一种晶须状石墨烯改性芳纶III复合纤维及其制备方法与流程

本发明涉及石墨烯应用，更具体地说涉及晶须化掺硫石墨烯改性的芳纶iii纤维及其制备方法。

背景技术：

1、芳纶iii纤维是一种主链含有杂环结构的对位芳香族聚酰胺纤维，具有轻质、高强、抗冲击性好、耐高温、耐腐蚀等优异物化特性。目前，提升芳纶ⅲ纤维力学性能的研究主要集中在结构改性和表面改性两个方向。在结构改性中，主要通过在分子主链中引入新的柔性基团如醚键、硅键等，有效改善纤维的可加工性，提高分子链取向度，达到提升纤维力学性能的目的；在表面改性中，多采用等离子体处理、偶联剂以及表面涂覆等方法，达到提升纤维与基体的亲合性达到增强复合材料整体性能的目的。然而，现阶段绝大多数改性方法对芳纶ⅲ纤维的力学性能提升效果不明显。因此，对提升芳纶ⅲ纤维力学性能的研究还需要进一步开发。而石墨烯是理想的聚合物增强材料，由于它独特的sp2结构，其理论断裂强度可达130gpa，弹性模量可达1000gpa。对于多数纤维，如尼龙6、聚酰亚胺、聚乙烯醇等，通过添加石墨烯，断裂强度可提高20％～50％，弹性模量甚至可以翻倍。

2、目前石墨烯用于增强芳纶纤维技术中，只是对芳纶纤维的表面进行石墨烯包覆，导致石墨烯和芳纶聚合物分子之间的作用力较差且石墨烯比较容易脱落，不能明显的提升石墨烯/芳纶复合纤维的力学性能。此外，芳纶iii分子链为一维线型结构，在拉伸作用下能够发生定向排列，具有一定的结晶度与取向度。然而，这种结晶度和取向度并不高，外加芳纶iii分子链间的作用力比较弱，使得纤维内部结构存在缺陷，不够致密，从而导致纤维的力学性能不佳。因而，如何提高芳纶iii的力学性能称为亟待解决的问题。

技术实现思路

1、为了解决的上述技术问题，本发明提供一种是制备适用于增强芳纶ⅲ纤维的短纤化晶须状掺硫石墨烯。

2、本发明一方面提供一种改性芳纶iii纤维，该改性纤维包括长度为50nm-20μm的晶须状掺硫石墨烯。

3、根据本发明的一实施方式，所述晶须状掺硫石墨烯的掺硫量为1atom％-4.56atom％。

4、根据本发明的另一实施方式，所述晶须状掺硫石墨烯为不同长度的任何比例混合。

5、根据本发明的另一实施方式，所述晶须状石墨烯的长度为150nm。

6、根据本发明的另一实施方式，以所述改性芳纶iii纤维的总质量为100％计，所述晶须状掺硫石墨烯用量占改性芳纶iii复合纤维的0.01％-0.5wt％。

7、根据本发明的另一实施方式，所述断裂强度为33-35cn/dtex，弹性模量850-1000cn/dtex，断裂伸长率为4.0-4.5％。

8、本发明另一方面提供该改性芳纶iii纤维的制备方法，包括：s1，制备晶须状掺硫石墨烯；s2，对制备的晶须状掺硫石墨烯进行短纤化处理得到预定尺寸的晶须状掺硫石墨烯；s3，将经过短纤化处理的晶须状掺硫石墨烯分散于n,n-二甲基乙酰胺形成分散液；s4，将所述分散液加入形成芳纶iii的单体的n,n-二甲基乙酰胺溶液，并进行聚合反应得到聚合液；及s5，对所述聚合液进行纺丝得到改性芳纶iii纤维。

9、根据本发明的一实施方式，所述分散液中所述晶须状参硫石墨烯的质量含量为0.01-1.25g ml-1。

10、本发明先通过均相水热法得到晶须状模板剂，再通过气相沉积法得到晶须状掺硫石墨烯，最后再通过均值粉碎法得到短纤化晶须状掺硫石墨烯。该石墨烯能够均匀地分散在有机溶剂n,n二甲基乙酰胺(dmac得到均匀稳定的石墨烯分散液。此外，通过原位添加的方式，使该石墨烯全程参与整个缩聚反应，石墨烯所含的硫元素能够与聚合单体中的酰氯基团形成化学键，实现石墨烯和芳纶分子之间的高效紧密结合，增强芳纶高分子链间的作用力；同时，该石墨烯具有类似于芳纶iii分子链的一维线型结构，在纺丝的过程中能够更好的诱导芳纶iii分子的结晶和取向，从而全面的提升芳纶纤维的力学性能。

11、本发明的优点是：通过简单、低成本且绿色的均相水热法得到晶须状模板剂，再经过气相沉积法得到晶须状掺硫石墨烯，最后通过均质粉碎处理得到一系列不同长径比的晶须状掺硫石墨烯。其中，短纤化的晶须状石墨烯在dmac中具有很好的分散性。它不仅能够增强芳纶iii分子链间的作用力，填充芳纶iii的内部结构缺陷，还能在纺丝牵伸的过程中诱导芳纶iii的结晶和取向，从而全面提升芳纶iii纤维的力学性能。整个短纤化晶须状掺硫石墨烯的制备流程简单，成本很低且环保，可用于批量生产。

12、因此，本发明采用晶须状掺硫石墨烯作为芳纶iii纤维的增强体，通过原位聚合的方式，利用该石墨烯的晶须状结构去诱导芳纶iii进一步的结晶和取向；同时，掺杂的硫元素能够提升石墨烯在dmac中的分散性以及增强与芳纶iii主链间的氢键，不仅能增强芳纶iii分子链之间的作用力，还能起到致密化的作用，从而全面增强芳纶iii纤维的力学性能。

技术特征：

1.一种改性芳纶iii纤维，其特征在于，该改性纤维包括长度为150nm-20μm的晶须状掺硫石墨烯。

2.根据权利要求1所述的改性芳纶iii纤维，其特征在于，所述晶须状掺硫石墨烯的掺硫量为1atom％-4.56atom％。

3.根据权利要求1所述的改性芳纶iii纤维，其特征在于，所述晶须状掺硫石墨烯为不同长度的任何比例混合。

4.根据权利要求3所述的改性芳纶iii纤维，其特征在于，所述晶须状石墨烯的长度为150nm。

5.根据权利要求1所述的改性芳纶iii纤维，其特征在于，以所述改性芳纶iii纤维的总质量为100％计，所述晶须状掺硫石墨烯用量占改性芳纶iii复合纤维的0.01％-0.5wt％。

6.根据权利要求1所述的改性芳纶iii纤维，其特征在于，所述断裂强度为33-35cn/dtex，弹性模量850-1000cn/dtex，断裂伸长率为4.0-4.5％。

7.一种权利要求1-6任一所述的改性芳纶iii纤维的制备方法，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述分散液中所述晶须状参硫石墨烯的质量含量为0.01-1.25g ml-1。

技术总结
一种晶须状石墨烯改性芳纶III复合纤维及其制备方法。本发明公开一种改性芳纶III纤维及其制备方法，该改性纤维包括长度为150nm‑20μm，掺硫量为1atom％‑4.56atom％的晶须状掺硫石墨烯。本发明采用晶须状掺硫石墨烯作为芳纶III纤维的增强体，通过原位聚合的方式，利用该石墨烯的晶须状结构去诱导芳纶III进一步的结晶和取向；同时，掺杂的硫元素能够提升石墨烯在DMAC溶剂中的分散性，并与芳纶III分子产生氢键作用。这样不仅能增强芳纶III分子链之间的作用力，还能起到致密化的作用，从而全面增强芳纶III纤维的力学性能。

技术研发人员：张锦,肖志华,温烨烨,焦琨,高振飞,李春
受保护的技术使用者：北京石墨烯研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16