制備得到機(jī)械性能和導(dǎo)電性能優(yōu)良的納米纖維紗。
【專利說明】一種碳納米管改性聚乙烯醇納米纖維紗及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉 及一種碳納米管改性聚乙烯醇納米纖維紗及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]靜電紡絲技術(shù)是制備超細(xì)纖維的極為簡便的方法。通過靜電紡可以制得直徑在幾十納米至幾微米范圍的超細(xì)纖維。但是現(xiàn)在大多數(shù)靜電紡纖維均是以無紡布形式得到，這限制了靜電紡纖維在更廣闊領(lǐng)域的應(yīng)用，現(xiàn)在大多僅能用于過濾，組織工程支架，移植涂膜和創(chuàng)傷修復(fù)等。
[0003]聚乙烯醇(PVA)是由聚醋酸乙烯酯水解而成的一種水溶性聚合物，具有合成方便、安全低毒、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，產(chǎn)品質(zhì)量易于控制、價格便宜、使用方便，并具有很好的可紡性等特點。碳納米管作為一維納米材料，重量輕，六邊形結(jié)構(gòu)連接完美，具有許多優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能，目前在高分子材料領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用于增強(qiáng)或?qū)щ姴牧稀?br> [0004]中國發(fā)明專利“防靜電面料”(CN 102373548 A)中，將不銹鋼等金屬制成短纖維，與普通紡織纖維混紡織造，用于防靜電地毯和工作服面料。其特點是導(dǎo)電性能好，缺點是抱合力小、可紡性差。中國發(fā)明專利“一種耐久性炭黑型導(dǎo)電纖維及其制備方法”(CN102031588A)中，將大量的碳黑粒子添加到聚合物中，產(chǎn)品中高含量的碳黑破壞了聚合物的紡絲流變性能，使聚合物的成纖性能、力學(xué)性能變差。對這種高碳黑含量的導(dǎo)電纖維進(jìn)行紡絲需要采用復(fù)合紡絲技術(shù)，制備皮芯型結(jié)構(gòu)，使用雙螺桿紡絲機(jī)設(shè)備進(jìn)行紡絲，這導(dǎo)致企業(yè)設(shè)備投入增加，工藝參數(shù)增多，對產(chǎn)品質(zhì)量的控制難度增大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有技術(shù)在導(dǎo)電聚合物纖維力學(xué)性能方面存在的不足，提供一種強(qiáng)度高、導(dǎo)電性好的碳納米管改性聚乙烯醇纖維紗及其制備方法。
[0006]本發(fā)明是通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn)的:提供一種碳納米管改性聚乙烯醇納米纖維紗的制備方法，包括如下步驟:
1、在冰、水混合浴中，攪拌條件下將無水溶劑滴加到三氯化鋁中，滴加完畢后，加熱至三氯化鋁完全溶解，得到濃度為2~10wt%的三氯化鋁溶液，所述的無水溶劑為無水二甲基亞砜或N，N-二甲基乙酰胺；
2、將聚乙烯醇和碳納米管溶解于無水溶劑二甲基亞砜或二甲基甲酰胺中，得到聚乙烯醇/碳納米管混合溶液，混合溶液中聚乙烯醇的濃度為5~25wt%，碳納米管與聚乙烯醇的質(zhì)量比為1:5~1:20 ;
3、將聚乙烯醇/碳納米管混合溶液加入到三氯化鋁溶液中，在溫度為40~80°C的條件下進(jìn)行傅克烷基化反應(yīng)6~30h，產(chǎn)物經(jīng)后處理后得到聚乙烯醇接枝的改性碳納米管；
4、將聚乙烯醇溶解于溶劑中，配置濃度為8~12?丨％的聚乙烯醇溶液，所述溶劑為水、DMS0、DMF中的一種或它們的任意組合；將步驟3得到的改性碳納米管加入到聚乙烯醇溶液中，分散均勻后制得紡絲原液，所述紡絲原液中，按質(zhì)量百分比，改性碳納米管為聚乙烯醇的為0.05?20% ；
5、采用靜電紡絲工藝，通過雙圓環(huán)式接收器或框式收集器，接收得到碳納米管改性聚乙烯醇納米纖維陣列；
6、對碳納米管改性聚乙烯醇納米纖維陣列進(jìn)行加捻處理，捻度為10?25T/cm，得到一種碳納米管改性聚乙烯醇納米纖維紗。
[0007]本發(fā)明所述的碳納米管為單壁碳納米管或多壁碳納米管。
[0008]本發(fā)明制備過程中所述的后處理為:將傅克烷基反應(yīng)后的碳納米管置于甲醇和稀鹽酸的混合溶液中，甲醇和稀鹽酸的體積比為1:2?1:10，鹽酸的濃度為0.1?I mol/L ；再在轉(zhuǎn)速為8000?13500rpm的條件下進(jìn)行離心處理，經(jīng)分離，水洗，除去殘余的聚乙烯醇和招尚子。
[0009]本發(fā)明采用靜電紡絲的工藝參數(shù)為:電壓5?10kV，噴絲頭和接收器間的距離為10 ?15cm0
[0010]本發(fā)明技術(shù)方案還包括一種按上述制備方法得到的碳納米管改性聚乙烯醇納米纖維紗。
[0011]本發(fā)明的原理是:控制纖維紗中碳納米管的含量和對纖維紗進(jìn)行加捻的捻度，通過兩者的協(xié)同作用有效提高了聚乙烯醇纖維的強(qiáng)度和導(dǎo)電性。加捻作用使纖維間產(chǎn)生了向心壓力，增大纖維間的摩擦力，同時強(qiáng)度不勻率因加捻作用得到改善，因此，在一定范圍內(nèi)，強(qiáng)度隨捻度的增加而增加。在增加導(dǎo)電性方面，碳納米管本身具有的導(dǎo)電性，本發(fā)明對碳納米管進(jìn)行改性，碳納米管與聚乙烯醇基體之間的應(yīng)力轉(zhuǎn)移效率得到提供，使PVA-CNT復(fù)合纖維的導(dǎo)電性增加；對比相同直徑的加捻和未加捻的纖維，加捻作用使纖維相互靠近，取向度改變，碳管的密度增加，使得纖維的導(dǎo)電性增加。
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下明顯優(yōu)點:
1、碳納米管具有優(yōu)良的導(dǎo)電性，其導(dǎo)電強(qiáng)度可達(dá)銅的10000倍以上，將它與聚乙烯醇復(fù)合，使其體積電阻大幅度降低；
2、通過付克烷基化反應(yīng)將聚乙烯醇接枝到碳納米管上，得到分散性良好的碳納米管溶液，有利于紡絲；
3、碳納米管具有良好的力學(xué)性能及成型加工性，共混及紡絲工藝易于控制；
4、通過加捻操作，使得纖維紗強(qiáng)度增大，與碳納米管的增強(qiáng)作用協(xié)同，最終得到高強(qiáng)度的復(fù)合納米纖維紗。
[0013]【專利附圖】

【附圖說明】
圖1為本發(fā)明實施例提供的改性碳納米管的拉曼光譜圖；
圖2是本發(fā)明實施例提供的聚乙烯醇納米纖維陣列的照片；
圖3是本發(fā)明實施例提供的聚乙烯醇纖維紗的SEM圖像。
【具體實施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明技術(shù)方案作詳盡的說明。
[0015]實施例1:
稱取適量的三氯化鋁，在冰、水混合浴中，攪拌條件下將無水溶劑二甲基亞砜(DMSO)滴加到三氯化鋁中，滴加完畢后，加熱至三氯化鋁完全溶解，配成4wt%的三氯化鋁溶液。將聚乙烯醇加入到無水二甲基亞砜中，配成濃度為5 wt %的溶液，按多壁的碳納米管和聚乙烯醇質(zhì)量比1:10，加入碳納米管，充分混合，將聚乙烯醇和碳納米管的二甲基亞砜溶液倒入三氯化鋁的溶液中，在70°C的條件下反應(yīng)24h。將反應(yīng)液倒入甲醇和稀鹽酸(0.lmol/L)質(zhì)量比為1:2的溶液中沉淀，在13000rpm的條件下離心處理，再經(jīng)分離，干燥，得到聚乙烯醇改性的碳納米管，記作CNT-g-PVA，其分子結(jié)構(gòu)式表達(dá)為:m:1 —
【權(quán)利要求】
1.一種碳納米管改性聚乙烯醇納米纖維紗的制備方法，其特征在于包括如下步驟: (1)在冰、水混合浴中，攪拌條件下將無水溶劑滴加到三氯化鋁中，滴加完畢后，加熱至三氯化鋁完全溶解，得到濃度為2~10wt%的三氯化鋁溶液，所述的無水溶劑為無水二甲基亞砜或N，N-二甲基乙酰胺； (2)將聚乙烯醇和碳納米管溶解于無水溶劑二甲基亞砜或二甲基甲酰胺中，得到聚乙烯醇/碳納米管混合溶液，混合溶液中聚乙烯醇的濃度為5~25wt%，碳納米管與聚乙烯醇的質(zhì)量比為1:5~1:20 ; (3)將聚乙烯醇/碳納米管混合溶液加入到三氯化鋁溶液中，在溫度為40~80°C的條件下進(jìn)行傅克烷基化反應(yīng)6~30h，產(chǎn)物經(jīng)后處理后得到聚乙烯醇接枝的改性碳納米管； (4)將聚乙烯醇溶解于溶劑中，配置濃度為8~12?丨％的聚乙烯醇溶液，所述溶劑為水、DMSO、DMF中的一種或它們的任意組合；將步驟(3)得到的改性碳納米管加入到聚乙烯醇溶液中，分散均勻后制得紡絲原液，所述紡絲原液中，按質(zhì)量百分比，改性碳納米管為聚乙烯醇的為0.05~20% ； (5)采用靜電紡絲工藝，通過雙圓環(huán)式接收器或框式收集器，接收得到碳納米管改性聚乙烯醇納米纖維陣列； (6)對碳納米管改性聚乙烯醇納米纖維陣列進(jìn)行加捻處理，捻度為10~25T/cm，得到一種碳納米管改性聚乙烯醇納米纖維紗。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳納米管改性聚乙烯醇納米纖維紗的制備方法，其特征在于，所述的碳納米管為單壁碳納米管或多壁碳納米管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳納米管改性聚乙烯醇納米纖維紗的制備方法，其特征在于，所述后處理為:將傅克烷基反應(yīng)后的碳納米管置于甲醇和稀鹽酸的混合溶液中，甲醇和稀鹽酸的體積比為1:2~1:10，鹽酸的濃度為0.1~I mol/L ;再在轉(zhuǎn)速為8000~13500rpm的條件下進(jìn)行離心處理，經(jīng)分離，水洗，除去殘余的聚乙烯醇和鋁離子。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳納米管改性聚乙烯醇納米纖維紗的制備方法，其特征在于，靜電紡絲工藝參數(shù)為:電壓5~10kV，噴絲頭和接收器間的距離為10~15cm。
5.一種按權(quán)利要求1制備方法得到的碳納米管改性聚乙烯醇納米纖維紗。
【文檔編號】D01F6/50GK103668616SQ201310663468
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月10日
【發(fā)明者】戴禮興, 陳紅菲 申請人:蘇州大學(xué)張家港工業(yè)技術(shù)研究院