一种石墨烯负离子再生纤维素复合纤维及其制备方法与流程

1.本发明涉及一种石墨烯复合纤维及其制备方法，具体地，涉及一种石墨烯负离子再生纤维素复合纤维及其制备方法。


背景技术：

2.石墨烯是从石墨中剥离出来的单层碳原子材料，由碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构，它是人类已知的厚度最薄、质地最坚硬、导电性最好的材料。石墨烯具有优异的力学、光学和电学性质，结构非常稳定，迄今为止研究者尚未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况，碳原子之间的链接非常柔韧，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍，如果用石墨烯制成包装袋，它将能承受大约两吨重的物品，几乎完全透明，却极为致密，不透水、不透气，即使原子尺寸最小的氦气也无法通过，导电性能好，石墨烯中电子的运动速度达到了光速的1/300，导电性超过了任何传统的导电材料，化学性质类似石墨表面，可以吸附和脱附各种原子和分子，还有抵御强酸强碱的能力。
3.根据石墨烯抗菌原理，石墨烯在纤维中及表面的密集分布，石墨烯将部分嵌入在纤维内部，部分露出纤维表面，形成更有利于杀灭细菌的石墨烯纳米刀，杀灭细菌，从而达到抗菌的目的。
4.而负离子功能是通过在纤维的生产过程中，添加一种具有负离子释放功能的纳米级电气石粉末，使这些电气石粉末镶嵌在纤维的表面，通过这些电气石发射的电子，击中纤维周围的氧分子，使之成为带电荷的负氧离子。
5.据文献了解到被誉为“空气维生素”的负氧离子有利于人体的身心健康。它主要是通过人的神经系统及血液循环能对人的机体生理活动产生影响。负氧离子能使人的大脑皮层抑制过程加强和调整大脑皮层的功能，因此能起到镇静、催眠及降血压作用；负氧离子进入人体呼吸道后，使支气管平滑肌松弛，解除其痉挛；负氧离子进入人体血液，可使红血胞沉降率变慢，凝血时间延长，还能使红血胞和血钙含量增加，白细胞、血钙和血糖下降，疲劳肌肉中乳酸的含量也随之减少。负氧离子能使人体的肾、肝、脑等组织的氧化过程加强，其中脑组织对负氧离子最为敏感。
6.纤维素纤维本身具有良好的力学性能、吸湿性，但是并不具备功能性。传统的功能性纤维素纤维主要是通过在纤维表面进行后处理实现，而这种方法制备的功能性纤维，其功能性不耐水洗，后处理造成的污染较为严重，因此使纤维素纤维应用受到一定限制。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种石墨烯复合纤维及其制备方法，制备的石墨烯负离子再生纤维素复合纤维，具备抗菌、释放负离子等功能，能够扩展纤维素纤维应用范围。
8.为了达到上述目的，本发明提供了一种石墨烯负离子再生纤维素复合纤维的制备方法，其中，所述的方法包含：步骤1，按比例称取各原料；原料中包含纤维素、石墨烯材料、改性剂、负离子粉；步骤2，使用球磨机对负离子粉进行研磨，然后干燥；步骤3，将纤维素、石
墨烯、改性剂分散于溶剂中，通过搅拌使纤维素充分溶解，配制纺丝液；步骤4，将步骤3所得的包含完全溶解的纤维素的纺丝液，使用干喷湿法纺丝工艺进行纺丝。
9.上述的石墨烯负离子再生纤维素复合纤维的制备方法，其中，所述的原料中，按质量百分比计包含纤维素89％～99％，石墨烯材料0.1％～10％，改性剂0.1％～5％，负离子粉0.1％～5％。
10.上述的石墨烯负离子再生纤维素复合纤维的制备方法，其中，所述的改性剂为表面活性剂，采用聚乙二醇、聚乙烯吡络烷酮、羟甲基纤维素按质量比为1：(1～2)：(2～3)混合而得。
11.上述的石墨烯负离子再生纤维素复合纤维的制备方法，其中，所述的石墨烯材料为机械剥离法、化学气相沉积法、氧化还原法中任意一种方法制备的石墨烯或氧化石墨烯。
12.上述的石墨烯负离子再生纤维素复合纤维的制备方法，其中，所述的负离子粉为电气石和/或稀土元素粉末。
13.上述的石墨烯负离子再生纤维素复合纤维的制备方法，其中，所述的步骤2中，使用球磨机对负离子粉进行研磨至粒径小于1μm后，进行干燥。
14.上述的石墨烯负离子再生纤维素复合纤维的制备方法，其中，所述的步骤3中，将纤维素、石墨烯、改性剂分散于nmmo水溶液中，通过搅拌机充分搅拌50
‑
100min，使纤维素完全溶解，配制纺丝液。
15.上述的石墨烯负离子再生纤维素复合纤维的制备方法，其中，所述的纺丝液中，按质量百分比计纤维素的浓度为5～15％，纺丝液的粘度为2500～4000pa
·
s。
16.上述的石墨烯负离子再生纤维素复合纤维的制备方法，其中，所述的步骤4中，干喷湿法纺丝工艺的纺丝温度为90～95℃，纤维出喷丝板后进入凝固浴前的吹风速度为35
‑
40m/s，凝固浴为nmmo水溶液，质量浓度为10～20％，纺丝速度为1
‑
5m/s。
17.本发明还提供了一种上述的方法制备的石墨烯负离子再生纤维素复合纤维。
18.本发明提供的石墨烯负离子再生纤维素复合纤维及其制备方法具有以下优点：
19.本发明采用环保型纤维素生产工艺制备，溶剂可以实现99％以上的回收，并且可以重复使用，生产过程无传统的碱性废水产生，安全环保。石墨烯负离子纤维的突出特点是，复合纤维具有抗菌、负离子等性能，其功能性耐水洗，不需单独后处理工艺，安全环保，更好的满足当前人们对功能性、舒适性、健康纺织品的要求。
20.本发明制备的复合纤维抗菌性能优良，其中大肠杆菌、金色葡萄球菌、白色念珠菌抑菌率达到99％，负离子数达到5000个/cm3以上，功能性良优异。
21.本方法制备的石墨烯负离子复合纤维，工艺简单易操作，成本低廉，经济效益高，适合大规模工业化生产。
具体实施方式
22.以下对本发明的具体实施方式作进一步地说明。
23.本发明提供的石墨烯负离子再生纤维素复合纤维的制备方法，其包含：步骤1，按比例称取各原料；原料中包含纤维素、石墨烯材料、改性剂、负离子粉；步骤2，使用球磨机对负离子粉进行研磨，然后干燥；步骤3，将纤维素、石墨烯、改性剂分散于溶剂中，通过搅拌使纤维素充分溶解，配制纺丝液；步骤4，将步骤3所得的包含完全溶解的纤维素的纺丝液，使
用干喷湿法纺丝工艺进行纺丝。
24.优选地，该原料中按质量百分比计包含纤维素89％～99％，石墨烯材料0.1％～10％，改性剂0.1％～5％，负离子粉0.1％～5％。
25.改性剂为表面活性剂，采用聚乙二醇、聚乙烯吡络烷酮(pvp)、羟甲基纤维素按质量比为1：(1～2)：(2～3)混合而得。
26.石墨烯材料为机械剥离法、化学气相沉积法、氧化还原法等中任意一种方法制备的石墨烯或氧化石墨烯。
27.负离子粉为电气石和/或稀土元素粉末。
28.步骤2中，使用球磨机对负离子粉进行研磨至粒径小于1μm后，进行干燥。
29.步骤3中，将纤维素、石墨烯、改性剂分散于质量浓度为10～20％的nmmo(n
‑
甲基吗啉
‑
n
‑
氧化物)水溶液中，通过搅拌机充分搅拌50
‑
100min，使纤维素完全溶解，配制纺丝液。
30.纺丝液中按质量百分比计纤维素的浓度为5～15％，纺丝液的粘度为2500～4000pa
·
s。
31.步骤4中，干喷湿法纺丝工艺的纺丝温度为90～95℃，纤维出喷丝板后进入凝固浴前的吹风速度为35
‑
40m/s，凝固浴为nmmo水溶液，溶液中nmmo的质量浓度为10～20％，纺丝速度为1
‑
5m/s。
32.本发明中采用的设备均为本领域内技术人员所知的现有设备。
33.本发明还提供了该方法制备的石墨烯负离子再生纤维素复合纤维。
34.下面结合实施例对本发明提供的石墨烯负离子再生纤维素复合纤维及其制备方法做更进一步描述。
35.实施例1
36.一种石墨烯负离子再生纤维素复合纤维的制备方法，其包含：
37.步骤1，按比例称取各原料；原料中包含纤维素、石墨烯材料、改性剂、负离子粉。
38.优选地，原料中按质量百分比计包含纤维素99％，石墨烯材料0.1％，改性剂0.4％，负离子粉0.5％。
39.改性剂为表面活性剂，采用聚乙二醇、聚乙烯吡络烷酮、羟甲基纤维素按质量比为1：1：2混合而得。
40.石墨烯材料为机械剥离法制备的石墨烯。
41.负离子粉为电气石粉末。
42.步骤2，使用球磨机对负离子粉进行研磨至粒径小于1μm，然后干燥。
43.步骤3，将纤维素、石墨烯、改性剂分散于nmmo水溶液中，通过搅拌机充分搅拌50
‑
100min，使纤维素完全溶解，配制纺丝液。
44.纺丝液中按质量百分比计纤维素的浓度为5～15％，纺丝液的粘度为2500～4000pa
·
s。
45.步骤4，将步骤3所得的包含完全溶解的纤维素的纺丝液，使用干喷湿法纺丝工艺进行纺丝。
46.纺丝温度为90～95℃，纤维出喷丝板后进入凝固浴前的吹风速度为35
‑
40m/s，凝固浴为nmmo水溶液，质量浓度为10～20％，纺丝速度为1
‑
5m/s。
47.本实施例还提供了该方法制备的石墨烯负离子再生纤维素复合纤维。
48.实施例2
49.一种石墨烯负离子再生纤维素复合纤维的制备方法，其包含：
50.步骤1，按比例称取各原料；原料中包含纤维素、石墨烯材料、改性剂、负离子粉。
51.优选地，原料中按质量百分比计包含纤维素93.9％，石墨烯材料1％，改性剂0.1％，负离子粉5％。
52.改性剂为表面活性剂，采用聚乙二醇、聚乙烯吡络烷酮、羟甲基纤维素按质量比为1：2：2混合而得。
53.石墨烯材料为机械剥离法制备的氧化石墨烯。
54.负离子粉为稀土元素粉末。
55.步骤2，使用球磨机对负离子粉进行研磨至粒径小于1μm，然后干燥。
56.步骤3，将纤维素、石墨烯、改性剂分散于nmmo水溶液中，通过搅拌机充分搅拌50
‑
100min，使纤维素完全溶解，配制纺丝液。
57.纺丝液中按质量百分比计纤维素的浓度为5～15％，纺丝液的粘度为2500～4000pa
·
s。
58.步骤4，将步骤3所得的包含完全溶解的纤维素的纺丝液，使用干喷湿法纺丝工艺进行纺丝。
59.纺丝温度为90～95℃，纤维出喷丝板后进入凝固浴前的吹风速度为35
‑
40m/s，凝固浴为nmmo水溶液，质量浓度为10～20％，纺丝速度为1
‑
5m/s。
60.本实施例还提供了该方法制备的石墨烯负离子再生纤维素复合纤维。
61.实施例3
62.一种石墨烯负离子再生纤维素复合纤维的制备方法，其包含：
63.步骤1，按比例称取各原料；原料中包含纤维素、石墨烯材料、改性剂、负离子粉。
64.优选地，原料中按质量百分比计包含纤维素89％，石墨烯材料5％，改性剂5％，负离子粉1％。
65.改性剂为表面活性剂，采用聚乙二醇、聚乙烯吡络烷酮、羟甲基纤维素按质量比为1：2：3混合而得。
66.石墨烯材料为化学气相沉积法制备的石墨烯。
67.负离子粉为电气石和稀土元素粉末。
68.步骤2，使用球磨机对负离子粉进行研磨至粒径小于1μm，然后干燥。
69.步骤3，将纤维素、石墨烯、改性剂分散于nmmo水溶液中，通过搅拌机充分搅拌50
‑
100min，使纤维素完全溶解，配制纺丝液。
70.纺丝液中按质量百分比计纤维素的浓度为5～15％，纺丝液的粘度为2500～4000pa
·
s。
71.步骤4，将步骤3所得的包含完全溶解的纤维素的纺丝液，使用干喷湿法纺丝工艺进行纺丝。
72.纺丝温度为90～95℃，纤维出喷丝板后进入凝固浴前的吹风速度为35
‑
40m/s，凝固浴为nmmo水溶液，质量浓度为10～20％，纺丝速度为1
‑
5m/s。
73.本实施例还提供了该方法制备的石墨烯负离子再生纤维素复合纤维。
74.实施例4
75.一种石墨烯负离子再生纤维素复合纤维的制备方法，其包含：
76.步骤1，按比例称取各原料；原料中包含纤维素、石墨烯材料、改性剂、负离子粉。
77.优选地，原料中按质量百分比计包含纤维素90.9％，石墨烯材料8％，改性剂1％，负离子粉0.1％。
78.改性剂为表面活性剂，采用聚乙二醇、聚乙烯吡络烷酮、羟甲基纤维素按质量比为1：1：3混合而得。
79.石墨烯材料为氧化还原法制备的石墨烯。
80.负离子粉为电气石或稀土元素粉末。
81.步骤2，使用球磨机对负离子粉进行研磨至粒径小于1μm，然后干燥。
82.步骤3，将纤维素、石墨烯、改性剂分散于nmmo水溶液中，通过搅拌机充分搅拌50
‑
100min，使纤维素完全溶解，配制纺丝液。
83.纺丝液中按质量百分比计纤维素的浓度为5～15％，纺丝液的粘度为2500～4000pa
·
s。
84.步骤4，将步骤3所得的包含完全溶解的纤维素的纺丝液，使用干喷湿法纺丝工艺进行纺丝。
85.纺丝温度为90～95℃，纤维出喷丝板后进入凝固浴前的吹风速度为35
‑
40m/s，凝固浴为nmmo水溶液，质量浓度为10～20％，纺丝速度为1
‑
5m/s。
86.本实施例还提供了该方法制备的石墨烯负离子再生纤维素复合纤维。
87.实施例5
88.一种石墨烯负离子再生纤维素复合纤维的制备方法，其包含：
89.步骤1，按比例称取各原料；原料中包含纤维素、石墨烯材料、改性剂、负离子粉。
90.优选地，原料中按质量百分比计包含纤维素89.2％，石墨烯材料10％，改性剂0.5％，负离子粉0.3％。
91.改性剂为表面活性剂，采用聚乙二醇、聚乙烯吡络烷酮、羟甲基纤维素按质量比为1：1.5：2.5混合而得。
92.石墨烯材料为氧化还原法制备的氧化石墨烯。
93.负离子粉为电气石和/或稀土元素粉末。
94.步骤2，使用球磨机对负离子粉进行研磨至粒径小于1μm，然后干燥。
95.步骤3，将纤维素、石墨烯、改性剂分散于nmmo水溶液中，通过搅拌机充分搅拌50
‑
100min，使纤维素完全溶解，配制纺丝液。
96.纺丝液中按质量百分比计纤维素的浓度为5～15％，纺丝液的粘度为2500～4000pa
·
s。
97.步骤4，将步骤3所得的包含完全溶解的纤维素的纺丝液，使用干喷湿法纺丝工艺进行纺丝。
98.纺丝温度为90～95℃，纤维出喷丝板后进入凝固浴前的吹风速度为35
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40m/s，凝固浴为nmmo水溶液，质量浓度为10～20％，纺丝速度为1
‑
5m/s。
99.本实施例还提供了该方法制备的石墨烯负离子再生纤维素复合纤维。
100.对各实施例制备的纤维进行试验，结果如下表1所示。
101.表1.测试结果。
[0102][0103]
本发明提供的石墨烯负离子再生纤维素复合纤维及其制备方法，旨在利用改进的石墨烯分散技术，以及改进的纤维素纤维制备工艺制备一种石墨烯负离子再生纤维素复合纤维，该石墨烯负离子再生纤维素纤维具备抗菌、释放负离子等功能，扩展纤维素纤维应用范围，是一种健康环保的复合纤维。
[0104]
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。