一種輕質(zhì)高強高韌單根綠色復(fù)合纖維及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于化學(xué)生物工程領(lǐng)域中制備輕質(zhì)高強單根綠色復(fù)合纖維的方法，具體涉及一種輕質(zhì)高強高韌單根綠色復(fù)合纖維及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著環(huán)境問題的加重以及資源的匱乏，綠色可再生復(fù)合材料越來越受到人們的關(guān)注。其中，綠色單根纖維，作為制備高強度復(fù)合材料的重要組成部分，其力學(xué)性能對于材料的實際生產(chǎn)應(yīng)用顯得尤為重要。目前，制備高強度纖維常用的方法是濕紡加捻法，該方法過程復(fù)雜且其原材料大部分為成本高且不能降解的材料，如石墨稀、碳納米管等(參考文獻1:Shin M K,Lee B,Kim S H,et al.Synergistic toughening of composite fibres byself-alignment of reduced graphene oxide and carbon nanotubes.Naturecommunicat1ns,2012,3:650.)?，F(xiàn)有的以天然綠色纖維為原料的綠色復(fù)合材料，基本上是把天然纖維復(fù)合在聚合物基質(zhì)內(nèi)形成纖維/聚合物塊體材料(參考文獻2:La Mantia F P,Morreale M.Green composites:A brief review.Composites Part A:Applied Scienceand Manufacturing，2011,42(6):579-588.參考文獻 3:Wu M，Shuai H,Cheng Q，etal.B1inspired Green Composite Lotus Fibers.Angewandte Chemie Internat1nalEdit1n，2014，53(13):3358-3361.)，而制備單根綠色復(fù)合纖維的報道卻很少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明提供了一種兩步化學(xué)處理法制備輕質(zhì)高強高韌單根綠色復(fù)合纖維的方法，通過纖維預(yù)處理和聚合物的復(fù)合，利用化學(xué)反應(yīng)及分子鍵的相互作用纖維特定結(jié)構(gòu)，本發(fā)明成功制備了輕質(zhì)高強高韌單根綠色復(fù)合纖維，有望在紡織、汽車及航空航天等方面得到應(yīng)用。
[0004]本發(fā)明提供一種輕質(zhì)高強高韌單根綠色復(fù)合纖維，所述復(fù)合纖維主要由天然纖維及聚合物構(gòu)成，所述復(fù)合纖維的力學(xué)性能可通過調(diào)節(jié)預(yù)處理溶液的濃度、聚合物的濃度和處理時間等參數(shù)來控制。
[0005]本發(fā)明還提供一種所述輕質(zhì)高強高韌單根綠色復(fù)合纖維的制備方法，采用兩步處理法制備，具體包括以下步驟:
[0006]第一步，原材料的選取:
[0007]將天然纖維清洗，剪切，得到直徑為0.01mm?1mm，長度為lcm?3cm的天然纖維A。
[0008]第二步，纖維預(yù)處理:
[0009]將第一步中得到的天然纖維六置于質(zhì)量濃度為0.5的％?20的％的溶液8中，處理lh?80h，取出，用乙醇和去離子水清洗，室溫下晾干，即可得到具有不同微觀結(jié)構(gòu)的纖維Alo
[0010]第三步，聚合物浸漬與交聯(lián):
[0011]將纖維A1放入質(zhì)量濃度為lwt%?20wt%的聚合物溶液C中，浸漬10h?100h，取出，干燥，即可得到兩步處理后的復(fù)合纖維，然后進行交聯(lián)處理，即得到本發(fā)明的輕質(zhì)高強高韌單根綠色復(fù)合纖維A2。
[0012]所述的天然纖維A為絲瓜絡(luò)、椰殼纖維或荷葉莖絲等含纖維素的天然纖維中的一種。
[0013]所述的溶液B為Na0H、NaC10或H202中的一種。所述的溶液B的質(zhì)量濃度優(yōu)選為lwt %?10wt%，處理時間優(yōu)選為2h?10h。
[0014]所述的聚合物溶液C為聚乙烯醇PVA、聚氨酯HJ、聚乳酸PLA或殼聚糖CS等中的一種。所述的聚合物溶液c的質(zhì)量濃度優(yōu)選為lwt %?15wt %，浸漬時間優(yōu)選為1 Oh?50h。
[0015]所述的不同微觀結(jié)構(gòu)包括裸露的納米纖絲結(jié)構(gòu)、納米花簇、纖絲組成的表面多孔結(jié)構(gòu)以及孔洞結(jié)構(gòu)等。
[0016]所述交聯(lián)處理的方法為加熱、加入戊二醛或京尼平交聯(lián)劑。
[0017]所述的輕質(zhì)高強高韌單根綠色復(fù)合纖維A2直徑為0.01mm?1mm。優(yōu)選的所述納米纖維直徑為0.05mm?0.5mm。
[0018]所述的輕質(zhì)高強高韌單根綠色復(fù)合纖維A2具有環(huán)境友好性、可再生性和優(yōu)異力學(xué)性能，其拉伸強度為60MPa?750MPa，模量為2GPa?lOGPa，韌性為10MJ.m—3?100MJ.m—3。
[0019]所述的輕質(zhì)是指纖維微觀呈多孔結(jié)構(gòu)，密度范圍為0.5g/cm3?2.15g/cm3。
[0020]本發(fā)明以天然可再生纖維和聚合物為原材料，首先通過溶液浸泡法對天然纖維進行了預(yù)處理，然后在此基礎(chǔ)上，用聚合物澆鑄涂覆法制備出高強度高韌性綠色單根復(fù)合纖維，主要增強機制涉及化學(xué)反應(yīng)、分子鍵相互作用及其所產(chǎn)生的纖維特定結(jié)構(gòu)。本發(fā)明所得的輕質(zhì)高強高韌綠色單根復(fù)合纖維(如Coir/NaOH/PVA)性能優(yōu)異、原料易得、可大規(guī)模制備且環(huán)境友好，有望用于實際的生產(chǎn)生活中。
[0021]本發(fā)明提供的方法與現(xiàn)有技術(shù)中制備高強度綠色復(fù)合纖維的方法相比，優(yōu)良效果如下:
[0022](1)與現(xiàn)有的方法相比，本發(fā)明的制備方法簡單，操作方便，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模的制備。
[0023](2)本發(fā)明制備的復(fù)合纖維屬于單根綠色纖維，原料易得可再生，環(huán)境友好易降解且性能可控，在紡織、航空航天及汽車領(lǐng)域有很大的應(yīng)用前景。
[0024](3)本發(fā)明采用兩步化學(xué)處理法，即可實現(xiàn)力學(xué)性能大程度的提升，且復(fù)合后強度和韌性同時得到了增強。
【附圖說明】
[0025]圖1本發(fā)明中輕質(zhì)高強高韌單根綠色復(fù)合纖維的制備過程示意圖；
[0026]圖2本發(fā)明制備得到的單根綠色復(fù)合纖維示意圖；
[0027]圖3本發(fā)明制備得到的輕質(zhì)高強高韌單根綠色復(fù)合纖維應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0029]實施例1.
[0030]將椰殼纖維清洗，剪切，得到一組平均直徑為0.23mm，長度為3cm的椰殼纖維。結(jié)合圖1，把椰殼纖維置于質(zhì)量濃度為5wt %的NaOH中，浸泡20h，取出，用乙醇和去離子水清洗，室溫下晾干，得到具有孔洞結(jié)構(gòu)的纖維A1。接著把纖維放入質(zhì)量濃度為lwt^^^PVA中，浸漬10h，取出，室溫下晾干。最后用戊二醛進行交聯(lián)處理，即可得到一組輕質(zhì)高強高韌單根綠色復(fù)合纖維，如圖2，制備得到的復(fù)合纖維形貌均勻。其力學(xué)曲線如圖3所示，纖維拉伸強度478MPa,模量2GPa，韌性30MJ.m—3。
[0031]實施例2.
[0032]將絲瓜絡(luò)纖維清洗，剪切，得到一組平均直徑為0.5?1mm，長度為lcm的絲瓜絡(luò)纖維。然后把絲瓜絡(luò)纖維置于質(zhì)量濃度為lwt %的他0!1溶液中，浸泡80h，取出，用乙醇和去離子水清洗，室溫下晾干，得到具有裸露的納米纖絲結(jié)構(gòu)和納米花簇結(jié)構(gòu)的纖維A1。接著把纖維A1放入質(zhì)量濃度為10被％的05中，浸漬50h，取出，室溫下晾干。最后用京尼平進行交聯(lián)處理，即得到輕質(zhì)高強高韌單根綠色復(fù)合纖維。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，纖維拉伸強度60MPa，模量5.lGPa，韌性 10MJ.m—3。
[0033]實施例3.
[0034]將荷葉莖纖維清洗，剪切，得到一組平均直徑為0.05mm，長度為2cm?3cm的荷葉莖纖維。然后把荷葉莖纖維置于質(zhì)量濃度為10wt %的出02中，浸泡2h，取出，用乙醇和去離子水清洗，室溫下晾干，得到具有裸露的納米纖絲結(jié)構(gòu)的纖維A1。接著把H202處理后的纖維放入質(zhì)量濃度為15wt^^^PLA中，浸漬20h，取出，室溫下晾干。最后用加熱進行交聯(lián)處理，即得到輕質(zhì)高強高韌單根綠色復(fù)合纖維。試驗結(jié)果顯示，纖維拉伸強度560MPa，模量7.2GPa，韌性50MJ.m—3。
[0035]實施例4.
[0036]將椰殼纖維清洗，剪切，得到一組平均直徑為0.01?0.21mm，長度為2cm?3cm的椰殼纖維。然后把椰殼纖維置于質(zhì)量濃度為2wt %的NaC1溶液中，浸泡10h，取出，用乙醇和去離子水清洗，室溫下晾干，接著把纖維放入質(zhì)量濃度為5wt^^^PU中，浸漬100h，取出，室溫下晾干，得到具有由纖絲組成的表面多孔結(jié)構(gòu)的纖維。最后加熱進行交聯(lián)處理，即得到輕質(zhì)高強高韌單根綠色復(fù)合纖維。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，纖維拉伸強度750MPa，模量lOGPa，韌性100MJ.πΓ3。
【主權(quán)項】
1.一種輕質(zhì)高強高韌單根綠色復(fù)合纖維的制備方法，其特征在于:包括以下步驟， 第一步，原材料的選取: 將天然纖維清洗，剪切，得到直徑為0.01mm?1mm，長度為lcm?3cm的天然纖維A; 第二步，纖維預(yù)處理: 將第一步中得到的天然纖維八置于質(zhì)量濃度為0.5^%?20的％的溶液8中，處理111?80h，取出，用乙醇和去離子水清洗，室溫下晾干，得到具有不同微觀結(jié)構(gòu)的纖維A1; 第三步，聚合物浸漬與交聯(lián): 將纖維A1放入質(zhì)量濃度為lwt%?20wt%的聚合物溶液C中，浸漬10h?100h，取出，干燥，然后進行交聯(lián)處理，得到輕質(zhì)高強高韌單根綠色復(fù)合纖維A2。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種輕質(zhì)高強高韌單根綠色復(fù)合纖維的制備方法，其特征在于:所述的天然纖維A為絲瓜絡(luò)、椰殼纖維或荷葉莖絲中的一種。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種輕質(zhì)高強高韌單根綠色復(fù)合纖維的制備方法，其特征在于:所述的溶液B為Na0H、NaC10或H202中的一種。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種輕質(zhì)高強高韌單根綠色復(fù)合纖維的制備方法，其特征在于:所述的聚合物溶液C為聚乙烯醇PVA、聚氨酯PU、聚乳酸PLA或殼聚糖CS中的一種。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種輕質(zhì)高強高韌單根綠色復(fù)合纖維的制備方法，其特征在于:所述的溶液B的質(zhì)量濃度為]^1:%?1(^1:%，處理時間為211?1011。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種輕質(zhì)高強高韌單根綠色復(fù)合纖維的制備方法，其特征在于:所述的聚合物溶液C的質(zhì)量濃度為lwt %?15wt %，浸漬時間為1 Oh?50h。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種輕質(zhì)高強高韌單根綠色復(fù)合纖維的制備方法，其特征在于:所述的不同微觀結(jié)構(gòu)包括裸露的納米纖絲結(jié)構(gòu)、納米花簇、纖絲組成的表面多孔結(jié)構(gòu)以及孔洞結(jié)構(gòu)。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種輕質(zhì)高強高韌單根綠色復(fù)合纖維的制備方法，其特征在于:所述的交聯(lián)處理的方法為加熱、加入戊二醛或京尼平交聯(lián)劑。9.一種輕質(zhì)高強高韌單根綠色復(fù)合纖維，其特征在于:所述的輕質(zhì)高強高韌單根綠色復(fù)合纖維直徑為0.01mm?1mm;強度為60MPa?750MPa，模量為2GPa?lOGPa，韌性為10MJ.m—3?100MJ.m—3。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種輕質(zhì)高強高韌單根綠色復(fù)合纖維，其特征在于:所述輕質(zhì)高強高韌單根綠色復(fù)合纖維直徑為0.05mm?0.5_。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種輕質(zhì)高強高韌單根綠色復(fù)合纖維及其制備方法，屬于化學(xué)生物工程領(lǐng)域。所述制備方法選取天然纖維進行清洗剪切后，在NaOH、NaClO或H2O2溶液中浸泡處理，然后在聚合物溶液中浸漬與交聯(lián)處理，最后得到本發(fā)明的輕質(zhì)高強高韌單根綠色復(fù)合纖維，所述纖維具有環(huán)境友好性、可再生性和優(yōu)異力學(xué)性能，其強度為60MPa～750MPa，模量為2GPa～10GPa，韌性為10MJ·m-3～100MJ·m-3。本發(fā)明所得的輕質(zhì)高強高韌綠色單根復(fù)合纖維性能優(yōu)異、原料易得、可大規(guī)模制備且環(huán)境友好，有望用于實際的生產(chǎn)生活中。
【IPC分類】D06M13/123, D06M13/165, D06M15/507, D06M11/30, D06M11/50, D06M15/564, D06M15/03, D06M101/04, D06M11/38, D06M15/333
【公開號】CN105421042
【申請?zhí)枴緾N201610025147
【發(fā)明人】王女, 趙勇, 郭鳳云
【申請人】北京航空航天大學(xué)
【公開日】2016年3月23日
【申請日】2016年1月15日