[发明专利]一种石墨烯增强的对位芳香族聚酰胺纤维束及其制备方法

说明书

本发明公开了一种石墨烯增强的对位芳香族聚酰胺纤维束及其制备方法，通过在对纤维进行水解和二异氰酸酯改性使得纤维表面具有活性基团。将褶球状氧化石墨烯加入强碱性DMSO后保持原有形貌，表面的羟基与异氰酸酯反应形成共价键，进而得到表面接枝氧化石墨烯微球的纤维束，再经高温处理得到多孔石墨烯微球增强的对位芳香族聚酰胺纤维束。本发明方法一方面通过化学接枝的方法使石墨烯成功负载在纤维表面，另一方面氧化石墨烯微球在高温处理下发生热膨胀得到了多孔石墨烯球结构，形成了多孔石墨烯‐高强纤维复合材料，可有效提升材料的力学性能、电导率、抗紫外老化性能等，在高性能防弹装备上有独特的应用前景。

技术领域

本发明属于纤维领域，尤其涉及一种石墨烯增强的对位芳香族聚酰胺纤维束及其制备方法。

背景技术

芳纶纤维工业化的产品有两种：芳纶1313(全称为聚间苯二甲酰间苯二胺纤维)和芳纶1414(全称为聚对苯二甲酰对苯二胺纤维)。在芳纶纤维生产领域，对位芳酰胺纤维发展最快，产能主要集中在日本和美国、欧洲。如美国杜邦的Kevlar纤维，日本帝人公司的Twaron、Technora纤维，烟台泰和新材的Taparan(泰普龙)纤维等。其中，美国杜邦、日本帝人的产能均为3万吨左右，在对位芳纶市场中处于垄断地位；烟台泰和新材于2011年实现了对位芳纶的商业化运营，在国产对位芳纶的商业化运营中走在全国前列。

芳纶纤维具有良好的抗冲击和耐疲劳性能，有良好的介电性和化学稳定性，耐有机溶剂、燃料、有机酸及稀浓度的强酸、强碱，耐屈折性和加工性能好。它可用普通织机编织成织物，编织后其强度不低于原纤维强度的90％。但是，芳纶纤维的抗紫外性能很差，表面缺少活性基团，难以进行修饰，这些限制了其在各个领域的应用。

石墨烯是一种原子厚度的二维材料，具有超高的比表面积、优异的力学性能、高导电率、高导热率和高阻隔性。并且，加入少量石墨烯可同时提高材料的诸多性能，具有超高的性价比，这使其在复合材料方面得到广泛研究。专利201410269027.0《一种氧化石墨烯表面接枝改性芳纶纤维的方法》采用多巴胺改性芳纶纤维和氨基修饰氧化石墨烯进行反应得到改性芳纶纤维，虽然实现了氧化石墨烯的均匀覆盖，但是氧化石墨烯本身具有许多缺陷，相比石墨烯而言无论是力学性能还是电学、导热等性能均明显下降，不能对芳纶纤维起到有效的增强作用。专利201610825066《高性能的石墨烯复合对位芳纶纤维及其制备方法、应用》将石墨烯与聚对苯二甲酰对苯二胺在浓硫酸中溶解混合，湿法纺丝得到复合纤维，这种复合方式将石墨烯引入到聚对苯二甲酰对苯二胺的液晶中，一方面难以保证石墨烯的分散性，因为无论是石墨烯还是改性石墨烯在浓硫酸中的溶解性都不好，极易发生堆叠，形成缺陷，降低产品的性能，另一方面石墨烯的引入会影响液晶的取向，从而大幅降低最终纤维中分子链的取向程度，并不能得到良好的复合效果。结合已有文献和专利技术分析可知，共混复合方法不利于芳纶纤维性能的提升，有效的表面改性是更加合理的选择。

发明内容

本发明的目的是针对现有的技术不足，提供一种石墨烯增强的对位芳香族聚酰胺纤维束及其制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种石墨烯增强的对位芳香族聚酰胺纤维束，包括对位芳香族聚酰胺纤维和多孔石墨烯球，所述多孔石墨烯球以共价键形式与多根对位芳香族聚酰胺纤维相连。

一种石墨烯增强的对位芳香族聚酰胺纤维束的制备方法，由以下步骤制备进行：

(1)通过雾化干燥法将尺寸为1～50微米的单层氧化石墨烯分散液干燥，得到褶球状氧化石墨烯，其碳氧比为2.5～5；

(2)将步骤(1)得到的褶球状氧化石墨烯加入DMSO中，搅拌均匀，加入NaOH调控PH10，褶球状氧化石墨烯与DMSO的质量比为0.1～10:100；

(3)将对位芳香族聚酰胺纤维用丙酮洗涤，除去表面油剂和污渍，干燥后加入含有10wt％NaOH的乙醇溶液，搅拌12～24h，取出干燥得到水解的对位芳香族聚酰胺纤维；