生物質(zhì)石墨烯改性再生聚酯纖維的制備及性能

孫海波 王雙成 馬軍強(qiáng) 欒 峰 呂冬生

(山東圣泉新材料股份有限公司，山東濟(jì)南，250204)

伴隨著聚酯包裝瓶的大量使用，其產(chǎn)生的廢棄物難以降解，對(duì)環(huán)境造成很大的污染；同時(shí)在當(dāng)今石油資源日趨減少的狀況下，資源再利用，大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)勢(shì)在必行。通過(guò)查閱資料，了解到再生聚酯纖維是化纖發(fā)展的一個(gè)重要方向，具有戰(zhàn)略性意義[1-2]。目前歐美等國(guó)家都在大力推廣使用再生聚酯，如耐克、阿迪達(dá)斯、宜家家居、迪卡儂、ZARA等國(guó)際品牌對(duì)于再生滌綸非常青睞。宜家家居、迪卡儂、耐克都制定了相關(guān)計(jì)劃，截止到2035年實(shí)現(xiàn)公司銷(xiāo)售的所有聚酯產(chǎn)品全部使用100%再生聚酯。生產(chǎn)循環(huán)再利用化纖產(chǎn)品的原料，包括回收的聚酯瓶、廢舊紡織品以及加工過(guò)程中的邊角料、廢絲等。今后的發(fā)展，優(yōu)質(zhì)的循環(huán)再利用化纖企業(yè)的規(guī)模將日益擴(kuò)大，再生聚酯也將越來(lái)越多地替代原生滌綸。生物質(zhì)石墨烯是從玉米芯中提煉出來(lái)的，同樣也屬于一種再生原料，將生物質(zhì)石墨烯與再生聚酯復(fù)合制備生物質(zhì)石墨烯改性再生聚酯纖維，該復(fù)合纖維環(huán)?？稍偕?，同時(shí)具有抗菌抑菌、遠(yuǎn)紅外等功能[3-5]。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原料與設(shè)備

原料：生物質(zhì)石墨烯、聚酯切片。

設(shè)備：TS75P型切片干燥器，EP90FO型螺桿擠壓機(jī)，SW46SSD型卷繞頭，塑料粉磨機(jī)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1生物質(zhì)石墨烯改性再生聚酯纖維的制備

先用塑料粉磨機(jī)將聚酯切片磨成粉末，再將生物質(zhì)石墨烯按照質(zhì)量5%～20%的比例添加到聚酯粉末中，混和均勻后，加到螺桿擠出機(jī)中擠出、切粒，制得生物質(zhì)石墨烯改性再生聚酯母粒。

再將生物質(zhì)石墨烯改性再生聚酯母粒按照一定的比例加入到再生聚酯熔體紡絲液，通過(guò)熔體紡絲機(jī)進(jìn)行紡絲，制備出生物質(zhì)石墨烯含量為0.5%、1%的186.7 dtex/72 F生物質(zhì)石墨烯改性再生聚酯纖維，主要生產(chǎn)工藝：干燥溫度110 ℃～130 ℃，干燥時(shí)間8 h～12 h，擠壓機(jī)一區(qū)溫度290 ℃，擠壓機(jī)二區(qū)溫度290 ℃，擠壓機(jī)三區(qū)溫度280 ℃，擠壓機(jī)四區(qū)溫度275 ℃，擠壓機(jī)五區(qū)溫度270 ℃，聯(lián)苯溫度285 ℃，側(cè)吹風(fēng)速度0.5 m/s，卷繞速度3 100 m/min。

1.2.2生物質(zhì)石墨烯改性再生聚酯纖維的性能

表征

采用LLY-06E型電子單纖維強(qiáng)力儀，根據(jù)FZ/T 98009—2011《電子單纖維強(qiáng)力儀》，測(cè)試?yán)w維斷裂強(qiáng)度，夾持隔距為10 mm，拉伸速度20 mm/min，每個(gè)樣品測(cè)試20次，取平均值。

參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20944.3—2008《紡織品 抗菌性能的評(píng)價(jià)第三部分：振蕩法》，測(cè)定了生物質(zhì)石墨烯改性再生聚酯纖維對(duì)大腸桿菌、白色念珠菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率。

生物質(zhì)石墨烯改性再生聚酯纖維的遠(yuǎn)紅外性能，委托國(guó)家紅外及工業(yè)電熱產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心測(cè)試，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)參照GB/T30127—2013《紡織品 遠(yuǎn)紅外性能的檢測(cè)和評(píng)價(jià)》。

利用激光多普勒血流儀測(cè)試生物質(zhì)石墨烯改性再生聚酯纖維的微循環(huán)功能。

2 結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能分析

186.7 dtex/72 F生物質(zhì)石墨烯改性再生聚酯纖維和普通再生聚酯纖維的力學(xué)性能指標(biāo)如下。其中，再生聚酯即生物質(zhì)石墨烯改性再生聚酯纖維。

纖維種類(lèi) 再生聚酯 普通再生聚酯

線密度偏差率/% 2.8 3.0

線密度CV/% 0.55 0.58

長(zhǎng)度偏差率/% 0 0

斷裂強(qiáng)度

/cN·dtex-14.5 4.0

斷裂強(qiáng)度CV/% 2.2 2.3

斷裂伸長(zhǎng)率/% 24.3 23.3

斷裂伸長(zhǎng)率CV/% 4.2 4.0

卷曲收縮率/% 7.93 7.95

卷曲穩(wěn)定度/% 77.3 77.0

由以上數(shù)據(jù)可知，生物質(zhì)石墨烯改性再生聚酯纖維與普通再生聚酯纖維相比，力學(xué)性能得到一定的改善。這是由于生物質(zhì)石墨烯組分表面具有大量極性官能團(tuán)，可以增加無(wú)定形區(qū)分子鏈之間的相互作用，也與基體聚合物建立較強(qiáng)的相互作用，同時(shí)生物質(zhì)石墨烯組分也具有承載外加負(fù)荷的作用，應(yīng)力能通過(guò)兩相界面?zhèn)鬟f，可以被均勻地分散，減小了應(yīng)力集中的發(fā)生，使得纖維的力學(xué)性能有所改善。

2.2 抑菌性能測(cè)試

生物質(zhì)石墨烯改性再生聚酯纖維對(duì)幾種菌的抑菌率測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 生物質(zhì)石墨烯改性再生聚酯纖維對(duì)幾種菌的抑菌率測(cè)試結(jié)果

石墨烯含量大腸桿菌/%白色念珠菌/%金黃色葡萄球菌/%00.5%1%759999709999729999

由表1可以看出，當(dāng)石墨烯的添加量為0.5%或1%時(shí)，纖維對(duì)金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、白色念珠菌抑菌率都達(dá)到99%，遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，具有良好的抑菌效果。文獻(xiàn)[6]指出,納米級(jí)的石墨烯對(duì)于細(xì)菌都有殺傷效果，這是因?yàn)榧{米級(jí)的石墨烯本身是連成一串的碳原子，像一層很密實(shí)的布。他們提出三種機(jī)理：一是直接“砍”，石墨烯就如同鋒利的刀，直接把細(xì)菌砍死；二是“餓死”細(xì)菌，把細(xì)菌包裹起來(lái)吸收不到營(yíng)養(yǎng)，活活“餓死”；三是緩慢消亡，細(xì)菌將石墨烯吞噬，導(dǎo)致細(xì)菌緩慢消亡。

2.3 遠(yuǎn)紅外性能測(cè)試

按照GB/T 30127—2013《紡織品 遠(yuǎn)紅外性能的檢測(cè)和評(píng)價(jià)》規(guī)定，對(duì)于絮片類(lèi)、非織造類(lèi)、毛絨類(lèi)等疏松樣品，若試樣的遠(yuǎn)紅外法向發(fā)射率不低于0.83%，且遠(yuǎn)紅外輻射30 s時(shí)試樣溫升不小于1.7 ℃時(shí)，樣品具有遠(yuǎn)紅外功能。生物質(zhì)石墨烯改性再生聚酯纖維遠(yuǎn)紅外性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 生物質(zhì)石墨烯改性再生聚酯纖維遠(yuǎn)紅外性能測(cè)試結(jié)果

石墨烯含量遠(yuǎn)紅外發(fā)射率/%遠(yuǎn)紅外溫升/℃00.5%1%0.500.880.901.62.02.2

通過(guò)表2數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)石墨烯的添加量大于0.5%時(shí)，生物質(zhì)石墨烯改性再生聚酯纖維的遠(yuǎn)紅外發(fā)射率和遠(yuǎn)紅外溫升均遠(yuǎn)大于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，屬于遠(yuǎn)紅外功能材料。

2.4 微循環(huán)性能測(cè)試

生物質(zhì)石墨烯改性再生聚酯纖維面料微循環(huán)性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 生物質(zhì)石墨烯改性再生聚酯纖維面料微循環(huán)性能指標(biāo)

樣品血流灌注量(PU值)皮膚表面溫度/℃普通滌綸面料生物質(zhì)石墨烯改性再生聚酯纖維面料6.297.6131.2532.49

由表3數(shù)據(jù)可以看出，與普通面料相比，生物質(zhì)石墨烯改性再生聚酯纖維面料對(duì)人體血流灌注量(PU值)提升了21%，對(duì)皮膚表面溫度提升了4%，說(shuō)明生物質(zhì)石墨烯改性再生聚酯纖維面料能夠改善人體微循環(huán)，加快新陳代謝。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)力學(xué)性能測(cè)試得出，添加一定量的生物質(zhì)石墨烯對(duì)再生聚酯纖維的力學(xué)性能有一定的改善。

(2)抑菌性能測(cè)試表明，生物質(zhì)石墨烯改性再生聚酯纖維對(duì)大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、白色念珠菌的抑菌率都達(dá)到99%，具有良好的抑菌效果。

(3)遠(yuǎn)紅外性能測(cè)試結(jié)果表明，生物質(zhì)石墨烯改性再生聚酯纖維具有良好的遠(yuǎn)紅外功能。

(4)微循環(huán)測(cè)試分析表明，生物質(zhì)石墨烯改性再生聚酯纖維面料能夠改善人體微循環(huán)、促進(jìn)新陳代謝。