一种高性能石墨烯纳米纤维棉的制备工艺的制作方法

文档序号:15329644发布日期:2018-09-04 20:38阅读:242来源:国知局

本发明涉及一种高性能石墨烯纳米纤维棉的制备工艺。



背景技术:

石墨烯(graphene)是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性,在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景,被认为是一种未来革命性的材料。

纳米纤维是指直径为纳米尺度而长度较大的具有一定长径比的线状材料,此外,将纳米颗粒填充到普通纤维中对其进行改性的纤维也称为纳米纤维。狭义上讲,纳米纤维的直径介于1nm到100nm之间,但广义上讲,纤维直径低于1000nm的纤维均称为纳米纤维。将石墨烯复合到纳米纤维中,可以获得高强度、大导热系数、高导电性能,大比表面积等优异性能。因此研发出一种能够研发出一种石墨烯应用到纳米纤维棉生产的制备工艺越来越受到人们的关注。



技术实现要素:

本发明针对上述问题提出了一种高性能添加到石墨烯纳米纤维棉的制备工艺。

具体的技术方案如下:

一种高性能石墨烯纳米纤维棉的制备工艺,其特征在于,制备步骤如下:

(1)制备高分子纺丝原液;

(2)将石墨烯原液添加入高分子纺丝原液中进行混合,混合均匀后形成复合纺丝原液;

(3)复合纺丝原液输入喷枪的喷嘴内;

(4)利用喷枪将所述复合纺丝原液从喷嘴喷出进入拉丝腔,并利用高温高压空气发生器生成的高温高压空气将所述复合纺丝原液液滴拉伸成直径为100nm以下的纳米纤维棉。

进一步的,所述石墨烯原液与所述高分子纺丝原液的混合质量比例为3-6:17-25。

进一步的,所述石墨烯原液的制备步骤如下:

(1)取石墨粉与强氧化混合液在常温下混合,混合质量比例为石墨粉:强氧化混合液=1:3,混合时间20~30min,搅拌速率为88r/min,混合结束后静置1h,得到初级液:

(2)将初级液中加入双氧水并搅拌均匀,初级液与双氧水的体积比为7:5,搅拌时间为30~60min,搅拌速率为110r/min,搅拌完成后静置2~3h,得到次级液;

(3)将次级液中加入高猛酸钾粉末,次级液与高猛酸钾的质量比例为3:1,搅拌混合25~55min,混合时温度保持在45~50℃,混合搅拌速率为135r/min,混合结束后进行第一次超声波震荡,震荡时间为30~40min,超声波频率为40~60khz,得到三级液;

(4)将三级液中通入氯气,三级液与氯气的体积比为10:13,反应时间为30~90min,反应完成后静置2h,静置后进行第二次超声波震荡,震荡时间为60~90min,超声波频率为50~77khz;然后进行离心处理,并用去离子水将下层沉淀洗出,得到石墨烯原液。

进一步的,所述高猛酸钾粉末的粒径为100目~80目。

进一步的,所述石墨粉的粒径为10~100nm。

进一步的,强氧化混合液为浓硝酸溶液与浓硫酸溶液的混合液,浓硫酸溶液里硫酸的质量百分比为85%,浓硝酸溶液里硫酸的质量百分比位75%,浓硫酸溶液与浓硝酸溶液的混合体积比为4~9:5~11。

进一步的,所述高分子纺丝原液由11~18质量份的4,4’-mdi,5~7质量份的聚四氢呋喃醚二醇,1~2质量份的聚醚三醇,5~7质量份的聚氧化丙烯二胺,2~3质量份的1,4-丁二醇,4~7质量份的抗菌剂,1~1.5质量份的抗氧剂在89~97℃下反应0.5~1.0小时;降温至室温后加入3~5质量份的羧甲基纤维素钠,6~8质量份的聚乙烯吡咯烷酮,搅拌并分散后即可得到所述高分子纺丝原液。

进一步的,所述抗菌剂由十二烷基二甲基苄基溴化铵、十四烷基二甲基苄基氯化铵、十八烷基二甲基苄基氯化铵、2-正辛基-4-异噻唑啉-3-酮以质量比例3:4:1:7的比例混合而成。

进一步的,所述抗氧剂由β-(4-羟基-3,5-二叔丁基苯基)丙酸正十八酯、四〔β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸〕季戊四醇酯、亚磷酸(三壬基苯基)酯以质量比3-4:1-4:3-6的比例混合而成。

本发明的有益效果为:

特殊的高分子纺丝原液配方以及制备工艺,通过独特的复合抗菌剂以及复合抗氧剂,能够大大提高纺丝原液的使用性能,加强最终产品石墨烯纳米纤维棉的抗菌性能以及抗氧性能。

特殊制备的石墨烯原液,采用多次氧化反应,分步法制得的石墨烯原液为氧化石墨烯原液,能够很好的使用在纳米纤维制作中,其含有丰富氧官能团,如羧基、羟基、环氧基等,该种原液使用时,直接投入纳米纤维生产时的高分子纺丝原液中即可,方便使用。且能够大幅度提高纳米纤维强度、导热系数、导电性能,使用效果佳。

具体实施方式

为使本发明的技术方案更加清晰明确,下面对本发明进行进一步描述,任何对本发明技术方案的技术特征进行等价替换和常规推理得出的方案均落入本发明保护范围。

实施例1

一种高性能石墨烯纳米纤维棉的制备工艺,制备步骤如下:

(1)制备抗氧剂,将β-(4-羟基-3,5-二叔丁基苯基)丙酸正十八酯、四〔β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸〕季戊四醇酯、亚磷酸(三壬基苯基)酯以质量比3:1:3的比例混合,制得抗氧剂;

(2)制备抗菌剂,将十二烷基二甲基苄基溴化铵、十四烷基二甲基苄基氯化铵、十八烷基二甲基苄基氯化铵、2-正辛基-4-异噻唑啉-3-酮以质量比例3:4:1:7的比例混合,制得抗菌剂;

(3)制备高分子纺丝原液;将11质量份的4,4’-mdi,5质量份的聚四氢呋喃醚二醇,1质量份的聚醚三醇,5质量份的聚氧化丙烯二胺,2质量份的1,4-丁二醇,4质量份的抗菌剂,1质量份的抗氧剂在89℃下反应0.5小时;降温至室温后加入3质量份的羧甲基纤维素钠,6质量份的聚乙烯吡咯烷酮,搅拌并分散后即可得到所述高分子纺丝原液;

(4)制备石墨烯原液,取石墨粉与强氧化混合液在常温下混合,所述石墨粉的粒径为10nm,强氧化混合液为浓硝酸溶液与浓硫酸溶液的混合液,浓硫酸溶液里硫酸的质量百分比为85%,浓硝酸溶液里硫酸的质量百分比位75%,浓硫酸溶液与浓硝酸溶液的混合体积比为4:5;混合质量比例为石墨粉:强氧化混合液=1:3,混合时间20min,搅拌速率为88r/min,混合结束后静置1h,得到初级液:将初级液中加入双氧水并搅拌均匀,初级液与双氧水的体积比为7:5,搅拌时间为30min,搅拌速率为110r/min,搅拌完成后静置2h,得到次级液;将次级液中加入高猛酸钾粉末,高猛酸钾粉末的粒径为100目;次级液与高猛酸钾的质量比例为3:1,搅拌混合25min,混合时温度保持在45℃,混合搅拌速率为135r/min,混合结束后进行第一次超声波震荡,震荡时间为30min,超声波频率为40khz,得到三级液;将三级液中通入氯气,三级液与氯气的体积比为10:13,反应时间为30min,反应完成后静置2h,静置后进行第二次超声波震荡,震荡时间为60min,超声波频率为50khz;然后进行离心处理,并用去离子水将下层沉淀洗出,得到石墨烯原液;

(5)以石墨烯原液与所述高分子纺丝原液的混合3:17的质量比例,将石墨烯原液添加入高分子纺丝原液中进行混合,混合均匀后形成复合纺丝原液;

(6)复合纺丝原液输入喷枪的喷嘴内;

(7)利用喷枪将所述复合纺丝原液从喷嘴喷出进入拉丝腔,并利用高温高压空气发生器生成的高温高压空气将所述复合纺丝原液液滴拉伸成直径为100nm以下的纳米纤维棉。

实施例2

一种高性能石墨烯纳米纤维棉的制备工艺,制备步骤如下:

(1)制备抗氧剂,将β-(4-羟基-3,5-二叔丁基苯基)丙酸正十八酯、四〔β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸〕季戊四醇酯、亚磷酸(三壬基苯基)酯以质量比4:4:6的比例混合,制得抗氧剂;

(2)制备抗菌剂,将十二烷基二甲基苄基溴化铵、十四烷基二甲基苄基氯化铵、十八烷基二甲基苄基氯化铵、2-正辛基-4-异噻唑啉-3-酮以质量比例3:4:1:7的比例混合,制得抗菌剂;

(3)制备高分子纺丝原液;将18质量份的4,4’-mdi,5~7质量份的聚四氢呋喃醚二醇,2质量份的聚醚三醇,7质量份的聚氧化丙烯二胺,3质量份的1,4-丁二醇,7质量份的抗菌剂,1.5质量份的抗氧剂在97℃下反应1.0小时;降温至室温后加入5质量份的羧甲基纤维素钠,8质量份的聚乙烯吡咯烷酮,搅拌并分散后即可得到所述高分子纺丝原液;

(4)取石墨粉与强氧化混合液在常温下混合,所述石墨粉的粒径为100nm,强氧化混合液为浓硝酸溶液与浓硫酸溶液的混合液,浓硫酸溶液里硫酸的质量百分比为85%,浓硝酸溶液里硫酸的质量百分比位75%,浓硫酸溶液与浓硝酸溶液的混合体积比为9:11;混合质量比例为石墨粉:强氧化混合液=1:3,混合时间30min,搅拌速率为88r/min,混合结束后静置1h,得到初级液:将初级液中加入双氧水并搅拌均匀,初级液与双氧水的体积比为7:5,搅拌时间为60min,搅拌速率为110r/min,搅拌完成后静置3h,得到次级液;将次级液中加入高猛酸钾粉末,高猛酸钾粉末的粒径为80目;次级液与高猛酸钾的质量比例为3:1,搅拌混合55min,混合时温度保持在50℃,混合搅拌速率为135r/min,混合结束后进行第一次超声波震荡,震荡时间为40min,超声波频率为60khz,得到三级液;将三级液中通入氯气,三级液与氯气的体积比为10:13,反应时间为90min,反应完成后静置2h,静置后进行第二次超声波震荡,震荡时间为90min,超声波频率为77khz;然后进行离心处理,并用去离子水将下层沉淀洗出,得到石墨烯原液;

(5)以石墨烯原液与所述高分子纺丝原液的混合6:25的质量比例,将石墨烯原液添加入高分子纺丝原液中进行混合,混合均匀后形成复合纺丝原液;

(6)复合纺丝原液输入喷枪的喷嘴内;

(7)利用喷枪将所述复合纺丝原液从喷嘴喷出进入拉丝腔,并利用高温高压空气发生器生成的高温高压空气将所述复合纺丝原液液滴拉伸成直径为100nm以下的纳米纤维棉。

实施例3

一种高性能石墨烯纳米纤维棉的制备工艺,制备步骤如下:

(1)制备抗氧剂,将β-(4-羟基-3,5-二叔丁基苯基)丙酸正十八酯、四〔β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸〕季戊四醇酯、亚磷酸(三壬基苯基)酯以质量比3:2:5的比例混合,制得抗氧剂;

(2)制备抗菌剂,将十二烷基二甲基苄基溴化铵、十四烷基二甲基苄基氯化铵、十八烷基二甲基苄基氯化铵、2-正辛基-4-异噻唑啉-3-酮以质量比例3:4:1:7的比例混合,制得抗菌剂;

(3)制备高分子纺丝原液;将14质量份的4,4’-mdi,6质量份的聚四氢呋喃醚二醇,1质量份的聚醚三醇,6质量份的聚氧化丙烯二胺,2质量份的1,4-丁二醇,5质量份的抗菌剂,1质量份的抗氧剂在93℃下反应0.7小时;降温至室温后加入4质量份的羧甲基纤维素钠,7质量份的聚乙烯吡咯烷酮,搅拌并分散后即可得到所述高分子纺丝原液;

(4)取石墨粉与强氧化混合液在常温下混合,所述石墨粉的粒径为44nm,强氧化混合液为浓硝酸溶液与浓硫酸溶液的混合液,浓硫酸溶液里硫酸的质量百分比为85%,浓硝酸溶液里硫酸的质量百分比位75%,浓硫酸溶液与浓硝酸溶液的混合体积比为5:7;混合质量比例为石墨粉:强氧化混合液=1:3,混合时间25min,搅拌速率为88r/min,混合结束后静置1h,得到初级液;将初级液中加入双氧水并搅拌均匀,初级液与双氧水的体积比为7:5,搅拌时间为45min,搅拌速率为110r/min,搅拌完成后静置2.5h,得到次级液;将次级液中加入高猛酸钾粉末,高猛酸钾粉末的粒径为88目;次级液与高猛酸钾的质量比例为3:1,搅拌混合38min,混合时温度保持在48℃,混合搅拌速率为135r/min,混合结束后进行第一次超声波震荡,震荡时间为35min,超声波频率为46khz,得到三级液;将三级液中通入氯气,三级液与氯气的体积比为10:13,反应时间为65min,反应完成后静置2h,静置后进行第二次超声波震荡,震荡时间为78min,超声波频率为65khz;然后进行离心处理,并用去离子水将下层沉淀洗出,得到石墨烯原液;

(5)以石墨烯原液与所述高分子纺丝原液的混合5:19的质量比例,将石墨烯原液添加入高分子纺丝原液中进行混合,混合均匀后形成复合纺丝原液;

(6)复合纺丝原液输入喷枪的喷嘴内;

(7)利用喷枪将所述复合纺丝原液从喷嘴喷出进入拉丝腔,并利用高温高压空气发生器生成的高温高压空气将所述复合纺丝原液液滴拉伸成直径为100nm以下的纳米纤维棉。

本发明的有益效果为:

特殊的高分子纺丝原液配方以及制备工艺,通过独特的复合抗菌剂以及复合抗氧剂,能够大大提高纺丝原液的使用性能,加强最终产品石墨烯纳米纤维棉的抗菌性能以及抗氧性能。

特殊制备的石墨烯原液,采用多次氧化反应,分步法制得的石墨烯原液为氧化石墨烯原液,能够很好的使用在纳米纤维制作中,其含有丰富氧官能团,如羧基、羟基、环氧基等,该种原液使用时,直接投入纳米纤维生产时的高分子纺丝原液中即可,方便使用。且能够大幅度提高纳米纤维强度、导热系数、导电性能,使用效果佳。

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