石墨烯改性滌綸紡絲工藝條件研究

韋凌志

(廣西科學(xué)院應(yīng)用物理研究所 廣西 南寧 530007)

0 引言

滌綸是一種廣泛應(yīng)用的合成纖維,其具有優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)和良好的加工性能,在紡織、建筑、醫(yī)療等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。然而,傳統(tǒng)滌綸纖維在某些方面還存在著一些局限性,如力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性等方面需要進(jìn)一步提高。石墨烯作為一種新型納米材料,具有優(yōu)異的力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性和導(dǎo)電性能等特點,因此被廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)領(lǐng)域。將石墨烯引入滌綸纖維中,可以在一定程度上改善其性能,增加其應(yīng)用范圍。因此,石墨烯改性滌綸紡絲工藝條件研究具有重要的意義。

1 石墨烯改性滌綸的制備方法

1.1 滌綸纖維表面改性方法

滌綸纖維表面改性的方法包括物理方法和化學(xué)方法兩種。

1.1.1 物理方法

(1)電子束輻照。通過電子束輻照使滌綸纖維表面發(fā)生物理改性,表面形態(tài)和化學(xué)性質(zhì)均發(fā)生變化,從而提高纖維的親水性和吸濕性。

(2)離子束輻照。離子束輻照可以改變滌綸纖維表面的物理和化學(xué)性質(zhì),使其具有一定的親水性和表面能。通過這種方法改性后的滌綸纖維在織物中具有較好的染色性和印染性。

(3)等離子體改性。利用等離子體處理技術(shù)對滌綸纖維表面進(jìn)行改性,可以增強纖維表面的親水性和活性,使其在染色、印染等方面具有較好的性能。

1.1.2 化學(xué)方法

(1)氧化改性。通過將滌綸纖維表面氧化處理,使其表面具有一定的親水性和親油性,增強染色和印染性能。

(2)硅烷偶聯(lián)改性。利用硅烷偶聯(lián)劑改性滌綸纖維表面,可以提高纖維表面的親水性和活性,從而改善其染色性和印染性。

(3)光氧化改性。利用光氧化技術(shù)對滌綸纖維表面進(jìn)行處理,可以使纖維表面形態(tài)和化學(xué)性質(zhì)均發(fā)生變化,從而提高纖維的親水性和吸濕性。

1.2 石墨烯改性滌綸的制備方法

石墨烯改性滌綸是指在滌綸纖維表面附著上一層石墨烯,以改善滌綸纖維的性能。常見的石墨烯改性滌綸的制備方法包括:

(1)化學(xué)還原法。將滌綸纖維放置于含有石墨烯氧化物的溶液中,利用還原劑對氧化物進(jìn)行還原,生成石墨烯并將其附著在滌綸纖維表面。這種方法制備的石墨烯改性滌綸具有良好的機械性能和導(dǎo)電性能。

(2)熱還原法。將滌綸纖維放置在高溫環(huán)境下,在還原氣氛中熱解石墨烯前體物質(zhì),使其在滌綸纖維表面附著上一層石墨烯。這種方法制備的石墨烯改性滌綸具有良好的導(dǎo)電性能和力學(xué)性能。

(3)電化學(xué)沉積法。將滌綸纖維作為陰極放置在含有石墨烯前體物質(zhì)的電解質(zhì)溶液中,通過電化學(xué)反應(yīng),在滌綸纖維表面沉積一層石墨烯。這種方法制備的石墨烯改性滌綸具有良好的導(dǎo)電性能和力學(xué)性能。

2 石墨烯改性滌綸的物理化學(xué)性質(zhì)分析

2.1 纖維形態(tài)分析

纖維形態(tài)分析是指對纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)和外觀特征進(jìn)行分析和描述的過程。其主要目的是為了了解纖維的形態(tài)特征,為后續(xù)的纖維性能和加工工藝研究提供依據(jù)。常用的纖維形態(tài)分析方法包括光學(xué)顯微鏡觀察、掃描電鏡觀察、纖維拉伸試驗、熱重分析、X射線衍射分析、紅外光譜分析。

2.2 纖維拉伸性能分析

纖維拉伸性能分析是指對纖維進(jìn)行拉伸試驗,以了解其斷裂伸長率、斷裂強度等機械性能的過程。其主要目的是為了評價纖維的拉伸性能,從而為纖維的應(yīng)用和設(shè)計提供參考。在進(jìn)行纖維拉伸試驗時,需要使用拉伸試驗機。具體步驟如下:

(1)準(zhǔn)備樣品。將纖維樣品固定在試樣架上,并將試樣架安裝在拉伸試驗機上。

(2)設(shè)定試驗參數(shù)。根據(jù)需要,設(shè)定拉伸速度、最大負(fù)荷等試驗參數(shù)。

(3)進(jìn)行拉伸試驗。啟動拉伸試驗機,讓試樣逐漸拉伸,記錄試驗過程中的載荷—伸長曲線。

(4)計算機械性能指標(biāo)。根據(jù)載荷—伸長曲線,計算纖維的斷裂伸長率、斷裂強度、彈性模量等機械性能指標(biāo)。

通過纖維拉伸性能分析,可以評價纖維的拉伸性能,為纖維的設(shè)計和應(yīng)用提供依據(jù)。此外,還可以通過對不同制備工藝和改性方法對纖維拉伸性能的影響進(jìn)行分析,優(yōu)化纖維制備工藝和改性方法,提高纖維的性能表現(xiàn)。

2.2 熱穩(wěn)定性分析

熱穩(wěn)定性分析是指對纖維進(jìn)行熱性能測試,以了解其耐高溫性能的過程。其主要目的是為了評價纖維的熱穩(wěn)定性,從而為纖維的應(yīng)用和設(shè)計提供參考。在進(jìn)行纖維熱穩(wěn)定性測試時,常用的方法包括熱重分析法和差熱分析法。

2.2.1 熱重分析法

利用熱重分析儀對纖維進(jìn)行熱分解試驗,可以了解纖維的熱穩(wěn)定性和熱分解特征。具體步驟如下:

(1)準(zhǔn)備樣品。將纖維樣品稱取約5 mg,放置在熱重分析儀的試樣艙中。

(2)設(shè)定試驗參數(shù)。根據(jù)需要,設(shè)定升溫速率、升溫溫度范圍等試驗參數(shù)。

(3)進(jìn)行試驗。啟動熱重分析儀,將樣品加熱到設(shè)定溫度范圍內(nèi),記錄試驗過程中樣品的質(zhì)量變化情況。

(4)分析結(jié)果。根據(jù)試驗數(shù)據(jù),繪制樣品的熱重曲線,計算樣品的熱分解溫度、殘余質(zhì)量等指標(biāo)。

2.2.2 差熱分析法

利用差熱分析儀對纖維進(jìn)行熱性能測試,可以了解纖維在升溫或降溫過程中的吸熱或放熱特征。具體步驟如下:

(1)準(zhǔn)備樣品。將纖維樣品稱取約5 mg,放置在差熱分析儀的試樣艙中。

(2)設(shè)定試驗參數(shù)。根據(jù)需要,設(shè)定升溫速率、升溫溫度范圍等試驗參數(shù)。

(3)進(jìn)行試驗。啟動差熱分析儀,將樣品加熱到設(shè)定溫度范圍內(nèi),記錄試驗過程中樣品的熱變化情況。

(4)分析結(jié)果。根據(jù)試驗數(shù)據(jù),繪制樣品的差熱曲線,分析樣品在升溫或降溫過程中的吸熱或放熱特征。

2.3 纖維表面形貌分析

纖維表面形貌分析是指對纖維表面進(jìn)行形貌觀察和分析的過程,以了解纖維表面形貌特征及其與纖維性能的關(guān)系。常用的纖維表面形貌分析方法包括掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)和原子力顯微鏡(atomic force microscope,AFM)。

SEM是一種利用電子束掃描樣品表面的顯微鏡。在SEM觀察中,纖維樣品首先被金屬噴霧處理,以增加其導(dǎo)電性,然后通過電子束掃描樣品表面,形成高分辨率的圖像。SEM觀察可以提供纖維表面形貌的顯微結(jié)構(gòu)信息,例如纖維表面的形貌特征、粗糙度、纖維斷口等。通過對纖維表面形貌的觀察和分析,可以了解纖維的表面性質(zhì)及其與纖維性能的關(guān)系。

AFM是一種利用探針測量樣品表面形貌的顯微鏡。在AFM觀察中,纖維樣品被放置在掃描平臺上,然后通過移動探針掃描樣品表面,測量樣品表面的形貌特征。與SEM相比,AFM可以提供更高分辨率的表面形貌信息,例如纖維表面的微觀結(jié)構(gòu)和分子層面的特征。通過對纖維表面形貌的分析,可以了解纖維表面的化學(xué)成分、分子結(jié)構(gòu)和表面特性,為纖維的改性和應(yīng)用提供依據(jù)。

通過纖維表面形貌分析,可以了解纖維表面形貌特征及其與纖維性能的關(guān)系,為纖維的改性和應(yīng)用提供依據(jù)。此外,還可以通過纖維表面形貌的分析,評價不同制備工藝和改性方法對纖維表面形貌的影響,優(yōu)化纖維制備工藝和改性方法,提高纖維的性能表現(xiàn)。

3 石墨烯改性滌綸紡絲工藝條件研究

3.1 實驗設(shè)計及工藝條件

石墨烯改性滌綸紡絲工藝條件研究的實驗設(shè)計及工藝條件包括以下幾個方面:

(1)實驗設(shè)計。本研究采用單因素實驗設(shè)計法,考察不同工藝條件對滌綸纖維改性效果的影響。將工藝參數(shù)分別設(shè)置為石墨烯添加量、紡絲溫度、紡絲速度、噴嘴直徑等因素,分別進(jìn)行不同水平的實驗設(shè)計。

(2)原料準(zhǔn)備。本研究采用普通滌綸作為原料,將其加工成合適的形態(tài)和尺寸。同時,將石墨烯按照一定的比例加入滌綸紡絲溶液中,制備石墨烯改性滌綸紡絲材料。

(3)工藝條件。本研究的工藝條件包括紡絲溫度、紡絲速度、噴嘴直徑等因素。根據(jù)實驗設(shè)計方案,將滌綸紡絲溶液加熱至設(shè)定溫度,控制紡絲速度和噴嘴直徑,進(jìn)行紡絲加工。

(4)實驗設(shè)備。本研究采用電子萬能試驗機、差示掃描量熱儀、掃描電鏡、紅外光譜儀等設(shè)備進(jìn)行實驗測定。

(5)實驗指標(biāo)。本研究的主要實驗指標(biāo)包括纖維形態(tài)、拉伸性能、熱穩(wěn)定性、表面形貌等方面的分析。根據(jù)不同實驗指標(biāo),采用相應(yīng)的實驗方法進(jìn)行測定和分析。

3.2 紡絲質(zhì)量分析

石墨烯改性滌綸紡絲的質(zhì)量分析是評價材料性能的重要手段。下面介紹紡絲質(zhì)量分析的主要內(nèi)容為使用掃描電鏡等設(shè)備,對纖維直徑進(jìn)行測量。纖維直徑的大小直接影響材料的力學(xué)性能和表面性質(zhì)。采用電子萬能試驗機等設(shè)備,對纖維的拉伸性能進(jìn)行測試。纖維拉伸強度和斷裂伸長率是衡量纖維性能的重要指標(biāo)。使用差示掃描量熱儀等設(shè)備,對纖維的熱穩(wěn)定性進(jìn)行測試。熱穩(wěn)定性對于纖維在高溫環(huán)境下的應(yīng)用具有重要意義。使用紅外光譜儀等設(shè)備,對纖維表面進(jìn)行分析。纖維表面的化學(xué)性質(zhì)和形貌對纖維在使用過程中的表現(xiàn)有很大的影響。使用掃描電鏡等設(shè)備,對纖維形態(tài)進(jìn)行觀察和分析。纖維形態(tài)的改變直接影響材料的力學(xué)性能和表面性質(zhì)。通過對紡絲質(zhì)量的分析,可以評價石墨烯改性滌綸紡絲材料的性能和應(yīng)用前景,同時為進(jìn)一步優(yōu)化工藝條件和改善材料性能提供參考依據(jù)。

3.3 紡絲成紗的物理性能分析

(1)紗線密度分析。使用電子天平等設(shè)備,對紗線的線密度進(jìn)行測量。紗線的線密度直接影響紡織品的手感和重量。

(2)紗線強度分析。采用電子萬能試驗機等設(shè)備,對紗線的強度進(jìn)行測試。紗線的強度是評價紡織品耐久性的重要指標(biāo)。

(3)紗線彈性分析。采用彎曲試驗機等設(shè)備,對紗線的彈性進(jìn)行測試。紗線的彈性是影響紡織品質(zhì)感的重要因素。

(4)紗線細(xì)度分析。使用光學(xué)顯微鏡等設(shè)備,對紗線的細(xì)度進(jìn)行測量。紗線的細(xì)度對紡織品的外觀和手感有重要影響。

(5)紗線平整度分析。采用紡織平整度測試儀等設(shè)備,對紗線的平整度進(jìn)行測試。紗線平整度的好壞直接影響紡織品的外觀和品質(zhì)。

通過對紡絲成紗的物理性能進(jìn)行分析,可以了解石墨烯改性滌綸紡絲材料的紡織品適用性能,并為進(jìn)一步優(yōu)化工藝條件和改善材料性能提供參考依據(jù)。

4 紡絲過程中石墨烯的分布和作用機理研究

4.1 石墨烯在滌綸纖維中的分布狀況

石墨烯在滌綸纖維中的分布狀況對于材料的性能和應(yīng)用具有重要影響。通常來說,石墨烯在滌綸纖維中的分布狀況可以分為以下幾種情況:

(1)表面吸附。石墨烯以表面吸附的方式分布在滌綸纖維的表面。這種情況下,石墨烯與滌綸纖維之間的相互作用力比較弱,石墨烯在洗滌或使用過程中容易脫落,因此其改性效果較差。

(2)包覆分散。石墨烯被分散在滌綸纖維內(nèi)部,形成包覆分散的狀態(tài)。這種情況下,石墨烯與滌綸纖維之間的相互作用力比較強,石墨烯不易脫落,因此其改性效果較好。

(3)纖維表面和內(nèi)部共存。石墨烯分布在滌綸纖維的表面和內(nèi)部。這種情況下,石墨烯可以同時發(fā)揮表面吸附和包覆分散的作用,但也存在石墨烯在洗滌或使用過程中脫落的風(fēng)險。

綜上,石墨烯在滌綸纖維中的分布狀況應(yīng)該盡量實現(xiàn)包覆分散的狀態(tài),以充分發(fā)揮其改性作用。同時,應(yīng)該采取合適的方法,如添加表面活性劑等,以提高石墨烯在滌綸纖維中的分散性和穩(wěn)定性。

4.2 石墨烯對纖維物理性能的影響機理

石墨烯具有極高的比表面積和強度,因此能夠顯著影響滌綸纖維的物理性能,主要包括強度和剛度,添加石墨烯可以提高滌綸纖維的強度和剛度,這是因為石墨烯本身具有極高的強度和剛度,并且能夠與滌綸纖維形成有效的物理交聯(lián)作用,從而提高纖維的力學(xué)性能。石墨烯具有優(yōu)異的彈性恢復(fù)和抗疲勞性能,添加石墨烯可以提高滌綸纖維的抗疲勞性能和形變恢復(fù)能力,延長其使用壽命。而且石墨烯具有低摩擦系數(shù)和良好的自潤滑性能,添加石墨烯可以顯著改善滌綸纖維的摩擦性能,降低摩擦系數(shù)和磨損率。石墨烯是一種優(yōu)異的導(dǎo)電材料,添加石墨烯可以使滌綸纖維獲得良好的導(dǎo)電性能,可應(yīng)用于電子設(shè)備、智能紡織品等領(lǐng)域。

4.3 石墨烯對紡絲工藝的影響機理

石墨烯的分散狀態(tài)對紡絲工藝影響較大,若石墨烯不均勻分散在滌綸纖維中,可能導(dǎo)致纖維斷裂和紡絲不穩(wěn)定等問題。因此,在添加石墨烯前,需要對其進(jìn)行表面修飾或分散劑處理,以提高其與滌綸纖維的相容性和分散度。

石墨烯的形態(tài)和添加量也會影響紡絲工藝,較大的石墨烯片層可能會造成纖維的堵塞或紡絲不良,較小的石墨烯片層則可能會影響纖維的拉伸性能。因此,需要對石墨烯的形態(tài)和添加量進(jìn)行合理控制,以獲得良好的紡絲效果。石墨烯的表面能對滌綸纖維的拉伸和斷裂性能有較大影響,過高或過低的表面能可能會導(dǎo)致滌綸纖維的疲勞性能下降或斷裂率增加。因此,在添加石墨烯時,需要對其表面能進(jìn)行調(diào)控,以實現(xiàn)對纖維性能的有針對性改善。

5 結(jié)語

石墨烯作為一種新型材料,在適當(dāng)?shù)奶砑恿亢图徑z工藝條件下,纖維的拉伸強度和斷裂伸長率均有所提高,并且抗拉強度和熱穩(wěn)定性也有較大提升。同時,石墨烯的添加還能夠改善纖維表面形貌,減少纖維的表面缺陷和毛羽,提高其外觀質(zhì)量和形態(tài)穩(wěn)定性。在石墨烯對纖維性能影響的機理方面,對石墨烯表面能的調(diào)控可以提高滌綸纖維的疲勞性能和斷裂率,而分散狀態(tài)的優(yōu)化可以避免纖維斷裂和紡絲不穩(wěn)定等問題,適當(dāng)?shù)氖┬螒B(tài)和添加量則可以實現(xiàn)對纖維性能的有針對性改善。本研究為滌綸纖維的改性提供了新思路和理論依據(jù)。