一种轻质高强高韧单根绿色复合纤维及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于化学生物工程领域中制备轻质高强单根绿色复合纤维的方法，具体涉及一种轻质高强高韧单根绿色复合纤维及其制备方法。
【背景技术】
[0002]随着环境问题的加重以及资源的匮乏，绿色可再生复合材料越来越受到人们的关注。其中，绿色单根纤维，作为制备高强度复合材料的重要组成部分，其力学性能对于材料的实际生产应用显得尤为重要。目前，制备高强度纤维常用的方法是湿纺加捻法，该方法过程复杂且其原材料大部分为成本高且不能降解的材料，如石墨稀、碳纳米管等(参考文献1:Shin M K,Lee B,Kim S H,et al.Synergistic toughening of composite fibres byself-alignment of reduced graphene oxide and carbon nanotubes.Naturecommunicat1ns,2012,3:650.)。现有的以天然绿色纤维为原料的绿色复合材料，基本上是把天然纤维复合在聚合物基质内形成纤维/聚合物块体材料(参考文献2:La Mantia F P,Morreale M.Green composites:A brief review.Composites Part A:Applied Scienceand Manufacturing，2011,42(6):579-588.参考文献 3:Wu M，Shuai H,Cheng Q，etal.B1inspired Green Composite Lotus Fibers.Angewandte Chemie Internat1nalEdit1n，2014，53(13):3358-3361.)，而制备单根绿色复合纤维的报道却很少。
【发明内容】
[0003]本发明提供了一种两步化学处理法制备轻质高强高韧单根绿色复合纤维的方法，通过纤维预处理和聚合物的复合，利用化学反应及分子键的相互作用纤维特定结构，本发明成功制备了轻质高强高韧单根绿色复合纤维，有望在纺织、汽车及航空航天等方面得到应用。
[0004]本发明提供一种轻质高强高韧单根绿色复合纤维，所述复合纤维主要由天然纤维及聚合物构成，所述复合纤维的力学性能可通过调节预处理溶液的浓度、聚合物的浓度和处理时间等参数来控制。
[0005]本发明还提供一种所述轻质高强高韧单根绿色复合纤维的制备方法，采用两步处理法制备，具体包括以下步骤:
[0006]第一步，原材料的选取:
[0007]将天然纤维清洗，剪切，得到直径为0.01mm?1mm，长度为lcm?3cm的天然纤维A。
[0008]第二步，纤维预处理:
[0009]将第一步中得到的天然纤维六置于质量浓度为0.5的％?20的％的溶液8中，处理lh?80h，取出，用乙醇和去离子水清洗，室温下晾干，即可得到具有不同微观结构的纤维Alo
[0010]第三步，聚合物浸渍与交联:
[0011]将纤维A1放入质量浓度为lwt%?20wt%的聚合物溶液C中，浸渍10h?100h，取出，干燥，即可得到两步处理后的复合纤维，然后进行交联处理，即得到本发明的轻质高强高韧单根绿色复合纤维A2。
[0012]所述的天然纤维A为丝瓜络、椰壳纤维或荷叶茎丝等含纤维素的天然纤维中的一种。
[0013]所述的溶液B为Na0H、NaC10或H202中的一种。所述的溶液B的质量浓度优选为lwt %?10wt%，处理时间优选为2h?10h。
[0014]所述的聚合物溶液C为聚乙烯醇PVA、聚氨酯HJ、聚乳酸PLA或壳聚糖CS等中的一种。所述的聚合物溶液c的质量浓度优选为lwt %?15wt %，浸渍时间优选为1 Oh?50h。
[0015]所述的不同微观结构包括裸露的纳米纤丝结构、纳米花簇、纤丝组成的表面多孔结构以及孔洞结构等。
[0016]所述交联处理的方法为加热、加入戊二醛或京尼平交联剂。
[0017]所述的轻质高强高韧单根绿色复合纤维A2直径为0.01mm?1mm。优选的所述纳米纤维直径为0.05mm?0.5mm。
[0018]所述的轻质高强高韧单根绿色复合纤维A2具有环境友好性、可再生性和优异力学性能，其拉伸强度为60MPa?750MPa，模量为2GPa?lOGPa，韧性为10MJ.m—3?100MJ.m—3。
[0019]所述的轻质是指纤维微观呈多孔结构，密度范围为0.5g/cm3?2.15g/cm3。
[0020]本发明以天然可再生纤维和聚合物为原材料，首先通过溶液浸泡法对天然纤维进行了预处理，然后在此基础上，用聚合物浇铸涂覆法制备出高强度高韧性绿色单根复合纤维，主要增强机制涉及化学反应、分子键相互作用及其所产生的纤维特定结构。本发明所得的轻质高强高韧绿色单根复合纤维(如Coir/NaOH/PVA)性能优异、原料易得、可大规模制备且环境友好，有望用于实际的生产生活中。
[0021]本发明提供的方法与现有技术中制备高强度绿色复合纤维的方法相比，优良效果如下:
[0022](1)与现有的方法相比，本发明的制备方法简单，操作方便，能够实现大规模的制备。
[0023](2)本发明制备的复合纤维属于单根绿色纤维，原料易得可再生，环境友好易降解且性能可控，在纺织、航空航天及汽车领域有很大的应用前景。
[0024](3)本发明采用两步化学处理法，即可实现力学性能大程度的提升，且复合后强度和韧性同时得到了增强。
【附图说明】
[0025]图1本发明中轻质高强高韧单根绿色复合纤维的制备过程示意图；
[0026]图2本发明制备得到的单根绿色复合纤维示意图；
[0027]图3本发明制备得到的轻质高强高韧单根绿色复合纤维应力-应变曲线。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
[0029]实施例1.
[0030]将椰壳纤维清洗，剪切，得到一组平均直径为0.23mm，长度为3cm的椰壳纤维。结合图1，把椰壳纤维置于质量浓度为5wt %的NaOH中，浸泡20h，取出，用乙醇和去离子水清洗，室温下晾干，得到具有孔洞结构的纤维A1。接着把纤维放入质量浓度为lwt^^^PVA中，浸渍10h，取出，室温下晾干。最后用戊二醛进行交联处理，即可得到一组轻质高强高韧单根绿色复合纤维，如图2，制备得到的复合纤维形貌均匀。其力学曲线如图3所示，纤维拉伸强度478MPa,模量2GPa，韧性30MJ.m—3。
[0031]实施例2.
[0032]将丝瓜络纤维清洗，剪切，得到一组平均直径为0.5?1mm，长度为lcm的丝瓜络纤维。然后把丝瓜络纤维置于质量浓度为lwt %的他0!1溶液中，浸泡80h，取出，用乙醇和去离子水清洗，室温下晾干，得到具有裸露的纳米纤丝结构和纳米花簇结构的纤维A1。接着把纤维A1放入质量浓度为10被％的05中，浸渍50h，取出，室温下晾干。最后用京尼平进行交联处理，即得到轻质高强高韧单根绿色复合纤维。结果发现，纤维拉伸强度60MPa，模量5.lGPa，韧性 10MJ.m—3。
[0033]实施例3.
[0034]将荷叶茎纤维清洗，剪切，得到一组平均直径为0.05mm，长度为2cm?3cm的荷叶茎纤维。然后把荷叶茎纤维置于质量浓度为10wt %的出02中，浸泡2h，取出，用乙醇和去离子水清洗，室温下晾干，得到具有裸露的纳米纤丝结构的纤维A1。接着把H202处理后的纤维放入质量浓度为15wt^^^PLA中，浸渍20h，取出，室温下晾干。最后用加热进行交联处理，即得到轻质高强高韧单根绿色复合纤维。试验结果显示，纤维拉伸强度560MPa，模量7.2GPa，韧性50MJ.m—3。
[0035]实施例4.
[0036]将椰壳纤维清洗，剪切，得到一组平均直径为0.01?0.21mm，长度为2cm?3cm的椰壳纤维。然后把椰壳纤维置于质量浓度为2wt %的NaC1溶液中，浸泡10h，取出，用乙醇和去离子水清洗，室温下晾干，接着把纤维放入质量浓度为5wt^^^PU中，浸渍100h，取出，室温下晾干，得到具有由纤丝组成的表面多孔结构的纤维。最后加热进行交联处理，即得到轻质高强高韧单根绿色复合纤维。结果发现，纤维拉伸强度750MPa，模量lOGPa，韧性100MJ.πΓ3。
【主权项】
1.一种轻质高强高韧单根绿色复合纤维的制备方法，其特征在于:包括以下步骤， 第一步，原材料的选取: 将天然纤维清洗，剪切，得到直径为0.01mm?1mm，长度为lcm?3cm的天然纤维A; 第二步，纤维预处理: 将第一步中得到的天然纤维八置于质量浓度为0.5^%?20的％的溶液8中，处理111?80h，取出，用乙醇和去离子水清洗，室温下晾干，得到具有不同微观结构的纤维A1; 第三步，聚合物浸渍与交联: 将纤维A1放入质量浓度为lwt%?20wt%的聚合物溶液C中，浸渍10h?100h，取出，干燥，然后进行交联处理，得到轻质高强高韧单根绿色复合纤维A2。2.根据权利要求1所述的一种轻质高强高韧单根绿色复合纤维的制备方法，其特征在于:所述的天然纤维A为丝瓜络、椰壳纤维或荷叶茎丝中的一种。3.根据权利要求1所述的一种轻质高强高韧单根绿色复合纤维的制备方法，其特征在于:所述的溶液B为Na0H、NaC10或H202中的一种。4.根据权利要求1所述的一种轻质高强高韧单根绿色复合纤维的制备方法，其特征在于:所述的聚合物溶液C为聚乙烯醇PVA、聚氨酯PU、聚乳酸PLA或壳聚糖CS中的一种。5.根据权利要求1所述的一种轻质高强高韧单根绿色复合纤维的制备方法，其特征在于:所述的溶液B的质量浓度为]^1:%?1(^1:%，处理时间为211?1011。6.根据权利要求1所述的一种轻质高强高韧单根绿色复合纤维的制备方法，其特征在于:所述的聚合物溶液C的质量浓度为lwt %?15wt %，浸渍时间为1 Oh?50h。7.根据权利要求1所述的一种轻质高强高韧单根绿色复合纤维的制备方法，其特征在于:所述的不同微观结构包括裸露的纳米纤丝结构、纳米花簇、纤丝组成的表面多孔结构以及孔洞结构。8.根据权利要求1所述的一种轻质高强高韧单根绿色复合纤维的制备方法，其特征在于:所述的交联处理的方法为加热、加入戊二醛或京尼平交联剂。9.一种轻质高强高韧单根绿色复合纤维，其特征在于:所述的轻质高强高韧单根绿色复合纤维直径为0.01mm?1mm;强度为60MPa?750MPa，模量为2GPa?lOGPa，韧性为10MJ.m—3?100MJ.m—3。10.根据权利要求9所述的一种轻质高强高韧单根绿色复合纤维，其特征在于:所述轻质高强高韧单根绿色复合纤维直径为0.05mm?0.5_。
【专利摘要】本发明公开了一种轻质高强高韧单根绿色复合纤维及其制备方法，属于化学生物工程领域。所述制备方法选取天然纤维进行清洗剪切后，在NaOH、NaClO或H2O2溶液中浸泡处理，然后在聚合物溶液中浸渍与交联处理，最后得到本发明的轻质高强高韧单根绿色复合纤维，所述纤维具有环境友好性、可再生性和优异力学性能，其强度为60MPa～750MPa，模量为2GPa～10GPa，韧性为10MJ·m-3～100MJ·m-3。本发明所得的轻质高强高韧绿色单根复合纤维性能优异、原料易得、可大规模制备且环境友好，有望用于实际的生产生活中。
【IPC分类】D06M13/123, D06M13/165, D06M15/507, D06M11/30, D06M11/50, D06M15/564, D06M15/03, D06M101/04, D06M11/38, D06M15/333
【公开号】CN105421042
【申请号】CN201610025147
【发明人】王女, 赵勇, 郭凤云
【申请人】北京航空航天大学
【公开日】2016年3月23日
【申请日】2016年1月15日