[发明专利]一种高强度生物基复合纤维的制备方法及复合纤维

说明书

本发明公开了一种高强度生物基复合纤维的制备方法及复合纤维。所述的制备方法包括以下步骤：(1)氧化石墨烯溶液的制备：配制浓度为8‑15g/L氧化石墨烯水溶液；(2)氧化石墨烯的改性：向氧化石墨烯溶液中加入适量改性剂B改性得到溶液C；(3)纤维素的改性，随后溶于离子水得到溶液E；(4)纺丝液的制备：将溶液C与溶液E混合，得到纺丝液；(5)氧化石墨烯纤维的制备；(6)将氧化石墨烯纤维置于还原剂F中，在20‑120℃下，还原6‑24h，还原得到石墨烯复合纤维。本发明优化了纤维的结构，制备的石墨烯纤维强度明显提高，并具有良好的导电性能。

技术领域

本发明属于石墨烯纤维制备领域，特别涉及一种高强度生物基复合纤维的制备方法及复合纤维。

背景技术

随着资源的匮乏以及成本的增加，发展生物质纤维对实现低碳经济和节能减排具有深远意义，生物质纤维可以减少对石油的依赖，大幅降低成本。目前生物质纤维的发展主要围绕两个方面：一是开拓原料资源和开发新的生产技术。比如，利用农产品、农作物废弃物等资源，采用生物合成技术制备聚乳酸类、聚丁二酸丁二醇酯、聚对苯二甲酸丙二醇酯等生物质合成纤维；利用甲壳素、海藻等海洋生物质和各种蛋白为原料，生产生物质再生纤维。二是多学科交叉融合，设计制备性能优越的复合纤维。比如，具有防水、防污、高强度或阻燃等性能的新型生物质纤维。这不仅充分发挥生物质材料可再生、可降解利用的优势，并赋予纤维特殊的新功能。

石墨烯具有独特的电学、光学、热学、机械等性能，以及令人惊奇的抗菌性能。因此，石墨烯纤维，被赋予导电、导热、阻燃、抗菌、紫外线防护、远红外发射、储电等各种性能，可用于纺织品生产、电子通信、能源储存、信号传导等多个领域。最常用的石墨烯纤维制备方法是，由氧化石墨烯通过湿法纺丝制备氧化石墨烯纤维，然后将其还原为石墨烯纤维。由于化学合成法得到的石墨烯尺寸和形状不规则，石墨烯片存在无序堆叠等原因，导致石墨烯纤维强度不高，这极大阻碍了石墨烯纤维的应用。

发明内容

发明目的：本发明提供了一种高强度生物基复合纤维的制备方法，通过对石墨烯和纤维素分别进行改性，增加了石墨烯和纤维素的官能团含量，使其通过化学键紧密结合；同时纤维素填充了石墨烯片间的空隙，使纤维更加致密。本发明方法制备的复合纤维强度得到了提高。

技术方案：本发明所述的一种高强度生物基复合纤维的制备方法，包括以下步骤：

(1)氧化石墨烯溶液的制备：配制浓度为5-15g/L氧化石墨烯水溶液，调节pH至5-12，得到纺丝液；

(2)氧化石墨烯的改性：向氧化石墨烯溶液中加入适量改性剂B，在20-80℃下搅拌，反应1-24h，得到含有改性氧化石墨烯的溶液C；所述的改性剂B为KH550、4-氨基苯甲酸、异氰酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、2-溴异丁酰溴等中的一种或多种，所述的改性剂B的加入量为氧化石墨烯质量的1-10％；

(3)纤维素的改性：将纤维素与适量改性剂D1混合，反应的温度为20-80℃，反应的时间为1-24h；搅拌反应后加入改性剂D2，反应的温度为20-80℃，反应的时间为1-24h；反应产物洗涤干燥后，溶于离子水，得到含有改性纤维的溶液E，溶液E中改性纤维素的浓度为5-15g/L；所述的改性剂D1选自乙醇、丙醇、异丙醇、硫酸、正丁酸、乙酸、顺丁烯二酸酐以及氢氧化钠中的一种或多种；所述的改性剂D2为氯乙酸钠、次氯酸钠、氯乙酸、2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物以及乙二胺四乙酸中的一种或多种；

(4)纺丝液的制备：将溶液C与溶液E混合，在20-70℃下搅拌0.5-6h，得到纺丝液；溶液C与溶液E的混合比例为改性氧化石墨烯：改性纤维素的质量比100:1～100:30；

(5)氧化石墨烯纤维的制备：将纺丝液通过0.2-1mm的喷丝口，以0.1-1mL/min速度注入到凝固浴中，干燥得到氧化石墨烯纤维；

(6)将氧化石墨烯纤维置于还原剂F中，在20-120℃下，还原6-24h，还原得到石墨烯复合纤维。