海藻酸鈉/碳納米管復(fù)合纖維的制備及機(jī)械性能探究

摘 要：在本實(shí)驗(yàn)中，我們首先通過(guò)超聲制備了均一的碳納米管分散液，然后通過(guò)機(jī)械攪拌將碳納米管分散液與海藻酸鈉溶液混合均勻，得到了均勻的海藻酸鈉/碳納米管復(fù)合溶液。接下來(lái)將分散均勻穩(wěn)定的SA/MWNTs溶液作為紡絲原液，然后通過(guò)注射泵擠入到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的氯化鈣溶液中凝固，將纖維經(jīng)過(guò)進(jìn)一步拉伸，在純水和酒精中洗滌，干燥等工藝制成纖維，這些與其他纖維的的濕法紡絲原理相近。

關(guān)鍵詞：復(fù)合纖維；碳納米管；海藻酸鈉；機(jī)械性能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.10.004

0 前言

CNTs作為一種新興的碳納米材料，其在導(dǎo)電、導(dǎo)熱、力學(xué)、催化等方面都有優(yōu)異性能，而且由于其表面積大、納米尺寸和獨(dú)特的成鍵結(jié)構(gòu)，應(yīng)用廣泛。海藻酸鈉作為一種天然的大分子多糖，其表面具有豐富的羧基、羥基等，這就使其具備了凝固成纖的條件。我們將SA溶液作為紡絲原液，氯化鈣作為凝固浴，通過(guò)噴絲孔擠入凝固浴形成絲條，SA與凝固浴中的鈣離子發(fā)生離子交換，在海藻酸鈉長(zhǎng)絲上可以形成不溶于水的海藻酸鈣凝膠，稱(chēng)為海藻酸鈣纖維，然后將纖維進(jìn)行拉伸，用純水洗去表面上的鈣離子，進(jìn)一步用酒精脫去纖維上多余的水分，室溫下干燥后制得了SA纖維和SA/MWNTs復(fù)合纖維。

我們利用海藻酸鈉表面豐富的電荷和大分子的纏結(jié)作用，將海藻酸鈉作為一種綠色環(huán)保分散劑通過(guò)有效地將CNTs可以良好的分散在SA溶液中，形成均勻，穩(wěn)定，分散良好的SA/MWNTs溶液。在SA/MWNTs溶液中加入Ca2+、Sr2+、Ba2+等陽(yáng)離子后，SA分子中的Na+能與二價(jià)離子發(fā)生離子交換反應(yīng)，大分子中的G基團(tuán)堆積形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而轉(zhuǎn)變成水凝膠。因此，在SA/MWNTs復(fù)合纖維的制備過(guò)程中，常使用含鈣離子的水溶液作為凝固浴。根據(jù)上述原理，本實(shí)驗(yàn)用自制的濕法紡絲機(jī)制備了SA/MWNTs纖維，并對(duì)其性能進(jìn)行了具體的研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

海藻酸鈉，多壁碳納米管，無(wú)水氯化鈣，濕法紡絲機(jī)，全自動(dòng)單絲測(cè)試儀，集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，細(xì)胞粉碎儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

將一定質(zhì)量的SA粉末溶解于適量正在攪拌著的蒸餾水中，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的SA水溶液，先在室溫下溶脹4小時(shí)，然后在50℃下繼續(xù)攪拌0.5小時(shí)，制得均勻穩(wěn)定的SA溶液；將MWNTs加入SA溶液中繼續(xù)攪拌0.5小時(shí)，在細(xì)胞粉碎儀中超聲2小時(shí)得到分散均勻穩(wěn)定的SA/MWNTs溶液。然后將高濃度的海藻酸鈉溶液與低濃度SA/MWNTs溶液混合均勻，制備出SA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的SA/MWNTs溶液。分別將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的SA純?nèi)芤汉蚐A/MWNTs溶液作為紡絲原液，置于濕法紡絲機(jī)中，通過(guò)牽伸、卷繞、干燥等工藝制備SA/MWNTs復(fù)合纖維，并將纖維恒溫恒濕24小時(shí)后，使用纖維強(qiáng)力儀測(cè)試其機(jī)械性能，得出纖維強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率，比較不同紡絲工藝、不同MWNTs含量對(duì)純SA纖維和SA/MWNTs復(fù)合纖維機(jī)械性能的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能

由表1中可知，5%的海藻酸鈉溶液在牽伸倍數(shù)為1.87時(shí)制得的纖維強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率都比1.65倍時(shí)有明顯提升，證明纖維在此牽伸倍數(shù)下纖維得到了較好牽伸，其中的分子鏈取向排列，進(jìn)而提高了纖維強(qiáng)度。

在SA溶液中加入MWNT后，纖維強(qiáng)度有不同程度降低，可能是由于SA與MWNT的配比未達(dá)到最優(yōu)配比。在SA：MWNTs配比為100：5，牽伸倍數(shù)為2倍時(shí)，斷裂強(qiáng)度比純SA纖維強(qiáng)度有所升高，此時(shí)MWNTs在纖維中得到了很好的取向，提升了纖維強(qiáng)度。

3 結(jié)論

注射器紡絲是為常規(guī)濕法紡絲做準(zhǔn)備，注射器紡絲只能紡制少量SA/MWNTs纖維，無(wú)法達(dá)到連續(xù)化生產(chǎn)，但是SA/MWNTs纖維中的MWNTs含量很高，且可以為SA/MWNTs纖維連續(xù)化紡制即利用常規(guī)濕法紡絲得到大量SA/MWNTs復(fù)合纖維提供理論基礎(chǔ)以及一定的技術(shù)參考。由數(shù)據(jù)分析可得，SA/MWNTs纖維強(qiáng)度隨著MWNTs的加入有所提高，當(dāng)SA與MWNTs配比為100：5時(shí)，強(qiáng)度增加到2.57 CN/dtex，這比同等條件下純SA纖維的強(qiáng)度有了明顯提高，這說(shuō)明MWNTs的加入對(duì)增加纖維的強(qiáng)度來(lái)說(shuō)是很有效的。本實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步說(shuō)明良好分散的MWNTs可以達(dá)到優(yōu)異的力學(xué)性能，這為MWNTs的分散以及復(fù)合物進(jìn)一步的實(shí)際應(yīng)用提供了一定的理論基礎(chǔ)。

根據(jù)溶液MWNTs含量不同，通過(guò)改變不同SA、MWNTs配比得到不同含量的SA/MWNTs復(fù)合纖維，通過(guò)超聲分散制得了均一的SA/MWNTs溶液，且通過(guò)濕法紡絲過(guò)程，將大量MWNTs均勻分散與纖維中；當(dāng)MWNTs均勻分散于SA溶液中所得纖維強(qiáng)度有很大提高，不能均勻分散的MWNTs對(duì)SA纖維并沒(méi)有改善。而取向良好的MWNTs對(duì)纖維強(qiáng)度有明顯提高。

作者簡(jiǎn)介：張華真（1990-），女，碩士，材料工程專(zhuān)業(yè)。