一种基于改性竹炭的多功能聚酯纤维及其制备方法与流程

本发明属于功能纤维，尤其涉及一种基于改性竹炭的多功能聚酯纤维及其制备方法。

背景技术：

1、随着生活水平的快速提高，人们对安全、环保和保健的要求越来越高。远红外抗静电聚酯纤维具有良好的保温保健功能，符合人们的需求。目前，远红外抗静电纤维常采用纳米陶瓷粉体、石墨烯等材料作为功能添加剂制备。然而，纳米粉体的表面能高，与聚酯的相容性差，在聚酯纤维中容易团聚，导致纺丝困难，甚至损坏纺丝设备。此外，聚酯纤维极易燃烧，且在燃烧过程中熔滴现象严重，严重限制其在填充物、室内家居等领域的应用。

2、参考文献(孙海波,王双成,马军强,等.生物质石墨烯改性再生聚酯纤维的制备及性能[j].棉纺织技术,2019,47(12):6-8；王双成,马军强.生物质石墨烯内暖绒的制备和应用[c].//“恒天立信杯”第29届(2016年)全国针织染整学术研讨会论文集.2016:4-6.)采用石墨烯通过聚合物熔融共混纺丝方法制备出石墨烯改性再生聚酯纤维，提高了聚酯纤维的抗菌性能和远红外性能；然而石墨烯的成本极高，目前石墨烯的批量化生产仍然存在较大问题，其产品主要以石墨片为主，且石墨烯因其特殊的层级结构，极易团聚，导致在纤维中分散不均匀，限制了石墨烯在聚酯纤维中的应用。

3、纳米竹炭是以原生竹材经过高温炭化形成的多孔性材料，质地坚硬、细密多孔，吸附能力强。纳米竹炭具有良好的抗菌性能以及远红外调温性能，且原料易得、价格低廉，在纺织品领域也得到了较多应用。参考文献(庄容.锰氧化物气凝胶复合材料的制备及电容储能性能研究[d].北京:北京化工大学,2020.)在冰水浴中原位聚合对竹基活性炭进行改性，制备竹基活性炭/聚苯胺复合材料。参考文献(孙康,蒋剑春,卢辛成,等.表面掺氮活性炭的制备及其甲醛吸附性能研究[j].林产化学与工业,2014,34(4):77-82.)以苯胺为氮源，在活性炭表面原位聚合、炭化制备掺氮活性炭，提高了活性炭对甲醛的吸附性能。然而，聚苯胺改性活性炭依然与聚酯纤维的相容性差，无法直接用于聚酯纤维的熔融添加改性；且聚苯胺改性活性炭的阻燃性能差，无法有效提高聚酯织物的阻燃防熔滴性能。

4、基于以上背景，基于竹炭开发兼多功能聚酯纤维很有市场前景。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于改性竹炭的多功能聚酯纤维及其制备方法，首先采用聚苯胺通过原位聚合法对纳米竹炭进行表面改性，然后依次采用三氯氧磷、对羟基苯乙醇和甲醇对改性竹炭进行处理，得到多功能竹炭。最后，采用多功能竹炭和聚酯材料通过熔融共混的方式进行造粒、熔融纺丝的方式进行纺丝，制备基于改性竹炭的多功能聚酯纤维。

2、本发明的第一个目的是提供一种基于改性竹炭的多功能聚酯纤维的制备方法，包括以下步骤：

3、s1、在催化剂的作用下，纳米竹炭、苯胺和聚苯胺掺杂剂在水中进行反应，得到聚苯胺改性竹炭；

4、s2、将s1所述的聚苯胺改性竹炭分散在溶剂中，先后加入三氯氧磷、对羟基苯乙醇和甲醇进行反应，得到多功能竹炭；

5、s3、对s2所述的多功能竹炭和聚酯粉末进行造粒，得到多功能聚酯母粒；

6、s4、对s3所述的多功能聚酯母粒和聚酯切片进行纺丝，得到所述的基于改性竹炭的多功能聚酯纤维。

7、在本发明的一个实施例中，在s1中，所述催化剂选自过硫酸铵和/或高碘酸钠；所述聚苯胺掺杂剂选自磷酸。

8、在本发明的一个实施例中，在s1中，所述纳米竹炭和苯胺的质量比为4-5:1，苯胺和苯胺掺杂剂的摩尔比为7-10:1，苯胺和催化剂的摩尔比为1:1-1.2。

9、在本发明的一个实施例中，在s1中，所述反应的温度为10℃-35℃，时间为3h-5h，反应时间过短则改性不完全，反应时间过长则浪费，在提供的时间范围内，可在纳米竹炭表面生成聚苯胺；聚苯胺改性可提高纳米竹炭表面的活性氨基含量，提高材料的反应性能，导电性以及抗静电性能。

10、在本发明的一个实施例中，在s2中，所述聚苯胺改性竹炭、三氯氧磷、对羟基苯乙醇和甲醇的摩尔比为3-3.5:1:2-2.2:0.5-1。

11、在本发明的一个实施例中，在s2中，加入三氯氧磷后的反应温度为10℃-20℃，反应时间为4h-5h，聚苯胺改性纳米竹炭表面富含的氨基可与三氯氧磷的活性氯发生亲核取代反应，使得三氯氧磷第一个活性氯参与反应；加入对羟基苯乙醇后的反应温度为35℃-40℃，反应时间为3h-4h，理论上两摩尔对羟基苯乙醇与一摩尔三氯氧磷剩余的活性氯反应，对羟基苯乙醇的脂肪族端羟基与三氯氧磷的反应活性高，且空间位阻小，优先与三氯氧磷的活性氯发生反应；加入甲醇继续反应1h-2h，将未参与反应的活性氯进行封端反应。

12、在本发明的一个实施例中，在s2中，所述溶剂选自三氯甲烷、二氯甲烷和四氢呋喃中的一种或多种。

13、进一步地，在s2中，所述溶剂为三氯甲烷。

14、在本发明的一个实施例中，在s3之前，还包括对所述多功能竹炭和聚酯粉末进行干燥的步骤，所述多功能竹炭的干燥温度为60℃-80℃，例如可以为60℃、61℃、62℃、63℃、64℃、65℃、66℃、67℃、68℃、69℃、70℃、71℃、72℃、73℃、74℃、75℃、76℃、77℃、78℃、79℃、80℃；干燥时间为7h-9h，例如可以为7h、8h、9h；所述聚酯粉末的干燥温度为120℃-130℃，例如可以为120℃、121℃、122℃、123℃、124℃、125℃、126℃、127℃、128℃、129℃、130℃；时间为10h-12h，例如可以为10h、11h、12h。

15、在本发明的一个实施例中，在s3中，所述造粒是通过双螺杆挤出机进行熔融共混、挤出成型、冷却切粒；所述造粒的温度为255℃-270℃；加工温度过低，无法将多功能竹炭和聚酯粉末混合均，不利于造粒，温度过高则会造成能源浪费。

16、在本发明的一个实施例中，在s3中，所述多功能聚酯母粒中多功能竹炭的质量分数为25％-30％，例如可以为25％、26％、27％、28％、29％、30％。

17、在本发明的一个实施例中，在s4之前，还包括对所述多功能聚酯母粒和聚酯切片进行干燥的步骤，所述干燥是先以90℃-110℃预结晶3h-4h，然后以120℃-140℃干燥10h-15h，保证多功能聚酯母粒和聚酯切片的最终水分低于100ppm。

18、在本发明的一个实施例中，在s4中，所述纺丝是通过熔融纺丝机进行纺丝、冷却后上油、预牵伸、卷绕、牵伸；所述纺丝的工艺参数为：速度为2500m/min-2800m/min，温度为280℃-290℃，牵引倍率为1.5-2。

19、在本发明的一个实施例中，在s4中，所述基于改性竹炭的多功能聚酯纤维中多功能聚酯母粒的质量分数为15％-20％，例如可以为15％、16％、17％、18％、19％、20％。

20、本发明的第二个目的是提供一种所述的方法制备得到的基于改性竹炭的多功能聚酯纤维。

21、在本发明的一个实施例中，所述基于改性竹炭的多功能聚酯纤维的远红外法向发射率为0.91-0.93，远红外辐射升温为2.5℃-3.2℃，表面温度升高比普通纤维高20.5℃-23.9℃，抗静电均达到a级，极限氧指数为29.2％-32.3％，断裂强力为3.2cn/detx-3.4cn/detx。

22、本发明的技术方案相比现有技术具有以下优点：

23、(1)本发明所述的制备方法采用聚苯胺通过原位聚合法对纳米竹炭颗粒进行表面改性，使得纳米竹炭表面富含氨基，改性纳米竹炭表面粗糙，有助于增强纳米竹炭的远红外发射性能，且聚苯胺结构具有较强的导电性能，因此改性纳米竹炭具有优异的远红外性能和抗静电性能。

24、(2)本发明所述的制备方法采用的三氯氧磷的三个活性氯反应温度不同，控制反应物之间的比例以及反应温度使得三氯氧磷对聚苯胺改性纳米竹炭进行接枝，且后续依次采用对羟基苯乙醇和甲醇进行接枝反应；除了上述共价键结合，对羟基苯乙醇还可与纳米竹炭表面的聚苯胺通过π-π堆积作用产生结合，因此磷酸酯结构、对羟基苯乙醇与聚苯胺改性纳米竹炭具有优异的结合能力，从而包覆在纳米竹炭表面，而外层的对羟基苯乙醇与聚酯的相容性好，在聚酯纤维中分散均匀，不仅具有较高的功能性，且对聚酯纤维的强力性能损伤较小。

25、(3)本发明所述的制备方法的多功能竹炭中的磷酸酯结构以及聚苯胺的掺杂磷酸可充当酸源，聚苯胺富含氮元素充当气源，聚苯胺和对羟基苯乙醇富含芳香族结构、纳米竹炭充当碳源，因此多功能竹炭中各组分协同构建膨胀阻燃体系，具有较高的阻燃效率。