[发明专利]一种高强度高模量聚乙烯醇‑石墨烯量子点复合纤维的制备方法及产物

说明书

技术领域

本发明涉及复合纤维的制备领域。

背景技术

聚乙烯醇(PVA)是一种性能优良、用途广泛的聚合物，由其制备的高性能纤维具有优异的耐腐蚀性、耐气候性和与基材界面良好的粘结性能，可制成抗拉强度高、蠕变性好、耐磨、耐化学腐蚀、耐微生物及导水性优良的土工布，用于各种水坝、公路、铁路、桥梁等建筑工程，能显著提高施工质量，降低工程成本。此外PVA纤维具有抗冲击、耐气候性和耐海水腐蚀性等综合性能出众的特点，适宜用作各种类型的渔网、渔具、缆绳等，在海洋捕鱼及交通运输等方面有很好的应用市场。同时PVA纤维还可用作轮胎帘子线、汽车安全带、高性能绳索及塑料、橡胶增强材料等。

随着社会的进步，上述应用领域均对PVA的强度和模量提出了更高的要求，因此发展高强度高模量的PVA纤维制造技术具有重大意义。

目前，为提高PVA纤维的强度和模量，国内外均投入大量人力物力竞相研究，如美国、日本等国家开发了PVA凝胶纺丝、PVA含硼交联湿法纺丝、干湿法纺丝等。我国研究人员也开发出聚醋酸乙烯酯直接醇解纺丝、以及熔融纺丝法等技术，但由于这些方法涉及设备复杂、工艺流程较多，导致生产成本高。

PVA纤维的理论极限强度为27GPa，结晶模量为255GPa，而迄今为止制得PVA纤维的最高强度和模量不及理论极限值的10％，因此PVA纤维的强度和模量仍有可大幅提升的空间。

发明内容

本发明的目的是解决PVA纤维的强度和模量的问题。

石墨烯量子点(Graphene quantum dot)是准零维的纳米材料(二维平面尺寸<100nm)，其内部电子在各方向上的运动都受到局限，所以量子局限效应特别显著，具有许多独特的性质。这将为电子学、光电学和电磁学领域带来革命性的变化。同时其表现出更加显著的纳米尺度效应，对高分子的结晶和取向行为影响较其他碳纳米材料更为强烈，且作用机制也明显不同。经我们小组研究发现，可以通过以下工艺，采用石墨烯量子点对PVA纤维起到十分明显的力学增强效果。

即为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的：一种高强度高模量聚乙烯醇-石墨烯量子点复合纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤:

1)聚乙烯醇-石墨烯量子点(PVA-GQD)纺丝溶液的制备

取聚乙烯醇10～15重量份、石墨烯量子点0.01～1重量份和分散剂0.01～1重量份，溶于83～89.98重量份的水中，搅拌、分散，配制成PVA-GQD溶液；

2)湿法纺丝

以上述纺丝原液为原料，采用普通湿法纺丝机进行湿法纺丝，制备PVA-GQD初生纤维；

3)初生纤维的后处理

将PVA-GQD初生纤维进行多级热拉伸，热定型即获得高强度高模量PVA-GQD复合纤维；

所述多级热拉伸温度为160～230℃，热拉伸总倍数为7～12倍；

进一步，步骤3)中，热定型温度为210～230℃，时间为1～3min。

进一步，所述分散操作为超声波分散。

进一步，步骤1)制得PVA-GQD溶液后，过滤该溶液，脱泡以制备均匀稳定的纺丝原液

进一步，步骤3)结束后，根据用途不同，对PVA-GQD复合纤维进行缩醛化、上油、卷曲和/或切断。

进一步，步骤1)中：所采用聚乙烯醇的聚合度为1700～2800，分子量分布为1.5～2.0，醇解度为88％～99％；

进一步，步骤1)中：所采用石墨烯量子点的石墨片层为1～3层、尺寸为10～100nm；

进一步，步骤1)中：所采用分散剂为a～b中表述的任意一种情况：a)聚氧乙烯醚类或酯类非离子活性剂，b)磺酸盐类、硫酸盐类、磷酸盐或亚磷酸盐类阴离子活性剂，c)氨基酸类、咪唑类、氧化胺类两性活性剂中的一种或两种以上任意比例的混合物。

进一步，所述超声波分散采用超声波细胞破碎仪，其功率1000～20000W。

进一步，步骤1)中的PVA-GQD混合溶液溶解温度为95～105℃，溶解时间为2～5h；

进一步，步骤2)中，纺丝温度为95～105℃，喷丝板温度为95～105℃；

进一步，步骤2)中，所采用的湿法纺丝凝固浴为饱和硫酸钠水溶液，凝固浴温度为20～60℃。