高强高韧仿生纤维的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种高强高韧仿生纤维的制备方法。该方法利用湿法纺丝成型工艺原理，采用聚氨酯和纳米纤维素晶须为主要原料，通过对纳米纤维素晶须进行表面改性，再将改性后的纳米纤维素晶须与聚氨酯配制成铸膜液，成膜后将得到的复合膜溶解于三元溶剂中，采用湿法纺丝工艺制成初生纤维后，再在热环境中进行牵伸及螺旋取向处理，经加热定型、卷绕和烘干处理后，得到高强高韧仿生纤维。通过上述方式，本发明专利技术能够使聚氨酯分子链折叠缠绕纳米纤维素晶须，形成类似于天然蜘蛛丝和蚕丝的多级界面结构，并有效提高界面相容性以及聚氨酯和纳米纤维素晶须之间的作用力，从而制备出结构致密且具有高强度和高韧性的仿生纤维。有高强度和高韧性的仿生纤维。有高强度和高韧性的仿生纤维。

Preparation method of bionic fiber with high strength and toughness

【技术实现步骤摘要】
高强高韧仿生纤维的制备方法


[0001]本专利技术涉及轻质高强纳米材料制备
，尤其涉及一种高强高韧仿生纤维的制备方法。

技术介绍

[0002]聚氨酯是一种由软硬段结构交替构成的嵌段聚合物，其软段在室温下处于高弹态，可以产生较大的拉伸变形，而硬段为软段的伸长和变形提供节点。基于聚氨酯材料特殊的机械、物理、生物和化学性能，聚氨酯及其复合材料整体表现出了良好的强度、断裂伸长率和回弹性，已经被广泛的应用在纺织及其相关的行业领域，如：国防、交通、医疗、体育和能源等，在国民经济中占有非常重要的地位。如何进一步提高聚氨酯及其复合材料的力学性能并扩展其用途，是国内外重要的研究热点之一。
[0003]纳米材料增强聚合物复合材料因其特有的、吸引人的力学性能和独特的性能而逐渐受到人们的关注。因此，具有高强度和优异能量吸收特性的纳米材料，可以作为有效的抗冲击填料来改善聚合物的力学性能。然而，许多纳米材料与聚合物基体的分散性和界面相容性并不理想，提高纳米材料与
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聚合物界面间的相容性似乎是实现聚合物复合材料力学性能增强的重要途径之一。
[0004]公开号为CN108085772A的专利提供了一种纤维素纳米纤丝增强聚氨酯纤维及其制备方法与应用。该专利通过在聚氨酯溶液中引入纤维素纳米纤丝，使其在硅烷改性剂的作用下均匀分散；并通过调节牵伸倍率，实现纤维素纳米纤丝在聚氨酯纤维中沿径向紧密排列，起到增强作用；同时，该专利还利用了作为增强项的纤维素纳米纤丝表面的大量
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OH，使其在干燥过程中结合聚氨酯硬段中的
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C＝O和
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NH形成紧密的氢键连接，增强聚氨酯纤维的强度。然而，该专利提供的方法虽然能够在一定程度上提高聚氨酯纤维的强度，但聚氨酯与纤维素纳米纤丝之间的界面作用力仍相对较弱，在湿法纺丝过程中容易形成皮芯结构，恶化其力学性能；且该方法制得的聚氨酯与纤维素纳米纤丝之间的界面结构较为单一，难以有效提升聚氨酯纤维的强度和韧性。
[0005]有鉴于此，有必要对聚氨酯和纳米材料之间的复合方式进行改进，制备一种高强高韧的纤维，以解决上述问题。

技术实现思路

[0006]针对上述现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种高强高韧仿生纤维的制备方法。通过先将硅烷偶联剂改性后的纳米纤维素晶须与聚氨酯配制成铸膜液，成膜后再将得到的复合膜溶解于三元溶剂中，经湿法纺丝制成初生纤维后，再在热环境中进行牵伸及螺旋取向等处理工序，使聚氨酯分子链折叠缠绕纳米纤维素晶须，形成类似于天然蜘蛛丝和蚕丝的多级界面结构，从而制备出具有高强度和高韧性的仿生纤维。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了一种高强高韧仿生纤维的制备方法，包括如下步骤：
[0008]S1、利用硅烷偶联剂对纳米纤维素晶须进行表面改性，再将改性后的纳米纤维素晶须加入二甲亚砜中，充分分散后再加入热塑性聚氨酯，充分溶解后形成铸膜液；
[0009]S2、将步骤S1得到的所述铸膜液铺膜后进行烘干处理，得到复合膜；
[0010]S3、将步骤S2得到的所述复合膜置于由二甲亚砜、N,N
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二甲基甲酰胺和甲苯混合而成的三元溶剂中，充分溶解后形成纺丝原液；采用湿法纺丝技术，使所述纺丝原液通过喷丝头后形成的纺丝细流进入凝固浴，在预定的牵伸倍数下凝固成型为初生纤维；
[0011]S4、将步骤S3得到的所述初生纤维在热环境中进行牵伸及螺旋取向处理，再经过加热定型、卷绕和烘干处理，得到高强高韧仿生纤维。
[0012]作为本专利技术的进一步改进，在步骤S1中，所述表面改性具体包括如下步骤：
[0013]在无水乙醇和水的混合溶液中加入所述硅烷偶联剂，调节pH至3.5～4.5，充分搅拌后得到水解液；
[0014]在所述水解液中加入所述纳米纤维素晶须，充分搅拌后经洗涤、干燥，得到改性后的纳米纤维素晶须。
[0015]作为本专利技术的进一步改进，所述水解液中所述硅烷偶联剂的质量分数为2％～4％，所述纳米纤维素晶须与所述水解液的质量比为1～5:100。
[0016]作为本专利技术的进一步改进，在步骤S1中，所述铸膜液的固含量为10％～15％，所述改性后的纳米纤维素晶须占所述铸膜液的固含量的0.5％～5％。
[0017]作为本专利技术的进一步改进，在步骤S3中，所述三元溶剂中二甲亚砜、N,N
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二甲基甲酰胺和甲苯的质量比为1～3:1:2～4；所述纺丝原液的固含量为25％～35％。
[0018]作为本专利技术的进一步改进，在步骤S3中，所述预定的牵伸倍数为1.2～2.0；所述凝固浴的温度为30～50℃。
[0019]作为本专利技术的进一步改进，在步骤S4中，所述热环境的温度为50～80℃，所述螺旋取向处理的螺旋取向捻度为150～450T/m。
[0020]作为本专利技术的进一步改进，在步骤S4中，所述加热定型的温度为40～60℃，所述烘干处理的温度为100℃。
[0021]作为本专利技术的进一步改进，在步骤S1中，所述纳米纤维素晶须的长度为120～220nm，直径为8～12nm。
[0022]作为本专利技术的进一步改进，在步骤S1中，所述硅烷偶联剂为γ
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氨基丙基三甲氧基硅烷、γ
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氨基丙基三乙氧基硅烷、γ
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(2,3
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环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、γ
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甲基丙烯酸氧基丙基三甲氧基硅烷、γ
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巯丙基三乙氧基硅烷、γ
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巯丙基三甲氧基硅烷中的一种或者几种混合。
[0023]本专利技术的有益效果是：
[0024](1)本专利技术提供的高强高韧仿生纤维的制备方法，利用湿法纺丝成型工艺原理，采用聚氨酯和纳米纤维素晶须为主要原料，通过对纳米纤维素晶须进行表面改性，再将改性后的纳米纤维素晶须与聚氨酯配制成铸膜液，成膜后将得到的复合膜溶解于三元溶剂中，采用湿法纺丝工艺制成初生纤维后，再在热环境中进行牵伸及螺旋取向等处理工序，使聚氨酯分子链折叠缠绕纳米纤维素晶须，形成类似于天然蜘蛛丝和蚕丝的多级界面结构，从而制备出具有高强度和高韧性的仿生纤维。本专利技术提供的高强高韧仿生纤维的制备方法不仅能够制备出力学性能优异的复合纤维，且制备工艺简单、可控性强，能够满足工业化大规
模生产的需求，具有较高的实际应用价值。
[0025](2)本专利技术通过使用硅烷偶联剂对纳米纤维素晶须进行表面改性，能够加强纳米纤维素晶须与聚氨酯基体间的界面相容性，提高纳米纤维素晶须在聚氨酯基体中的分散性。在对纳米纤维素晶须进行表面改性后，本专利技术通过采用高介电常数的二甲亚砜作为溶剂对聚氨酯和纳米纤维素晶须进行溶解与分散，并制备固含量较低的铸膜液，不仅能够使改性纳米纤维素晶须更易分散，还能够进一步增加纳米纤维素晶须与聚氨酯间的界面作用力，使聚氨酯分子链能够更好地包裹住纳米纤维素晶须。
[0026](3)与传统常用的单一的N,N
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二甲基甲酰胺本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高强高韧仿生纤维的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、利用硅烷偶联剂对纳米纤维素晶须进行表面改性，再将改性后的纳米纤维素晶须加入二甲亚砜中，充分分散后再加入热塑性聚氨酯，充分溶解后形成铸膜液；S2、将步骤S1得到的所述铸膜液铺膜后进行烘干处理，得到复合膜；S3、将步骤S2得到的所述复合膜置于由二甲亚砜、N,N
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二甲基甲酰胺和甲苯混合而成的三元溶剂中，充分溶解后形成纺丝原液；采用湿法纺丝技术，使所述纺丝原液通过喷丝头后形成的纺丝细流进入凝固浴，在预定的牵伸倍数下凝固成型为初生纤维；S4、将步骤S3得到的所述初生纤维在热环境中进行牵伸及螺旋取向处理，再经过加热定型、卷绕和烘干处理，得到高强高韧仿生纤维。2.根据权利要求1所述的高强高韧仿生纤维的制备方法，其特征在于：在步骤S1中，所述表面改性具体包括如下步骤：在无水乙醇和水的混合溶液中加入所述硅烷偶联剂，调节pH至3.5～4.5，充分搅拌后得到水解液；在所述水解液中加入所述纳米纤维素晶须，充分搅拌后经洗涤、干燥，得到改性后的纳米纤维素晶须。3.根据权利要求2所述的高强高韧仿生纤维的制备方法，其特征在于：所述水解液中所述硅烷偶联剂的质量分数为2％～4％，所述纳米纤维素晶须与所述水解液的质量比为1～5:100。4.根据权利要求1所述的高强高韧仿生纤维的制备方法，其特征在于：在步骤S1中，所述铸膜液的固含量为10％～15％，所述改性后的纳米纤维素晶须占所述铸膜液的固含量的0.5％～5％。5.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：张春华，孙雪楠，夏良君，张佳婧，刘欣，徐卫林，
申请(专利权)人：武汉纺织大学，
类型：发明
国别省市：