[发明专利]一种石墨烯增强聚酮纤维及其制备方法

说明书

本发明公开了一种石墨烯增强聚酮纤维的制备方法，首先将石墨烯与表面处理剂混合均匀；再加入聚酮粒料继续熔融混合均匀，得到石墨烯/聚酮混合物；再将石墨烯/聚酮混合物经熔融纺丝制备熔融丝条；最后将熔融丝条经空气甬道冷却后，经热辊牵伸和热定型后制成石墨烯增强聚酮纤维。本发明采用石墨烯作为聚酮的增强改性材料，将石墨烯均匀分散于聚酮中，发挥石墨烯的阻隔作用、高导热作用和增强作用。利用石墨烯的阻隔性，削弱酮基之间的作用力。提高热量由设备传递到聚合物分子链的速率，减少聚酮形成无晶核熔体所需时间。牵伸过程中石墨烯沿纤维轴向取向，诱导聚酮分子链在石墨烯表面规整生长排列，形成串状结晶结构，得到超高强度的聚酮纤维。

技术领域

本发明涉及高性能纤维的制备技术，具体是一种石墨烯增强聚酮纤维及其制备方法。

背景技术

高性能纤维，尤其是具有优异物理力学性能的纤维是国防军工、体育运动和工业装备器材等必需的材料。聚己二酰己二胺(PA66)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)和聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)是制备工业丝的常用原料，缩聚反应产物经进一步固相增粘或液相增粘后获得高分子量的聚合物，再间接或直接熔融纺丝可以制备出高强度的工业丝，在轮胎帘子线、绳索、线缆护套、传送带等领域有着广泛的应用。《轮胎工业(2007,27(10):618)》中公开了PA66工业丝的制备方法，通过固相增粘和添加热稳定剂提高树脂的热稳定性能，制备出拉伸断裂强度达到9.01cN/dtex的工业丝。《工业和工程化学研究(IndustrialEngineering Chemistry Research,2015,54:9150)》中公开了PET工业丝的研究结果，拉伸断裂强度达到8.29cN/dtex。尽管工业丝的强度已经超过常规纤维一倍，且制备过程需要使用高分子量的聚合物，但物理力学仍不能满足特殊场所的使用要求。

申请号91103027.1的文献公开了采用乙烯与一氧化碳共聚物聚酮在有机溶剂中制备高性能纤维的方法，聚酮具有高熔点、半结晶、完整的交替结构的特点，酮基增大了分子链之间强相互作用力，可以制备出高强度的纤维，但所用溶剂毒性较大，回收困难。申请号03820504.1的文献公开了采用95％以上的乙烯和一氧化碳为重复单元的聚酮纤维的制造方法，拉伸强度达到15cN/dtex，拉伸弹性模量300cN/dtex，但纺丝过程需要将聚酮树脂溶解在锌盐、钙盐或硫氰酸盐溶液中进行，溶剂回收困难，废水排放量大，生产效率低。申请号为99802590.9公开了一种采用烯烃和一氧化碳聚合物聚酮为原料制备高性能纤维的方法，并规定要在聚酮中无晶核的温度以上5℃进行纺丝(实施中螺杆挤出机最低温度为240℃)，由于酮基受热后极易产生交联，物料在螺杆中的最佳停留时间有严格的要求，控制不当，会导致聚酮在螺杆中固化交联，无法完成纺丝过程，实现产业化非常困难。

石墨烯是目前碳材料领域的研究热点。石墨烯是一种由sp²杂化的碳原子组成的具有二维(2D)结构的单原子片层的碳材料。石墨烯的拉伸强度高达125GPa，杨氏模量1100GPa，导热系数为2000～6000W/(m·K)，是一种性能优异的二维纳米材料，但由于其成本高，很少直接作为纤维材料使用，用作添加改性剂，在复合材料的制备领域有着重要应用。申请号201410614121.5的文献公开了石墨烯和多壁碳纳米管协同增强型聚合物纤维及其制备方法，对石墨烯和碳纳米管表面改性，然后通过调整石墨烯/碳纳米管的配比，发挥一维和二维纳米材料的协同增强作用，原位聚合制备得到聚合物/石墨烯/碳纳米管复合材料，通过熔融纺丝和后处理得到具有高强度的聚合物纤维。申请号201510445875.7的文献公开了一种多壁碳纳米管和石墨烯增强改性再生蛋白质纤维及其制备方法，该多壁碳纳米管和石墨烯增强改性再生蛋白质纤维具有良好的物理力学性能。但这两篇文献均未能制备出拉伸强度10cN/dtex以上的纤维。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种石墨烯增强聚酮纤维及其制备方法。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种石墨烯增强聚酮纤维的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：