一种阻燃及强度增强型石墨烯改性芳纶纤维及其制备方法

本发明属于纳米材料领域，具体涉及一种阻燃及强度增强型石墨烯改性芳纶纤维及其制备方法。

背景技术：

1、芳纶纤维是一种具有密度小、高拉伸模量、和高剪切模量的高性能纤维。被大量使用在航天航空、军事、机械等领域。传统的制备方式如图1所示，将苯二甲酰氯和苯二胺进行聚合后得到芳纶聚合物，然后在通过纺丝得到芳纶纤维。优点是高强度-重量比，优异的冲击抗力，良好的疲劳和耐腐蚀性，以及阻燃性。缺点是抗压强度较低，对紫外线辐射敏感，易吸湿。另外，芳纶纤维的失效也是常见的。当其失效时，纤维会断裂成小原纤维，进而引起抗静电和阻燃性能大幅度降低。

2、石墨烯是目前世界上电导率和热导率最高的材料，利用石墨烯对芳纶纤维改性使其导电性大幅度提升，静电电荷一经产生，即刻漏导，最大程度地防止静电电荷堆积。同时石墨烯是目前世界上强度最大的材料，利用石墨烯对芳纶纤维改性使其强度进一步增加且避免纤维失效。另外，石墨烯是不燃材料，在遇到明火不会燃烧，不产生熔滴。在聚合物-石墨烯体系中，石墨烯可以促使聚合物迅速炭化，复合物受热分解产生多种不燃性气体，这些气体一方面可以隔绝氧气与可燃气体接触，另一方面，可以稀释氧气，阻断持续燃烧条件，起到阻燃作用。

3、石墨烯是无极性，高疏水的2d 材料，其分散是非常困难的。氧化石墨烯（go）由于部分氧化，其疏水性得到改善，分散性能得到改善，所以相对分散变得容易。但是石墨烯的高强度，导热，导电性只有在石墨烯状态下，才能体现。

4、已经发现有用氧化还原石墨烯包覆制备改性芳纶纤维的专利产品，该产品的确使芳纶纤维防静电和阻燃性能提升，强度也有提升，目前很多制备复合材料材料，都是采用现以氧化石墨烯（go）状态和材料分散，然后再将氧化石墨烯还原成还原氧化石墨烯（rgo）来进行。 所以有go和rgo的区别。go和rgo过程使得所制备的石墨烯有一定的缺陷。性能会有所影响。但由于氧化石墨烯的天然缺陷使其达不到其他制备方法所得石墨烯的性能，有必要使用无缺陷石墨烯对芳纶纤维材料改性来最大程度提升这些性能。

技术实现思路

1、目前芳纶材料有相当良好的强度，一定的抗静电和阻燃性能，但是随着新技术的发展，对芳纶材料的性能提出更高的要求，尤其在卫星，航天，航空，高铁以及新能源汽车上，对芳纶的各项性能提出了更高的要求。本发明的技术目的是复合石墨烯以及芳纶的优点，创造出新的跟高强度，高抗静电，高阻燃性能的新材料。

2、芳纶是一种高强度的带有很多苯环的高分子，有相当的极性，而且能将芳纶溶解的溶剂非常少，所以将石墨烯分散于芳纶中十分困难。芳纶的制备是苯二甲酰氯和苯二胺在有机溶剂中反应生成芳纶，如果在芳纶合成成聚合物以后，再将石墨烯分散入芳纶聚合物中，难度会非常大，并且无法保证分散的均匀性。

3、所以本发明采用将石墨烯分散在制备芳纶的单体中，在合成芳纶的同时将石墨烯分散到芳纶聚合物中。这样有效地保证了石墨烯再放论中的分散均匀性。因为在芳纶合成成聚合物的过程中， 纳米结构的石墨烯可以被合成的聚合物分子长链包裹和缠绕，这样保证了复合材料中石墨烯分散的均匀性，从而最大化地发挥石墨烯的性能。

4、为解决上述技术问题，本发明的一种阻燃及强度增强型石墨烯改性芳纶纤维及其制备方法如图2所示，具体技术方案如下：

5、步骤1：将石墨烯粉体放入50℃的放有特定分散剂的容器中搅拌，搅拌均匀后取出放入高剪切分散机分散 60～90分钟后取出，然后按照0.5mg/ml-15 mg/ml的比例加入dmac溶剂，放入1500w以上的大功率超声波分散机中进行振动分散，充分分散30～60分钟，得到分散后的石墨烯-dmac溶液；

6、步骤2：在dmac中加入苯二胺和氯化钙溶解，冷却到零下20度，其中加入氯化钙是为了提高反应后的芳纶聚合物在溶剂中的溶解度，得到苯二胺-dmac-cacl2 溶液；

7、步骤3：将步骤1得到的石墨烯-dmac溶液与步骤2得到的苯二胺-dmac-cacl2 溶液混合得到石墨烯与苯二胺的混合溶液，将苯二甲酰氯加入升温到50℃的聚合反应釜中，持续搅拌30分钟，然后向反应釜中加入石墨烯与苯二胺的混合溶液，聚合后生成含有氯化氢的芳纶聚合物溶液，加入氢氧化钙后，进行中和反应，以除去聚合反应中生成的氯化氢，促进聚合反应，最终得到纺丝原液；

8、步骤4：保持纺丝原液的温度为40℃，过滤后进行湿法纺丝，水洗干燥后得到经石墨烯改性的芳纶纤维丝。

9、利用本发明制备的石墨烯改性芳纶纤维，其综合性能良好，抗静电和阻燃性能大幅度提升，强度大幅度提升。

10、本发明可以用在对位芳纶，也可以用在间位芳纶。所用溶剂可以是dmac（n，n-二甲基乙酰胺），也可以是nmp （n-甲基吡咯烷酮）；

11、与目前已有芳纶制备产品比较，本方法制备的芳纶纤维：防静电性能大幅度提升，大大减少了航天航空器内部或外部的火灾隐患；阻燃能力大幅度提升，使航天航空器的安全度大幅度提升；强度大幅度提升，同样使用条件下可减少材料使用量达30%，能使航天航空器的运行成本大幅度降低；本方法生产设备简单，生产周期短，工艺简单，适合于规模化生产；

技术特征：

1.一种阻燃及强度增强型石墨烯改性芳纶纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1中所述的一种阻燃及强度增强型石墨烯改性芳纶纤维的制备方法，其特征在于，所述分散剂为聚氧乙烯。

3.根据权利要求2中所述的一种阻燃及强度增强型石墨烯改性芳纶纤维的制备方法，其特征在于，所述湿法纺丝的步骤具体为：经计量泵计量后送到设置在双螺杆挤出机附近的喷丝头和凝固浴；凝固浴的温度为8℃，该凝固浴各成分的质量百分比为n，n-二甲基乙酰胺45％，氯化钙15％，水40％；离开凝固浴的初生纤维丝束经过沸水拉伸，经两道水洗，干燥，干热拉伸和卷曲后得到成品纤维。

4.根据权利要求3中所述的一种阻燃及强度增强型石墨烯改性芳纶纤维的制备方法，其特征在于，所述n，n-二甲基乙酰胺溶剂替换为n-甲基吡咯烷酮。

5.一种阻燃及强度增强型石墨烯改性芳纶纤维，其特征在于，所述石墨烯改性芳纶纤维使用权利要求1-4任一所述的制备方法制成。

技术总结
本发明公开了一种阻燃及强度增强型石墨烯改性芳纶纤维及其制备方法，属于纳米材料领域。该方法通过将石墨烯分散在制备芳纶的单体中，在合成芳纶的同时将石墨烯分散到芳纶聚合物中。这样有效地保证了石墨烯再放论中的分散均匀性。利用本发明制备的石墨烯改性芳纶纤维，防静电性能大幅度提升，大大减少了航天航空器内部或外部的火灾隐患；生产设备简单，生产周期短,工艺简单，适合于规模化生产。

技术研发人员：冯朝阳,文红,况石
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22