CN113215674B - 纳米纤维、其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种纳米纤维、其制备方法和应用，属于纺织品技术领域。本发明提供一种纳米纤维的制备方法，以聚乳酸、聚丙烯和聚氨酯中的任一种为主料，松香为助剂，进行熔融纺丝得到纤维原丝，再将纤维原丝牵伸得到直径范围在100nm～500nm的裂片型纳米纤维。相比于现有技术，极大程度上简化了纳米纤维的制备工艺，且整个纳米纤维的加工过程都不使用有机溶剂，不使用复杂纺丝组件，高效清洁，能耗低、绿色环保，大大节省了生产成本，具有一定的可推广性。本发明制备得到的裂片型纳米纤维在日用化工、复合材料、纺织等方面具有巨大的应用潜力。
Description
技术领域
本发明涉及一种纳米纤维、其制备方法和应用，属于纺织品技术领域。
背景技术
纳米纤维在继承常规尺寸纤维的理化性能下，凭借细度小，比表面积高的特点具有众多优良特性。与微米级细度的常规纤维相比，纳米纤维组成的纱线强度更高。纤维直径越小，弯曲刚度指数级变小，因此，纳米纤维组成的纱线制成的织物拥有手感柔软，悬垂性更好等服用性能方面的诸多优势。纳米纤维用于工业纺织品的话，更高的比表面积赋予了更优良的表面性能，例如可以具有较高的吸水性或吸油性。
目前，纳米纤维(例如纳米聚乳酸纤维)的制备方法主要包括自组装、离心纺丝、静电纺丝、模板合成及拉伸法等。这些方法通常需要使用有机溶剂，大多存在对材料或者溶剂有很高的要求、制备能耗高、不安全不环保等缺点。如离心纺丝需要采用高蒸气压的单一溶剂或挥发性差距较大的两种溶剂溶解聚合物，利用射流表面溶剂的强挥发性使射流内外产生温度差异，进而促进热致相分离效应的产生(章凯翔.离心纺丝聚乳酸纳米纤维的制备及性能研究[D].浙江理工大学,2018)。
发明内容
【技术问题】
本发明要解决的技术问题是：在既不使用有机溶剂，也不使用特殊的纺丝组件的前提下，提供一种工艺简单、经济可行的适用于聚乳酸、聚丙烯和聚氨酯的纳米纤维的制备方法。
【技术方案】
为了解决上述问题，本发明的技术构思是：以聚乳酸、聚丙烯和聚氨酯中的任一种为主料，以松香为助剂，使用双螺杆挤出机(在特定温度下)进行熔融纺丝，(无需使用有机溶剂)，采用常规的纺丝组件和喷丝板(无需使用特殊的纺丝组件和喷丝板)即可制得纤维原丝，对纤维原丝牵伸处理，以促使纤维原丝纵向纰裂，即可得到纳米纤维。
本发明的第一目的在于提供一种纳米纤维的制备方法，所述方法是以聚乳酸、聚丙烯和聚氨酯中的任一种为主料，松香为助剂，进行熔融纺丝得到纤维原丝，再将纤维原丝牵伸得到直径范围在100nm～500nm的裂片型纳米纤维。
作为本发明的一种实施方式，所述松香为普通松香或松香衍生物。
作为本发明的一种实施方式，所述松香衍生物具体为聚合松香或氢化松香。
作为本发明的一种实施方式，所述松香为聚合松香；聚合松香的质量为主料和助剂总质量为1％～40％，优选为10％～40％。
作为本发明的一种实施方式，熔融纺丝温度为170℃～200℃。优选为180～190℃。
作为本发明的一种实施方式，熔融纺丝通过双螺杆挤出机实现，控制双螺杆挤出机的转速为50～300r/min。
作为本发明的一种实施方式，在将所述主料和所述助剂进行熔融纺丝步骤之前还包括干燥步骤。
作为本发明的一种实施方式，干燥温度为50℃～90℃。优选为50℃～70℃。
作为本发明的一种实施方式，干燥时间为3～5h。
作为本发明的一种实施方式，纤维原丝在牵伸处理之前还经过收集装置，所述收集装置的转速为100～1500r/min。
本发明的第二目的在于提供一种由前述方法制得的裂片型纳米纤维。
本发明的第三目的在于提供一种裂片型纳米纤维在日用化工、复合材料、纺织方面的应用。
本发明的第四目的在于提供一种复合材料，采用前述的裂片型纳米纤维作为复合材料中的增强体。
本发明的有益效果：
(1)本发明通过将主料(例如聚乳酸)与助剂(例如聚合松香)混合并熔融纺丝，再经牵伸以促使纤维原丝纵向纰裂，即可得到纳米纤维。本发明的方法相比于现有技术，极大程度上简化了纳米纤维的制备工艺，且整个纳米纤维的加工过程都不使用有机溶剂，不使用复杂纺丝组件，高效清洁，能耗低、绿色环保，大大节省了生产成本，具有一定的可推广性。
(2)本发明所使用的助剂松香，来源天然，具有良好的相容性、耐久性、抗氧化性；主料可选可再生可降解合成高分子聚乳酸，其原料来源充足且具有良好的生物降解性，可完全降解成水和二氧化碳，不会对环境造成污染。
(3)本发明制备得到的裂片型纳米纤维在日用化工、复合材料、纺织等方面具有巨大的应用潜力。
附图说明
图1为本发明实施例1所制备的裂片型纳米聚乳酸纤维的SEM照片。
图2为单独聚乳酸及本发明实施例1所制备的裂片型纳米聚乳酸纤维的红外光谱图。
图3为本发明实施例1所制备的裂片型纳米聚乳酸纤维的TG曲线图。
图4为本发明实施例1所制备的裂片型纳米聚乳酸纤维的DTG曲线图。
图5为本发明实施例1所制备的裂片型纳米聚乳酸纤维的XRD曲线图。
具体实施方式
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解实施例是为了更好地解释本发明，不用于限制本发明。
实施例1
配制四份聚合松香与聚乳酸的混合粉末(均匀混合)，其中聚合松香的质量在混合粉末的质量中的占比分别为10％、20％、30％、40％。将混合粉末在烘箱中在70℃的条件下干燥5h，然后将干燥后的混合粉末分别加入双螺杆挤出机，在180℃条件下熔融纺丝：控制双螺杆挤出机的转速为100r/min，得到聚乳酸纤维原丝。聚乳酸纤维原丝依次经牵伸装置牵伸处理和收集装置(收集装置为收集滚筒，对纤维进行收集)，即得到裂片型纳米聚乳酸纤维。其中，控制收集装置的转速为1300r/min。控制牵伸参数为：牵伸倍数为1.1，转速20r/min。
收集得到裂片型纳米聚乳酸纤维。
实施例2
配制四份聚合松香与聚乳酸的混合粉末(均匀混合)，其中聚合松香的质量在混合粉末的质量中的占比分别为10％、20％、30％、40％。将混合粉末在烘箱中以70℃的条件下干燥5h，然后将干燥后的混合粉末分别加入双螺杆挤出机，在190℃条件下熔融纺丝：控制双螺杆挤出机转速为100r/min，得到聚乳酸纤维原丝。聚乳酸纤维原丝依次经牵伸装置牵伸处理和收集装置(收集装置为收集滚筒，对纤维进行收集)，即得到裂片型纳米聚乳酸纤维。其中，控制收集装置的转速为1300r/min。控制牵伸参数为：牵伸倍数为1.1，转速20r/min。
实施例3
配制四份普通松香与聚乳酸的混合粉末(均匀混合)，其中普通松香的质量在混合粉末的质量中的占比分别为10％、20％、30％、40％。将混合粉末在烘箱中以70℃的条件下干燥5h，然后将干燥后的混合粉末分别加入双螺杆挤出机，在190℃条件下熔融纺丝：控制双螺杆挤出机转速为100r/min，得到聚乳酸纤维原丝。聚乳酸纤维原丝依次经牵伸装置牵伸处理和收集装置(收集装置为收集滚筒，对纤维进行收集)，即得到裂片型纳米聚乳酸纤维。其中，控制收集装置的转速为1300r/min。控制牵伸参数为：牵伸倍数为1.1，转速20r/min。
对比例1
参照实施例1的方法以期制备得到裂片型纳米聚乳酸纤维，区别仅在于，省略聚合松香(即将聚合松香与聚乳酸的混合粉末替换为单独聚乳酸粉末)，其他条件同实施例1。
试验结果表明，无法制得裂片型纳米聚乳酸纤维。
结合实施例1与对比例1可知，单独聚乳酸经本发明的方法无法成功制得裂片型纳米聚乳酸纤维；聚合松香作为助剂，对裂片型纳米聚乳酸纤维的形成有着决定性的影响。
对比例2
参照实施例1的方法以期制备得到裂片型纳米聚乳酸纤维，区别仅在于，将聚合松香的质量在混合粉末的质量中的占比替换为50％，其他条件同实施例1。
试验结果表明，无法制备得到裂片型纳米聚乳酸纤维。
结合实施例1与对比例2可知，混合粉末中聚合松香的质量占比显著影响聚乳酸纤维的成丝效果。当混合粉末中聚合松香的质量占比过高时，纤维的成丝效果大大折扣。当混合粉末中聚合松香的质量占比在50％以上时，无法制备得到裂片型纳米聚乳酸纤维。
对比例3
参照实施例1的方法以期制备得到裂片型纳米聚乳酸纤维，区别仅在于，将熔融纺丝的温度调整为210℃，其他条件同实施例1。
试验结果表明，无法制备得到裂片型纳米聚乳酸纤维。
结合实施例1-2和对比例3可知，熔融纺丝温度对于裂片型纳米聚乳酸纤维的形成起到决定性作用。在过高的熔融纺丝温度(例如为210℃)条件下，聚合松香无法在体系中起作用，导致制备裂片型纳米聚乳酸纤维失败。
对比例4
参照实施例1的方法以期制备得到裂片型纳米聚乳酸纤维，区别仅在于，将聚合松香替换为聚氨酯，其他条件同实施例1。
试验结果表明，无法制备得到裂片型纳米聚乳酸纤维。
结合实施例1-2和对比例4可知，聚氨酯和聚乳酸的组合采用本发明的方法无法制备得到裂片型纳米聚乳酸纤维。说明助剂(聚合松香)种类的选择对于形成裂片型纳米纤维起到关键性作用。
由对比例1可知，单独的聚乳酸纤维本身也不具有形成裂片型纳米纤维的能力。
本领域技术人员知晓，单独的聚合松香本身可纺性较差，更不可能形成裂片型纳米纤维。
综合分析可知，以聚合松香与聚乳酸的混合粉末为原料，基于本发明方法制备裂片型纳米聚乳酸纤维是利用了聚乳酸与聚合松香之间的相互作用(协同作用)，形成特定的纤维结构，该纤维结构在牵伸力作用下会沿着纤维丝的纵向劈裂，进而形成裂片型纳米纤维。本发明的方法及前述技术构思在现有技术中均未见报道，并且通过聚乳酸与聚合松香的组合，赋予了聚乳酸纤维新的性能——提供了一种新的制备纳米纤维的方法，相比于现有技术大大降低了纳米纤维的制备难度，降低了成本，且整个加工过程不使用有机溶剂，不使用复杂纺丝组件，高效清洁，绿色环保，具有一定的可推广性。
表1实施例与对比例制备情况对照表
将主料聚乳酸替换为其他常用主料以制备裂片型纳米纤维的试验结果(其中，制备条件参照实施例1～3，可根据主料类型的不同对纺丝助剂质量占比进行适应性的调整)：
表2不同主料实施例制备情况表
试验结果表明，除了聚乳酸外，聚氨酯与聚丙烯为主料，也可采用本发明的制备方法成功制备裂片型纳米纤维，说明本发明的制备方法具有一定的可推广性。
裂片型纳米聚乳酸纤维的表征测试结果：
以实施例1为例，对本发明制备的裂片型纳米聚乳酸纤维进行了表征测试，结果如下：
实施例1所制备的裂片型纳米聚乳酸纤维的SEM照片如图1所示。由图1可见，聚乳酸纤维原丝在牵伸处理后沿纵向分裂出许多直径范围在100nm-500nm之间的纳米纤维。
单独聚乳酸及实施例1所制备的裂片型纳米聚乳酸纤维的红外光谱图如图2所示。由图2分析可知，谱图中2种样品的最强峰均是1759cm-1，是C＝O伸缩振动峰，属于聚乳酸的特征峰；1213cm-1、1134cm-1和1093cm-1处均有C-O-C的伸展振动峰，表明样品中有酯基的存在，由此可以确认裂片型纳米聚乳酸纤维的主要成分为聚乳酸。
实施例1所制备的裂片型纳米聚乳酸纤维的TG曲线图如图3所示。由图3可知，聚合松香的热降解温度最高，聚乳酸的热降解温度最低，随着聚合松香的添加量增大，裂片型纳米聚乳酸纤维的分解温度也随之增加，说明聚合松香的加入对裂片型纳米聚乳酸纤维的热降解性能有着明显的增强作用。
实施例1所制备的裂片型纳米聚乳酸纤维的DTG曲线图如图4所示。由图4可知，纯聚乳酸的在相同的温度下降解速度最快，而掺入聚合松香的裂片型纳米聚乳酸纤维的降解速度随着聚合松香含量的增加而减慢，降解速度与聚合松香的含量呈负相关。
实施例1所制备的裂片型纳米聚乳酸纤维的XRD曲线图如图5所示。从图5可以看出，聚合松香(PR)的含量对裂片型纳米聚乳酸纤维的结晶性能也存在影响，10％聚合松香的裂片型纳米聚乳酸纤维结晶峰最高，结晶性能最好；30％聚合松香的裂片型纳米聚乳酸纤维，结晶峰最低，结晶性能最差。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
Claims (4)
1.一种纳米纤维的制备方法，其特征在于，所述方法是以聚乳酸、聚丙烯和聚氨酯中的任一种为主料，松香为助剂，配制主料与助剂的混合粉末进行熔融纺丝，得到纤维原丝，再将纤维原丝牵伸，以促使纤维原丝纵向纰裂，得到直径范围在100nm～500nm的裂片型纳米纤维；
所述松香具体为聚合松香；聚合松香的质量为主料和助剂总质量的10％～40％；
熔融纺丝温度为180℃～190℃。
2.根据权利要求1所述的纳米纤维的制备方法，其特征在于，熔融纺丝通过双螺杆挤出机实现，控制双螺杆挤出机的转速为50～300r/min。
3.根据权利要求1所述的纳米纤维的制备方法，其特征在于，在将所述主料和所述助剂进行熔融纺丝步骤之前还包括干燥步骤。
4.根据权利要求1所述的纳米纤维的制备方法，其特征在于，纤维原丝在牵伸处理之前还经过收集装置，所述收集装置的转速为100～1500r/min。
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