[发明专利]一种石墨烯-聚氨酯复合纤维的制备方法

说明书

本发明提出一种石墨烯‑聚氨酯复合纤维的制备方法，利用低粘度的液态二元醇和液体二异氰酸酯为原料制备聚氨酯预聚体，再在聚氨酯预聚体分子链上引入光敏基团，获得改性的低粘度聚氨酯预聚体；将所得改性聚氨酯预聚体与石墨烯、光引发剂混合分散搅拌，使石墨烯充分浸渍复合，再将浸渍混合所得的物料进行喷丝，然后利用UV照射，使纤维表面的可光固化聚氨酯预聚体反应并固化，制得石墨烯/聚氨酯复合纤维。本发明克服了石墨烯与聚氨酯纺丝制备复合纤维时存在均匀性较低的缺陷，借助聚氨酯的光固化改善了聚氨酯与石墨烯间的结合强度，工艺连续、快速，制备的复合纤维均匀性高。

技术领域

本发明涉及纺丝技术领域，特别是涉及一种石墨烯-聚氨酯复合纤维的制备方法。

背景技术

聚氨酯是一种由多异氰酸酯和多元醇经逐步加成反应，后经扩链、交联制得的嵌段共聚物。在常温下，聚氨酯以弹性体、发泡塑料、涂料等多种形式存在，大大拓宽了聚氨酯的使用范围。根据制备方法与产物形态的不同， 聚氨酯主要分为热塑性聚氨酯，聚氨酯发泡材料和水性聚氨酯三种形式。

石墨烯是一种由单层碳原子构成，具有二维蜂窝状结构的碳素物质，是石墨材料的基本单元，具有优异的力学、热学、光电学等多种性能，将其作为填料对聚合物材料进行功能化改性可有效改善基体的力学、导热导电、电磁屏蔽等性能，因此成为近年来复合材料研究领域的一大热点。石墨烯虽然具有许多优异的性能，但是在纤维上的应用才刚刚开展起来。目前的应用技术路线主要分为三个方面，第一采用原位聚合的方法，利用石墨烯表面的活性基团进行反应；第二采用物理共混的方法，使石墨烯分散在聚合物中；第三采用镀层的方法，通过外力将石墨烯镀在聚合物表层。

静电纺丝技术利用带电的高聚物流体在高压电厂的作用下被牵伸、撕裂、变形，经溶剂挥发或熔体冷却固化制得直径在几十纳米到几微米范围内的超细纤维状物质的纺丝技术。运用静电纺丝技术制备的纳米纤维具有纳米材料的特性，如比表面积大、孔隙率高等优点，在航空航天、医药、生物工程、传感设备等领域拥有巨大的应用潜力，在医药领域如手术缝合线、药物控释、伤口敷料等方面也有极大的发展前景。

向聚氨酯材料中少量添加石墨烯就可以很大程度地改善聚氨酯的性能，许多研究尝试将石墨烯添加到聚合物溶液或熔体中，运用静电纺丝法制备综合性能优良的复合纳米纤维。但石墨烯的分散性较差，大部分工艺采用物理作用吸附，再通过分散剂等助剂与聚氨酯原液产生结合力，再将石墨烯与聚氨酯原液进行纺丝，其结合强度较低，且相容性相对较差。此外，在纺丝过程中喷出的纤维依旧处于未固化状态，会导致纺出的纤维存在相互粘结的可能，使得均匀性降低，后续过程中的力学性能也会受到影响。

中国发明专利申请号201510377756.2公开了一种高性能聚氨酯弹性纤维的制备方法，将聚四亚甲基醚二醇与二异氰酸酯类物质反应生成异氰酸酯封端的预聚物，把至少部分表面含有氨基基团的纳米石墨烯、扩链胺溶液、预聚物在扩链器内混合进行扩链反应，反应后的聚合物加入添加剂混合，经储藏熟化后成聚氨酯纺丝原液，最后通过干纺纺丝得到聚氨酯弹性纤维。中国发明专利申请号201611140105.2公开了一种聚氨酯型石墨烯的制备方法及其在聚氨酯纤维中的应用，用改进Hummers法制得氧化石墨烯，加入异氰酸酯进行反应，再用封端剂一元醇或单胺进行异氰酸基封端，最后用还原剂还原得到聚氨酯型石墨烯；将聚氨酯型石墨烯溶于有机溶剂制得浆料，并加到聚氨酯溶液中，纺丝得到聚氨酯纤维。上述方案通过对石墨烯进行预处理，一定程度上改善了石墨烯与聚氨酯的相容性和石墨烯分散性，然而在纺丝过程中仍然存在纤维相互粘接、纤维均匀性差的缺点。而静电纺丝过程中，缩短纺丝纤维固化时间能够有效避免纺丝纤维发生相互粘接进而影响纤维均匀性的问题。因此，开发一种能够快速缩短固化时间的静电纺丝方法对改善石墨烯/聚氨酯复合纤维的力学性能具有重要意义。

发明内容

针对目前石墨烯与聚氨酯纺丝制备复合纤维时存在均匀性较低的缺陷，本发明提出一种石墨烯-聚氨酯复合纤维的制备方法，利用光固化反应快的特点，采用UV照射使得聚氨酯快速固化，进而阻隔纤维相互粘结，所制得的复合纤维均匀性更优异，从而所得的复合纤维力学性能更优异。