海藻酸钠/碳纳米管复合纤维的制备及机械性能探究

摘 要：在本实验中，我们首先通过超声制备了均一的碳纳米管分散液，然后通过机械搅拌将碳纳米管分散液与海藻酸钠溶液混合均匀，得到了均匀的海藻酸钠/碳纳米管复合溶液。接下来将分散均匀稳定的SA/MWNTs溶液作为纺丝原液，然后通过注射泵挤入到质量分数为5%的氯化钙溶液中凝固，将纤维经过进一步拉伸，在纯水和酒精中洗涤，干燥等工艺制成纤维，这些与其他纤维的的湿法纺丝原理相近。

关键词：复合纤维；碳纳米管；海藻酸钠；机械性能

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

0 前言

CNTs作为一种新兴的碳纳米材料，其在导电、导热、力学、催化等方面都有优异性能，而且由于其表面积大、纳米尺寸和独特的成键结构，应用广泛。海藻酸钠作为一种天然的大分子多糖，其表面具有丰富的羧基、羟基等，这就使其具备了凝固成纤的条件。我们将SA溶液作为纺丝原液，氯化钙作为凝固浴，通过喷丝孔挤入凝固浴形成丝条，SA与凝固浴中的鈣离子发生离子交换，在海藻酸钠长丝上可以形成不溶于水的海藻酸钙凝胶，称为海藻酸钙纤维，然后将纤维进行拉伸，用纯水洗去表面上的钙离子，进一步用酒精脱去纤维上多余的水分，室温下干燥后制得了SA纤维和SA/MWNTs复合纤维。

我们利用海藻酸钠表面丰富的电荷和大分子的缠结作用，将海藻酸钠作为一种绿色环保分散剂通过有效地将CNTs可以良好的分散在SA溶液中，形成均匀，稳定，分散良好的SA/MWNTs溶液。在SA/MWNTs溶液中加入Ca2+、Sr2+、Ba2+等阳离子后，SA分子中的Na+能与二价离子发生离子交换反应，大分子中的G基团堆积形成交联网络结构，从而转变成水凝胶。因此，在SA/MWNTs复合纤维的制备过程中，常使用含钙离子的水溶液作为凝固浴。根据上述原理，本实验用自制的湿法纺丝机制备了SA/MWNTs纤维，并对其性能进行了具体的研究。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

海藻酸钠，多壁碳纳米管，无水氯化钙，湿法纺丝机，全自动单丝测试仪，集热式恒温加热磁力搅拌器，细胞粉碎仪。

1.2 实验过程

将一定质量的SA粉末溶解于适量正在搅拌着的蒸馏水中，配制成质量分数为1%的SA水溶液，先在室温下溶胀4小时，然后在50℃下继续搅拌0.5小时，制得均匀稳定的SA溶液；将MWNTs加入SA溶液中继续搅拌0.5小时，在细胞粉碎仪中超声2小时得到分散均匀稳定的SA/MWNTs溶液。然后将高浓度的海藻酸钠溶液与低浓度SA/MWNTs溶液混合均匀，制备出SA质量分数为5%的SA/MWNTs溶液。分别将质量分数为5%的SA纯溶液和SA/MWNTs溶液作为纺丝原液，置于湿法纺丝机中，通过牵伸、卷绕、干燥等工艺制备SA/MWNTs复合纤维，并将纤维恒温恒湿24小时后，使用纤维强力仪测试其机械性能，得出纤维强度和断裂伸长率，比较不同纺丝工艺、不同MWNTs含量对纯SA纤维和SA/MWNTs复合纤维机械性能的影响。

2 结果与讨论

2.1 力学性能

由表1中可知，5%的海藻酸钠溶液在牵伸倍数为1.87时制得的纤维强度和断裂伸长率都比1.65倍时有明显提升，证明纤维在此牵伸倍数下纤维得到了较好牵伸，其中的分子链取向排列，进而提高了纤维强度。

在SA溶液中加入MWNT后，纤维强度有不同程度降低，可能是由于SA与MWNT的配比未达到最优配比。在SA：MWNTs配比为100：5，牵伸倍数为2倍时，断裂强度比纯SA纤维强度有所升高，此时MWNTs在纤维中得到了很好的取向，提升了纤维强度。

3 结论

注射器纺丝是为常规湿法纺丝做准备，注射器纺丝只能纺制少量SA/MWNTs纤维，无法达到连续化生产，但是SA/MWNTs纤维中的MWNTs含量很高，且可以为SA/MWNTs纤维连续化纺制即利用常规湿法纺丝得到大量SA/MWNTs复合纤维提供理论基础以及一定的技术参考。由数据分析可得，SA/MWNTs纤维强度随着MWNTs的加入有所提高，当SA与MWNTs配比为100：5时，强度增加到2.57 CN/dtex，这比同等条件下纯SA纤维的强度有了明显提高，这说明MWNTs的加入对增加纤维的强度来说是很有效的。本实验进一步说明良好分散的MWNTs可以达到优异的力学性能，这为MWNTs的分散以及复合物进一步的实际应用提供了一定的理论基础。

根据溶液MWNTs含量不同，通过改变不同SA、MWNTs配比得到不同含量的SA/MWNTs复合纤维，通过超声分散制得了均一的SA/MWNTs溶液，且通过湿法纺丝过程，将大量MWNTs均匀分散与纤维中；当MWNTs均匀分散于SA溶液中所得纤维强度有很大提高，不能均匀分散的MWNTs对SA纤维并没有改善。而取向良好的MWNTs对纤维强度有明显提高。

作者简介：张华真（1990-），女，硕士，材料工程专业。