一种表面改性芳纶纤维及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种表面改性芳纶纤维及其制备方法。将清洗后的洁净芳纶纤维浸渍于弱碱性条件下的多巴胺溶液中，得到多巴胺包覆芳纶纤维；通过氧化石墨烯与多巴胺包覆芳纶纤维间的酯化反应及π-π相互作用，在芳纶纤维表面形成高接枝率氧化石墨烯层，制得一种表面改性芳纶纤维。它具有优良的耐紫外性能，并带有大量活性基团，明显改善了芳纶纤维的表面活性，为纤维进一步的改性与应用提供了条件。同时，本发明专利技术在对芳纶纤维进行改性的过程中，无需对芳纶纤维进行预处理，制备过程绿色、环保，操作工艺简单、可控，适于大规模工业化生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种有机纤维的表面接枝改性技术，尤其涉及一种表面改性芳纶纤维及其制备方法。
技术介绍
自从1972年发现芳纶纤维以来，芳纶纤维凭借其优异的综合性能（尤其是超强的抗疲劳性、高模量、高强度、很好的耐热性和化学稳定性）一直引领着众多尖端领域的发展。但是，芳纶纤维的表面缺少活性基团，导致其表面自由能低；同时其抗紫外性能也很差，大大限制了其在各个领域的应用。因此，为获得兼顾良好表面活性和耐紫外性能的芳纶纤维一直受到人们的普遍关注。芳纶纤维的表面改性工作主要包括化学刻蚀改性、化学接枝改性、等离子改性和γ-射线辐射改性等。这些方法大多都是提高芳纶纤维的表面活性及其与树脂间的界面粘附性，但对其耐紫外性能的研究却鲜有报道。此外，在对芳纶纤维进行改性的研究过程中，大量有毒有害的化学试剂的使用，存在着严重的安全隐患，对人体、对环境都会造成不同程度的伤害。而且一般的化学改性速度都很快，不易控制，也很难保证化学反应只发生在纤维表面。此外，这些改性方法对原纤维也会造成了不同程度的损伤，降低芳纶纤维的机械性能等。因而，在保持芳纶纤维原有优良性能的前提下，寻找绿色改性方法是芳纶研发工作的重要发展趋势。目前，对芳纶纤维耐紫外性的研究主要是在芳纶纤维上接枝紫外吸收剂来提高其耐紫外性。常见的有机紫外吸收剂如水杨酸脂类和苯并三唑类等都要求试样具有较高的厚度以获得较高的吸光度，从而获得光稳定化效果，故而并不适用于芳纶纤维，因此优选无机紫外吸收剂。常见的无机紫外吸收剂（如TiO2和ZnO等）的紫外吸收效果很好，但是由于无机纳米粒子具有光催化活性，光产生的电子会使有机纤维表面产生降解，劣化其性能。中国发明专利CN103572583A和CN104404772A中，公开了氧化钙掺杂氧化铈改性芳纶纤维及其制备方法，所制备的芳纶纤维的表面活性和耐紫外性明显优于原芳纶纤维。但是在接枝无机纳米粒子之前需要用酸或碱对芳纶纤维进行预处理，破坏了纤维的结构，降低了纤维的机械性能。氧化石墨烯是一种性能优异的新型碳材料，具有较高的比表面积，其表面带有丰富的含氧官能团，但现有技术中未见将其作为抗紫外剂的报道。中国专利技术专利CN104047160A公开了一种氧化石墨烯表面接枝改性芳纶纤维的方法，具体方法是在芳纶纤维表面包覆多巴胺，然后通过席夫碱反应将氨基化的氧化石墨烯接枝在包覆了多巴胺的芳纶纤维表面。该制备方法可以改善芳纶纤维与树脂基体间的界面性能，但是不能达到良好的抗紫外性。首先，制备过程中，利用席夫碱反应。而席夫碱反应是亲核加成反应，不仅与试剂的亲核性大小有关，还与羰基化合物的结构也有关。这是因为加成反应过程中，羰基碳原子由原来sp2杂化的三角形结构变成了sp3杂化的四面体结构，因此，当碳原子所连基团体积比较大时，加成后基团之间就比原来拥挤，加成产生立体障碍。所以聚多巴胺上的羰基（六元环结构）不易发生席夫碱反应，从而导致席夫碱反应产率很低，故而芳纶纤维表面接枝的氧化石墨烯含量低。其次，接枝的氧化石墨烯含量低导致难以在表面形成均匀及具有一定厚度的包覆层，不能防止紫外线的穿透，从而不能获得良好的抗紫外性能。第三，氧化石墨烯上羧基与乙二胺上氨基的反应会生成酰胺键，该键在紫外灯的照射下会很容易断键，不利于氧化石墨烯优异性能的发挥。综上所述，在保持芳纶纤维原有优异性能的基础上，研发一种兼具表面活性高和耐紫外性强的芳纶纤维及其制备方法，是一个具有重大应用价值的课题。
技术实现思路
本专利技术针对现有的改性芳纶纤维在技术上存在的不足，提供一种表面活性高、耐紫外性能强的改性芳纶纤维及其制备方法。实现本专利技术的目的技术方案是：一种表面改性芳纶纤维的制备方法，包括如下步骤：1、将芳纶纤维依次用丙酮、石油醚和去离子水清洗，干燥，得到洁净芳纶纤维；2、采用缓冲试剂或缓冲液、水和盐酸多巴胺，配制浓度为0.5g/L～5g/L的多巴胺溶液，用无机碱调节多巴胺溶液的pH为8.3～8.8，得到多巴胺溶液A；3、按洁净芳纶纤维与多巴胺的质量比为1～10:1，将步骤1得到的洁净芳纶纤维浸渍于多巴胺溶液A中，在20～30℃的温度下振荡6～24h；反应结束后，取出纤维，经清洗、干燥，得到多巴胺包覆芳纶纤维；4、按质量计，在搅拌条件下，将0.1～0.3份氧化石墨分散于200份溶剂中，超声处理得到氧化石墨烯分散液；将1份步骤3得到的多巴胺包覆芳纶纤维加入到氧化石墨烯分散液中，在温度为50～70℃的条件下反应2～10h；反应结束后，取出纤维，经清洗、干燥，得到氧化石墨烯接枝的芳纶纤维，即表面改性芳纶纤维。本专利技术所述的缓冲试剂或缓冲液为Tris-HCl、磷酸氢二钠-磷酸二氢钠缓冲液中的一种。所述的无机碱为氢氧化钠、氢氧化钾中的一种。所述的溶剂为乙醇、丙酮、正丁醇、N,N-二甲基甲酰胺、水中的一种。本专利技术技术方案还包括按上述制备方法得到的一种表面改性芳纶纤维。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：１、本专利技术利用氧化石墨烯表面的活性基团与聚多巴胺表面的大量羟基发生酯化反应的原理，由于酯化反应中羰基碳一端连接羟基，反应过程位阻小，因此酯化易于进行，从而有利于氧化石墨烯接枝于纤维上，并获得高接枝率，因此，本专利技术制备的改性芳纶纤维表面被氧化石墨烯层完全包覆且具有一定厚度。在此基础上，利用氧化石墨烯与聚多巴胺之间的π-π作用，增加纤维表面的氧化石墨烯层的厚度和包覆范围，不仅能使芳纶纤维完全被氧化石墨烯覆盖，而且外层的氧化石墨烯经过紫外光辐射后表面的含氧基团能被还原，更好地保护芳纶纤维，因此，本专利技术公开的改性纤维具有突出的耐紫外性。2、本专利技术技术方案中，氧化石墨烯与聚多巴胺间发生的酯化反应，以去离子水等为溶剂，且反应条件温和，操作工艺绿色环保，简单易行。3、氧化石墨烯与聚多巴胺间的酯化反应消耗氧化石墨烯表面的-COOH，因此包覆于芳纶纤维表面的氧化石墨烯依然带有大量活性基团（如羟基、羧基、环氧等），这些活性基团不仅能明显改善芳纶纤维的表面活性，提高纤维与树脂的界面作用力，而且为纤维进一步的改性与应用提供了物质保障。4、在改性芳纶纤维制备过程中，没有引入或者生成耐紫外性能差的物质和基团，从而确保改性芳纶纤维具有优异的耐紫外性能。5、改性纤维的制备过程利用多巴胺在弱碱性条件下以其超强的粘附力直接均匀包覆在芳纶纤维表面，没有对芳纶纤维进行预处理，避免了预处理过程对芳纶纤维带来的结构与性能损伤。整个改性芳纶纤维的制备过程绿色、环保，操作简单、易控，适于大规模进行。附图说明图1是本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种表面改性芳纶纤维的制备方法，其特征在于包含如下步骤：（1）将芳纶纤维依次用丙酮、石油醚和去离子水清洗，干燥，得到洁净芳纶纤维；（2）采用缓冲试剂或缓冲液、水和盐酸多巴胺，配制浓度为0.5g/L～5g/L的多巴胺溶液，用无机碱调节多巴胺溶液的pH为8.3～8.8，得到多巴胺溶液A；（3）按洁净芳纶纤维与多巴胺的质量比为1～10:1，将步骤（1）得到的洁净芳纶纤维浸渍于多巴胺溶液A中，在20～30℃的温度下振荡6～24h；反应结束后，取出纤维，经清洗、干燥，得到多巴胺包覆芳纶纤维；（4）按质量计，在搅拌条件下，将0.1～0.3份氧化石墨分散于200份溶剂中，超声处理得到氧化石墨烯分散液；将1份步骤（3）得到的多巴胺包覆芳纶纤维加入到氧化石墨烯分散液中，在温度为50～70℃的条件下反应2～10h；反应结束后，取出纤维，经清洗、干燥，得到氧化石墨烯接枝的芳纶纤维，即表面改性芳纶纤维。

【技术特征摘要】
1.一种表面改性芳纶纤维的制备方法，其特征在于包含如下步骤：
（1）将芳纶纤维依次用丙酮、石油醚和去离子水清洗，干燥，得到洁净芳纶纤维；
（2）采用缓冲试剂或缓冲液、水和盐酸多巴胺，配制浓度为0.5g/L～5g/L的多巴胺溶
液，用无机碱调节多巴胺溶液的pH为8.3～8.8，得到多巴胺溶液A；
（3）按洁净芳纶纤维与多巴胺的质量比为1～10:1，将步骤（1）得到的洁净芳纶纤维浸
渍于多巴胺溶液A中，在20～30℃的温度下振荡6～24h；反应结束后，取出纤维，经清洗、干
燥，得到多巴胺包覆芳纶纤维；
（4）按质量计，在搅拌条件下，将0.1～0.3份氧化石墨分散于200份溶剂中，超声处理得
到氧化石墨烯分散液；将1份步骤（3）得到的多巴胺包...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾嫒娟，朱姣姣，梁国正，袁莉，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32