[发明专利]一种含部分还原石墨烯的高分子复合功能纤维及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于高分子材料技术领域，涉及一种含部分还原石墨烯的高分子复合功能纤维及其制备方法。

背景技术

功能纤维是指具有一个或多个特殊功能的新型纤维，如导电纤维、阻燃纤维、抗菌纤维等。功能纤维具有高技术含量、高附加值、高市场需求的特点。以导电纤维为例，由于具有防静电、吸收电磁波等特性，是防静电防爆服、无尘无菌服、高档服装及家纺等高附加值产品的必需原料，应用于航空航天、国防军工、石化、采矿、微电子、生物医药、精密加工、纺织服装等众多领域，市场前景广阔。

功能纤维的制备一般通过在高分子基体中添加微米或纳米级功能填料，包括炭黑、金属及金属氧化物粉末、碳纳米管或纳米碳纤维等，然后经纺丝工艺制得。为实现所需的功能如导电，填料的含量必须超过某一特定值时才能形成导电网络，该值通常被称为“逾渗阈值”。传统填料(如炭黑和金属粉末)的逾渗阈值较高，往往超过20﹪，由此带来可纺性变差、纤维强度下降、手感僵硬、纤度和密度增加等问题。

此外，传统填料的功能单一。例如：炭黑主要起到导电作用；氢氧化镁起阻燃作用；银、铜、锌等金属(或其离子)主要起到抗菌作用，等等。为实现复合功能，往往需要同时添加多种填料，当其含量均达到足够高时，分别产生导电、阻燃、抗菌等效果。这势必进一步增加填料在高分子基体中的含量，使上述可纺性及纤维性能方面的问题更加突出。因此，兼具多种功能的高分子复合功能纤维尽管前景诱人，但其研发难点仍然很大。

作为继碳纳米管之后最新发展的一类纳米材料，石墨烯具有更优异的导电性和极高的径厚比和比表面积。据报道，石墨烯在各种高分子中的逾渗阈值低至0.1～3.8vol﹪，在极低的添加量下即可获得显著的导电性提升。公开号为CN103710790A的中国发明专利申请采用石墨烯为功能填料，通过原位聚合和复合纺丝工艺制备得到抗静电、抗菌、石墨烯增强的双组分复合聚酯纤维，其中组分A为不含石墨烯的聚酯，组分B为含重量百分比0.3～3.0﹪的石墨烯的聚酯。公开号为CN103215689A的中国发明专利申请公开了一种石墨烯改性尼龙6纤维的制备方法，将石墨烯进行羧基化、酰氯化和氨基化处理后，通过原位聚合反应制得石墨烯改性的尼龙6熔体，再经熔融纺丝工艺得到石墨烯增强尼龙6纤维。

可见，采用石墨烯为功能填料制备高分子复合功能纤维已受到重视。利用石墨烯较低的逾渗阈值，有可能在较低的填料含量下实现增强、导电、抗菌等特性。但石墨烯的纳米片层结构及其表面缺乏活性基团也导致其片层间结合力极高，直接与高分子混合不易剥离，反而形成微米级别的团聚体，严重削弱了其高比面积、高电导率和低逾渗阈值等优势。公知技术通过化学接枝等手段对石墨烯进行改性可促进其在高分子中的分散，但反应过程复杂、制备效率低，不利于产业化应用。因此，有必要开发新的石墨烯/高分子复合功能纤维及其制备方法以满足新兴市场对复合功能纤维的需要。

发明内容

本发明的第一个目的是针对上述技术现状，提供一种含部分还原石墨烯的高分子复合功能纤维。

本发明的高分子复合功能纤维包括A组分和B组分，A组分与B组分的质量比为75/25～95/5，且二者以部分外露型、并列型或皮芯型相组合，以使每根纤维外表面积的20～100﹪为B组分；

所述的A组分为含质量百分比为0.1～1﹪部分还原石墨烯的聚酯；

所述的B组分为含质量百分比为4～20﹪纳米复合填料的聚酯；其中纳米复合填料包括部分还原石墨烯和纳米二氧化钛(TiO₂)，纳米二氧化钛(TiO₂)与部分还原石墨烯的质量比为1/3～3/1；

上述的部分还原石墨烯的碳/氧原子比达到9/1～15/1；

进一步地，所述的B组分中纳米复合填料除含有部分还原石墨烯和纳米二氧化钛(TiO₂)外，还可以包括碳纳米管、纳米炭黑中的一种或两种；

作为优选，所述的B组分中部分还原石墨烯的质量百分比为1～5﹪；

作为优选，所述的B组分中碳纳米管与部分还原石墨烯的质量比为1/1～3/1；

作为优选，所述的B组分中纳米炭黑与部分还原石墨烯的质量比为1/1～9/1；

所述的聚酯为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丙二醇酯(PTT)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)或聚对萘二甲酸乙二醇酯(PEN)。

本发明的第二个目的是提出上述含部分还原石墨烯的高分子复合功能纤维的制备方法。

本发明方法包括以下步骤：