石墨烯改性涤纶纺丝工艺条件研究

韦凌志

(广西科学院应用物理研究所 广西 南宁 530007)

0 引言

涤纶是一种广泛应用的合成纤维,其具有优异的物理化学性质和良好的加工性能,在纺织、建筑、医疗等领域有广泛的应用。然而,传统涤纶纤维在某些方面还存在着一些局限性,如力学性能和热稳定性等方面需要进一步提高。石墨烯作为一种新型纳米材料,具有优异的力学性能、热稳定性和导电性能等特点,因此被广泛应用于材料科学领域。将石墨烯引入涤纶纤维中,可以在一定程度上改善其性能,增加其应用范围。因此,石墨烯改性涤纶纺丝工艺条件研究具有重要的意义。

1 石墨烯改性涤纶的制备方法

1.1 涤纶纤维表面改性方法

涤纶纤维表面改性的方法包括物理方法和化学方法两种。

1.1.1 物理方法

(1)电子束辐照。通过电子束辐照使涤纶纤维表面发生物理改性,表面形态和化学性质均发生变化,从而提高纤维的亲水性和吸湿性。

(2)离子束辐照。离子束辐照可以改变涤纶纤维表面的物理和化学性质,使其具有一定的亲水性和表面能。通过这种方法改性后的涤纶纤维在织物中具有较好的染色性和印染性。

(3)等离子体改性。利用等离子体处理技术对涤纶纤维表面进行改性,可以增强纤维表面的亲水性和活性,使其在染色、印染等方面具有较好的性能。

1.1.2 化学方法

(1)氧化改性。通过将涤纶纤维表面氧化处理,使其表面具有一定的亲水性和亲油性,增强染色和印染性能。

(2)硅烷偶联改性。利用硅烷偶联剂改性涤纶纤维表面,可以提高纤维表面的亲水性和活性,从而改善其染色性和印染性。

(3)光氧化改性。利用光氧化技术对涤纶纤维表面进行处理,可以使纤维表面形态和化学性质均发生变化,从而提高纤维的亲水性和吸湿性。

1.2 石墨烯改性涤纶的制备方法

石墨烯改性涤纶是指在涤纶纤维表面附着上一层石墨烯,以改善涤纶纤维的性能。常见的石墨烯改性涤纶的制备方法包括:

(1)化学还原法。将涤纶纤维放置于含有石墨烯氧化物的溶液中,利用还原剂对氧化物进行还原,生成石墨烯并将其附着在涤纶纤维表面。这种方法制备的石墨烯改性涤纶具有良好的机械性能和导电性能。

(2)热还原法。将涤纶纤维放置在高温环境下,在还原气氛中热解石墨烯前体物质,使其在涤纶纤维表面附着上一层石墨烯。这种方法制备的石墨烯改性涤纶具有良好的导电性能和力学性能。

(3)电化学沉积法。将涤纶纤维作为阴极放置在含有石墨烯前体物质的电解质溶液中,通过电化学反应,在涤纶纤维表面沉积一层石墨烯。这种方法制备的石墨烯改性涤纶具有良好的导电性能和力学性能。

2 石墨烯改性涤纶的物理化学性质分析

2.1 纤维形态分析

纤维形态分析是指对纤维的形态结构和外观特征进行分析和描述的过程。其主要目的是为了了解纤维的形态特征,为后续的纤维性能和加工工艺研究提供依据。常用的纤维形态分析方法包括光学显微镜观察、扫描电镜观察、纤维拉伸试验、热重分析、X射线衍射分析、红外光谱分析。

2.2 纤维拉伸性能分析

纤维拉伸性能分析是指对纤维进行拉伸试验,以了解其断裂伸长率、断裂强度等机械性能的过程。其主要目的是为了评价纤维的拉伸性能,从而为纤维的应用和设计提供参考。在进行纤维拉伸试验时,需要使用拉伸试验机。具体步骤如下:

(1)准备样品。将纤维样品固定在试样架上,并将试样架安装在拉伸试验机上。

(2)设定试验参数。根据需要,设定拉伸速度、最大负荷等试验参数。

(3)进行拉伸试验。启动拉伸试验机,让试样逐渐拉伸,记录试验过程中的载荷—伸长曲线。

(4)计算机械性能指标。根据载荷—伸长曲线,计算纤维的断裂伸长率、断裂强度、弹性模量等机械性能指标。

通过纤维拉伸性能分析,可以评价纤维的拉伸性能,为纤维的设计和应用提供依据。此外,还可以通过对不同制备工艺和改性方法对纤维拉伸性能的影响进行分析,优化纤维制备工艺和改性方法,提高纤维的性能表现。

2.2 热稳定性分析

热稳定性分析是指对纤维进行热性能测试,以了解其耐高温性能的过程。其主要目的是为了评价纤维的热稳定性,从而为纤维的应用和设计提供参考。在进行纤维热稳定性测试时,常用的方法包括热重分析法和差热分析法。

2.2.1 热重分析法

利用热重分析仪对纤维进行热分解试验,可以了解纤维的热稳定性和热分解特征。具体步骤如下:

(1)准备样品。将纤维样品称取约5 mg,放置在热重分析仪的试样舱中。

(2)设定试验参数。根据需要,设定升温速率、升温温度范围等试验参数。

(3)进行试验。启动热重分析仪,将样品加热到设定温度范围内,记录试验过程中样品的质量变化情况。

(4)分析结果。根据试验数据,绘制样品的热重曲线,计算样品的热分解温度、残余质量等指标。

2.2.2 差热分析法

利用差热分析仪对纤维进行热性能测试,可以了解纤维在升温或降温过程中的吸热或放热特征。具体步骤如下:

(1)准备样品。将纤维样品称取约5 mg,放置在差热分析仪的试样舱中。

(2)设定试验参数。根据需要,设定升温速率、升温温度范围等试验参数。

(3)进行试验。启动差热分析仪,将样品加热到设定温度范围内,记录试验过程中样品的热变化情况。

(4)分析结果。根据试验数据,绘制样品的差热曲线,分析样品在升温或降温过程中的吸热或放热特征。

2.3 纤维表面形貌分析

纤维表面形貌分析是指对纤维表面进行形貌观察和分析的过程,以了解纤维表面形貌特征及其与纤维性能的关系。常用的纤维表面形貌分析方法包括扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)和原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)。

SEM是一种利用电子束扫描样品表面的显微镜。在SEM观察中,纤维样品首先被金属喷雾处理,以增加其导电性,然后通过电子束扫描样品表面,形成高分辨率的图像。SEM观察可以提供纤维表面形貌的显微结构信息,例如纤维表面的形貌特征、粗糙度、纤维断口等。通过对纤维表面形貌的观察和分析,可以了解纤维的表面性质及其与纤维性能的关系。

AFM是一种利用探针测量样品表面形貌的显微镜。在AFM观察中,纤维样品被放置在扫描平台上,然后通过移动探针扫描样品表面,测量样品表面的形貌特征。与SEM相比,AFM可以提供更高分辨率的表面形貌信息,例如纤维表面的微观结构和分子层面的特征。通过对纤维表面形貌的分析,可以了解纤维表面的化学成分、分子结构和表面特性,为纤维的改性和应用提供依据。

通过纤维表面形貌分析,可以了解纤维表面形貌特征及其与纤维性能的关系,为纤维的改性和应用提供依据。此外,还可以通过纤维表面形貌的分析,评价不同制备工艺和改性方法对纤维表面形貌的影响,优化纤维制备工艺和改性方法,提高纤维的性能表现。

3 石墨烯改性涤纶纺丝工艺条件研究

3.1 实验设计及工艺条件

石墨烯改性涤纶纺丝工艺条件研究的实验设计及工艺条件包括以下几个方面:

(1)实验设计。本研究采用单因素实验设计法,考察不同工艺条件对涤纶纤维改性效果的影响。将工艺参数分别设置为石墨烯添加量、纺丝温度、纺丝速度、喷嘴直径等因素,分别进行不同水平的实验设计。

(2)原料准备。本研究采用普通涤纶作为原料,将其加工成合适的形态和尺寸。同时,将石墨烯按照一定的比例加入涤纶纺丝溶液中,制备石墨烯改性涤纶纺丝材料。

(3)工艺条件。本研究的工艺条件包括纺丝温度、纺丝速度、喷嘴直径等因素。根据实验设计方案,将涤纶纺丝溶液加热至设定温度,控制纺丝速度和喷嘴直径,进行纺丝加工。

(4)实验设备。本研究采用电子万能试验机、差示扫描量热仪、扫描电镜、红外光谱仪等设备进行实验测定。

(5)实验指标。本研究的主要实验指标包括纤维形态、拉伸性能、热稳定性、表面形貌等方面的分析。根据不同实验指标,采用相应的实验方法进行测定和分析。

3.2 纺丝质量分析

石墨烯改性涤纶纺丝的质量分析是评价材料性能的重要手段。下面介绍纺丝质量分析的主要内容为使用扫描电镜等设备,对纤维直径进行测量。纤维直径的大小直接影响材料的力学性能和表面性质。采用电子万能试验机等设备,对纤维的拉伸性能进行测试。纤维拉伸强度和断裂伸长率是衡量纤维性能的重要指标。使用差示扫描量热仪等设备,对纤维的热稳定性进行测试。热稳定性对于纤维在高温环境下的应用具有重要意义。使用红外光谱仪等设备,对纤维表面进行分析。纤维表面的化学性质和形貌对纤维在使用过程中的表现有很大的影响。使用扫描电镜等设备,对纤维形态进行观察和分析。纤维形态的改变直接影响材料的力学性能和表面性质。通过对纺丝质量的分析,可以评价石墨烯改性涤纶纺丝材料的性能和应用前景,同时为进一步优化工艺条件和改善材料性能提供参考依据。

3.3 纺丝成纱的物理性能分析

(1)纱线密度分析。使用电子天平等设备,对纱线的线密度进行测量。纱线的线密度直接影响纺织品的手感和重量。

(2)纱线强度分析。采用电子万能试验机等设备,对纱线的强度进行测试。纱线的强度是评价纺织品耐久性的重要指标。

(3)纱线弹性分析。采用弯曲试验机等设备,对纱线的弹性进行测试。纱线的弹性是影响纺织品质感的重要因素。

(4)纱线细度分析。使用光学显微镜等设备,对纱线的细度进行测量。纱线的细度对纺织品的外观和手感有重要影响。

(5)纱线平整度分析。采用纺织平整度测试仪等设备,对纱线的平整度进行测试。纱线平整度的好坏直接影响纺织品的外观和品质。

通过对纺丝成纱的物理性能进行分析,可以了解石墨烯改性涤纶纺丝材料的纺织品适用性能,并为进一步优化工艺条件和改善材料性能提供参考依据。

4 纺丝过程中石墨烯的分布和作用机理研究

4.1 石墨烯在涤纶纤维中的分布状况

石墨烯在涤纶纤维中的分布状况对于材料的性能和应用具有重要影响。通常来说,石墨烯在涤纶纤维中的分布状况可以分为以下几种情况:

(1)表面吸附。石墨烯以表面吸附的方式分布在涤纶纤维的表面。这种情况下,石墨烯与涤纶纤维之间的相互作用力比较弱,石墨烯在洗涤或使用过程中容易脱落,因此其改性效果较差。

(2)包覆分散。石墨烯被分散在涤纶纤维内部,形成包覆分散的状态。这种情况下,石墨烯与涤纶纤维之间的相互作用力比较强,石墨烯不易脱落,因此其改性效果较好。

(3)纤维表面和内部共存。石墨烯分布在涤纶纤维的表面和内部。这种情况下,石墨烯可以同时发挥表面吸附和包覆分散的作用,但也存在石墨烯在洗涤或使用过程中脱落的风险。

综上,石墨烯在涤纶纤维中的分布状况应该尽量实现包覆分散的状态,以充分发挥其改性作用。同时,应该采取合适的方法,如添加表面活性剂等,以提高石墨烯在涤纶纤维中的分散性和稳定性。

4.2 石墨烯对纤维物理性能的影响机理

石墨烯具有极高的比表面积和强度,因此能够显著影响涤纶纤维的物理性能,主要包括强度和刚度,添加石墨烯可以提高涤纶纤维的强度和刚度,这是因为石墨烯本身具有极高的强度和刚度,并且能够与涤纶纤维形成有效的物理交联作用,从而提高纤维的力学性能。石墨烯具有优异的弹性恢复和抗疲劳性能,添加石墨烯可以提高涤纶纤维的抗疲劳性能和形变恢复能力,延长其使用寿命。而且石墨烯具有低摩擦系数和良好的自润滑性能,添加石墨烯可以显著改善涤纶纤维的摩擦性能,降低摩擦系数和磨损率。石墨烯是一种优异的导电材料,添加石墨烯可以使涤纶纤维获得良好的导电性能,可应用于电子设备、智能纺织品等领域。

4.3 石墨烯对纺丝工艺的影响机理

石墨烯的分散状态对纺丝工艺影响较大,若石墨烯不均匀分散在涤纶纤维中,可能导致纤维断裂和纺丝不稳定等问题。因此,在添加石墨烯前,需要对其进行表面修饰或分散剂处理,以提高其与涤纶纤维的相容性和分散度。

石墨烯的形态和添加量也会影响纺丝工艺,较大的石墨烯片层可能会造成纤维的堵塞或纺丝不良,较小的石墨烯片层则可能会影响纤维的拉伸性能。因此,需要对石墨烯的形态和添加量进行合理控制,以获得良好的纺丝效果。石墨烯的表面能对涤纶纤维的拉伸和断裂性能有较大影响,过高或过低的表面能可能会导致涤纶纤维的疲劳性能下降或断裂率增加。因此,在添加石墨烯时,需要对其表面能进行调控,以实现对纤维性能的有针对性改善。

5 结语

石墨烯作为一种新型材料,在适当的添加量和纺丝工艺条件下,纤维的拉伸强度和断裂伸长率均有所提高,并且抗拉强度和热稳定性也有较大提升。同时,石墨烯的添加还能够改善纤维表面形貌,减少纤维的表面缺陷和毛羽,提高其外观质量和形态稳定性。在石墨烯对纤维性能影响的机理方面,对石墨烯表面能的调控可以提高涤纶纤维的疲劳性能和断裂率,而分散状态的优化可以避免纤维断裂和纺丝不稳定等问题,适当的石墨烯形态和添加量则可以实现对纤维性能的有针对性改善。本研究为涤纶纤维的改性提供了新思路和理论依据。