[发明专利]一种轻质高强高韧单根绿色复合纤维及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于化学生物工程领域中制备轻质高强单根绿色复合纤维的方法，具体涉及一种轻质高强高韧单根绿色复合纤维及其制备方法。

背景技术

随着环境问题的加重以及资源的匮乏，绿色可再生复合材料越来越受到人们的关注。其中，绿色单根纤维，作为制备高强度复合材料的重要组成部分，其力学性能对于材料的实际生产应用显得尤为重要。目前，制备高强度纤维常用的方法是湿纺加捻法，该方法过程复杂且其原材料大部分为成本高且不能降解的材料，如石墨稀、碳纳米管等(参考文献1：ShinMK,LeeB,KimSH,etal.Synergistictougheningofcompositefibresbyself-alignmentofreducedgrapheneoxideandcarbonnanotubes.Naturecommunications,2012,3:650.)。现有的以天然绿色纤维为原料的绿色复合材料，基本上是把天然纤维复合在聚合物基质内形成纤维/聚合物块体材料(参考文献2：LaMantiaFP,MorrealeM.Greencomposites:Abriefreview.CompositesPartA:AppliedScienceandManufacturing,2011,42(6):579-588.参考文献3：WuM,ShuaiH,ChengQ,etal.BioinspiredGreenCompositeLotusFibers.AngewandteChemieInternationalEdition,2014,53(13):3358-3361.)，而制备单根绿色复合纤维的报道却很少。

发明内容

本发明提供了一种两步化学处理法制备轻质高强高韧单根绿色复合纤维的方法，通过纤维预处理和聚合物的复合，利用化学反应及分子键的相互作用纤维特定结构，本发明成功制备了轻质高强高韧单根绿色复合纤维，有望在纺织、汽车及航空航天等方面得到应用。

本发明提供一种轻质高强高韧单根绿色复合纤维，所述复合纤维主要由天然纤维及聚合物构成，所述复合纤维的力学性能可通过调节预处理溶液的浓度、聚合物的浓度和处理时间等参数来控制。

本发明还提供一种所述轻质高强高韧单根绿色复合纤维的制备方法，采用两步处理法制备，具体包括以下步骤：

第一步，原材料的选取：

将天然纤维清洗，剪切，得到直径为0.01mm～1mm，长度为1cm～3cm的天然纤维A。

第二步，纤维预处理：

将第一步中得到的天然纤维A置于质量浓度为0.5wt％～20wt％的溶液B中，处理1h～80h，取出，用乙醇和去离子水清洗，室温下晾干，即可得到具有不同微观结构的纤维A1。

第三步，聚合物浸渍与交联：

将纤维A1放入质量浓度为1wt％～20wt％的聚合物溶液C中，浸渍10h～100h，取出，干燥，即可得到两步处理后的复合纤维，然后进行交联处理，即得到本发明的轻质高强高韧单根绿色复合纤维A2。

所述的天然纤维A为丝瓜络、椰壳纤维或荷叶茎丝等含纤维素的天然纤维中的一种。

所述的溶液B为NaOH、NaClO或H₂O₂中的一种。所述的溶液B的质量浓度优选为1wt％～10wt％，处理时间优选为2h～10h。

所述的聚合物溶液C为聚乙烯醇PVA、聚氨酯PU、聚乳酸PLA或壳聚糖CS等中的一种。所述的聚合物溶液C的质量浓度优选为1wt％～15wt％，浸渍时间优选为10h～50h。

所述的不同微观结构包括裸露的纳米纤丝结构、纳米花簇、纤丝组成的表面多孔结构以及孔洞结构等。

所述交联处理的方法为加热、加入戊二醛或京尼平交联剂。

所述的轻质高强高韧单根绿色复合纤维A2直径为0.01mm～1mm。优选的所述纳米纤维直径为0.05mm～0.5mm。

所述的轻质高强高韧单根绿色复合纤维A2具有环境友好性、可再生性和优异力学性能，其拉伸强度为60MPa～750MPa，模量为2GPa～10GPa，韧性为10MJ·m^-3～100MJ·m^-3。

所述的轻质是指纤维微观呈多孔结构，密度范围为0.5g/cm³～2.15g/cm³。