高性能的石墨烯复合对位芳纶纤维及其制备方法、应用技术

本发明专利技术提供了一种高性能的石墨烯复合对位芳纶纤维，主要由石墨烯类物质与聚对苯二甲酰对苯二胺组成；所述石墨烯复合对位芳纶纤维中，石墨烯类物质的含量在5wt％以下。本发明专利技术制备的石墨烯复合对位芳纶纤维石墨烯类物质可以保持较高的含量，石墨烯颗粒依然分散比较均匀，颗粒大小也比较均一，纤维本身的拉伸强度等指标也均有了质的提高，并且还额外赋予了对位芳纶纤维材料优异的抗菌性能。

【技术实现步骤摘要】
高性能的石墨烯复合对位芳纶纤维及其制备方法、应用
本专利技术涉及芳纶纤维加工制备领域，具体而言，涉及一种高性能的石墨烯复合对位芳纶纤维及其制备方法、应用。
技术介绍
对位芳纶作为芳纶纤维中最主要的品种,在高性能纤维领域占据重要地位，得到了大规模生产和应用。对位芳纶在宇宙探索、航空航天、国防军工、水陆交通、绳索光缆、体育休闲等领域有重要应用，此外，随着低碳经济的发展，芳纶在新能源及节能减排方面的应用将受到重视。对位芳纶是对位芳香族聚酰胺纤维的简称，是指“酰胺键连接的由对位芳香基组成的线型大分子构成的”合成纤维，其中有85％以上的酰胺键直接与两个芳基连接。主要种类有：(1)芳纶14，即聚对苯甲酰胺纤维,国内也称芳纶Ⅰ；(2)芳纶1414，即聚对苯二甲酰对苯二胺纤维(PPTA)，国内也称芳纶Ⅱ，代表产品有美国杜邦的Kevlar和日本帝人的Tw-aron；(3)多元共聚芳纶，代表产品有日本帝人生产的Technora；(4)杂环芳纶，这类芳纶的高分子主链中都含有芳杂环单元，代表产品有俄罗斯生产的APMOC、SVM、Rusar以及我国生产的芳纶Ⅲ等。一般合成对位芳纶的基本原料采用的是对苯二胺(PPDA)和对苯二甲酰氯(TPC)。世界各国采用的技术路线均为低温溶液缩聚-干湿法纺丝，生产过程和主要技术关键如下：低温溶液缩聚：先将PPDA溶于含5％CaCl2的N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，并冷却至-10℃以下，然后，通过精密计量装置将等摩尔的PPDA-NMP溶液和TPC送入双螺杆反应器进行低温溶液缩聚，反应生成物经沉析、水洗、干燥后，即为PPTA树脂。干湿法纺丝：PPTA-H2SO4纺丝液具有溶致性向列型液晶的特征，向列型液晶的分子在外力作用下，会沿着作用力的方向取向，这和纤维的取向是一致的。液晶纺丝正是利用了这一特性发展起来的，当纺丝液通过纺丝孔时，大分子会在高剪切应力作用下取向，这种具有一维取向结构的液流经空气层，在低温凝固浴中凝固成形，即得高结晶、高取向的高强度纤维。现有技术中，在改性对位芳纶纤维方面作了诸多研究，比如专利CN100543074C制备了包含PPTA和纳米管的复合材料，该专利使用单壁碳纳米管为原料，由于单壁碳纳米管价格昂贵，给产品商业化带来巨大负担，同时本专利中纳米管溶解于浓硫酸后降温至浓硫酸凝固点，使混合物凝固，添加PPTA后，需加热至凝固点以上使混合物混合，该溶解过程使生产流程变得复杂，增加了生产成本。另外，专利CN102839444A公开了一种黑色对位芳纶纤维的制备方法，包括以下步骤：1)将多壁碳纳米管在浓硫酸中分散，得到碳纳米管分散液，其中：多壁碳纳米管与浓硫酸的重量比为1：(100～500)，多壁碳纳米管的平均壁数为2～6，平均直径为1～20nm，平均长度为0.5～20μm；2)将聚对苯二甲酰对苯二胺溶解于碳纳米管分散液中，制得纺丝原液，聚对苯二甲酰对苯二胺与碳纳米管分散液的重量比为1：(3.9-4.1)，其中：聚对苯二甲酰对苯二胺的特性粘度为6～8dL/g；3)将纺丝原液过滤、脱泡后通过干喷湿纺法进行纺丝、碱洗、水洗、烘干、热处理后得到黑色对位芳纶纤维。该专利虽然解决了常规纺后染色制得纤维色牢度低、强力低的问题，并且与未染色的芳纶纤维相比，所得到的黑色对位芳纶纤维的强度也有提高。但是这种对位芳纶纤维本身功能性比较单一，与未改性的对位芳纶纤维相比并没有赋予更多的优良性能，而且虽然强度略有提高但是还是不能满足当今市场的需求。有鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
本专利技术的第一目的在于提供一种具有高性能的石墨烯复合对位芳纶纤维，该复合型纤维中，石墨烯类物质可以保持较高的含量，石墨烯颗粒依然分散比较均匀，颗粒大小也比较均一，团聚颗粒产生较少，这样纤维本身的拉伸强度、模量等指标也均有了质的提高，并且还额外赋予了对位芳纶纤维材料优异的抗菌性能、优良的韧性、耐热水性和抗静电性能，采用的原料成本低，投资少，如此一来进一步扩大了纤维材料的市场应用范围，提高了产品的附加值，也有利于进一步推广应用。本专利技术的第二目的在于提供一种上述高性能的石墨烯复合对位芳纶纤维的制备方法，该制备方法前后步骤衔接紧密，方法简单快捷，与现有生产工艺设备和流程可实现无缝对接，具有能完整保留原料的有效成份的优点，而且具有方法简单易于操作，操作条件温和，可实现石墨烯复合对位芳纶纤维的工业化生产、经济效益良好。本专利技术的第三目的在于提供上述具有高性能的石墨烯复合对位芳纶纤维的应用，该复合纤维材料应用非常广泛，可广泛应用于各个行业。为了实现本专利技术的上述目的，特采用以下技术方案：本专利技术实施例提供了一种高性能的石墨烯复合对位芳纶纤维产品，其主要由石墨烯类物质与聚对苯二甲酰对苯二胺组成；该石墨烯复合对位芳纶纤维中，石墨烯类物质的含量在5wt％以下，进一步的为0.5wt％-3wt％之间，更进一步的为1wt％-2.5wt％之间。现有技术中，多采用的是纳米管针对PPTA进行改性，虽然通过利用纳米管本身的优良性能，能够解决纤维常规纺丝后染色制得纤维色牢度低、强力低的问题，并且与未染色的芳纶纤维相比，所得到的黑色对位芳纶纤维的强度也有提高，但是通过添加碳纳米管改性的芳纶纤维本身功能性比较单一，与未改性的对位芳纶纤维相比并没有赋予更多的优良性能，还有就是强度上有所提升但是还不能完全满足当今市场的需求，另外本身碳纳米管的价格也比较高，无形之中提高了原料成本，不利于广泛推广应用。本专利技术为了解决现有技术中存在的诸多技术问题，提供了一种高性能的石墨烯复合对位芳纶纤维产品，通过将石墨烯类物质与对位芳纶复合以提升纤维产品本身的性能，现有技术中关于采用石墨烯针对对位芳纶纤维进行改性的技术方面还没有见任何报道，本专利技术的方案尚属首创。其中，该石墨烯复合对位芳纶纤维中，石墨烯类物质的含量在5wt％以下，因为石墨烯含量如果太高会容易导致石墨烯与PPTA脱离，石墨烯颗粒在对位芳纶纤维中发生团聚，分散性不好，进而影响到复合纤维产品的性能，因此石墨烯类物质的含量需要控制在适宜的范围内以保证优良的分散性，这个范围也是专利技术人通过大量的实践经验最终优化出的比较适宜的含量，更优的石墨烯类物质的含量控制在为0.5wt％-3wt％之间，或者1wt％-2.5wt％之间，还可以为0.05wt％-0.15wt％之间，除此之外例如为1wt％、1.5wt％、2wt％、2.5wt％、3.5wt％、4wt％等。本专利技术的石墨烯复合对位芳纶纤维石墨烯含量本身比较高，但是颗粒分散比较均一，且对位芳纶纤维本身的强度得到了进一步的提高，还额外赋予了对位芳纶纤维材料优异的抗菌性能、优良的韧性、耐热水性和抗静电性能，采用的原料成本低，投资少，如此一来进一步扩大了纤维材料的市场应用范围，提高了产品的附加值，也有利于进一步推广应用。本专利技术所采用的石墨烯类物质包括石墨烯、生物质石墨烯、氧化石墨烯、石墨烯衍生物的一种或几种混合，所述石墨烯衍生物为经过改性的石墨烯。优选地，所述石墨烯衍生包括元素掺杂石墨烯或官能团化石墨烯物中的任意1种或至少2种的组合。优选地，所述元素掺杂石墨烯包括金属掺杂石墨烯或非金属元素掺杂石墨烯中的任意1种或至少2种的组合。所述金属掺杂的金属元素典型但非限制性的包括钾、钠、金、银、铁、铜、镍、铬钛、钒或钴。所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高性能的石墨烯复合对位芳纶纤维，其特征在于，主要由石墨烯类物质与聚对苯二甲酰对苯二胺组成；所述石墨烯复合对位芳纶纤维中，石墨烯类物质的含量在5wt％以下，进一步的为0.5wt％‑3wt％之间，更进一步的为1wt％‑2.5wt％之间。

【技术特征摘要】
1.一种高性能的石墨烯复合对位芳纶纤维，其特征在于，主要由石墨烯类物质与聚对苯二甲酰对苯二胺组成；所述石墨烯复合对位芳纶纤维中，石墨烯类物质的含量在5wt％以下，进一步的为0.5wt％-3wt％之间，更进一步的为1wt％-2.5wt％之间。2.根据权利要求1所述的石墨烯复合对位芳纶纤维，其特征在于，石墨烯类物质的D90指标控制在70μm以下；优选地，石墨烯类物质的D90指标控制在50μm以下，优选为30μm以下，更优选为5-25μm之间。3.根据权利要求1所述的石墨烯复合对位芳纶纤维，其特征在于，石墨烯类物质的D10指标控制在20um以下；优选地，D90指标控制在D10指标的20倍以下，优选10倍以下，更优选为5倍以下。4.根据权利要求1所述的石墨烯复合对位芳纶纤维，其特征在于，石墨烯类物质包括石墨烯、生物质石墨烯、氧化石墨烯、石墨烯衍生物的一种或几种的混合，所述石墨烯衍生物包括元素掺杂的石墨烯；优选地，所述石墨烯衍生包括元素掺杂石墨烯或官能团化石墨烯物中的任意1种或至少2种的组合；优选地，所述元素掺杂石墨烯包括金属掺杂石墨烯或非金属元素掺杂石墨烯中的任意1种或至少2种的组合；所述金属掺杂的金属元素典型但非限制性的包括钾、钠、金、银、铁、铜、镍、铬钛、钒或钴；所述非金属元素掺杂石墨烯典型但非限制性的包括氮、磷、硅、硼或硅；优选地，所述非金属元素掺杂石墨烯包括氮掺杂石墨烯、磷掺杂石墨烯或硫掺杂石墨烯中的任意1种或至少2种的组合；优选地，所述官能团化石墨烯包括接枝有官能团的石墨烯；优选地，所述官能团化石墨烯包括接枝有羟基、羧基或氨基中的任意1种或至少2种的组合的石墨烯；其中，所述羟基包括R1-OH，所述R1包括烷烃基，典型但非限制性的羟基包括甲基羟基、乙基羟基、丙基羟基、丁基羟基、戊基羟基、己基羟基中的其中一种；所述羧基包括R2-COOH，所述R2包括烷烃基，典型但非限制性的羟基包括甲基羟基、乙基羟基、丙基羟基、丁基羟基、戊基羟基、己基羟基中的其中一种；所述羧基包括R3-NH3，所述R3包括烷烃基，典型但非限制性的羟基包括甲基羟基、乙基羟基、丙基羟基、丁基羟基、戊基...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐一林，张金柱，王双成，刘顶，
申请(专利权)人：济南圣泉集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37