韋凌志

(廣西科學院應用物理研究所 廣西 南寧 530007)

0 引言

滌綸是一種廣泛應用的合成纖維,其具有優(yōu)異的物理化學性質和良好的加工性能,在紡織、建筑、醫(yī)療等領域有廣泛的應用。然而,傳統(tǒng)滌綸纖維在某些方面還存在著一些局限性,如力學性能和熱穩(wěn)定性等方面需要進一步提高。石墨烯作為一種新型納米材料,具有優(yōu)異的力學性能、熱穩(wěn)定性和導電性能等特點,因此被廣泛應用于材料科學領域。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)和化學性質均發(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性質,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對滌綸纖維表面進行改性,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。利用光氧化技術對滌綸纖維表面進行處理,可以使纖維表面形態(tài)和化學性質均發(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,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電性能和力學性能。

(3)電化學沉積法。將滌綸纖維作為陰極放置在含有石墨烯前體物質的電解質溶液中,通過電化學反應,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電性能和力學性能。

2 石墨烯改性滌綸的物理化學性質分析

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)結構和外觀特征進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。常用的纖維形態(tài)分析方法包括光學顯微鏡觀察、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,從而為纖維的應用和設計提供參考。在進行纖維拉伸試驗時,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)設定試驗參數。根據需要,設定拉伸速度、最大負荷等試驗參數。

(3)進行拉伸試驗。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。根據載荷—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。

通過纖維拉伸性能分析,可以評價纖維的拉伸性能,為纖維的設計和應用提供依據。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。

2.2 熱穩(wěn)定性分析

熱穩(wěn)定性分析是指對纖維進行熱性能測試,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,從而為纖維的應用和設計提供參考。在進行纖維熱穩(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)設定試驗參數。根據需要,設定升溫速率、升溫溫度范圍等試驗參數。

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

(4)分析結果。根據試驗數據,繪制樣品的熱重曲線,計算樣品的熱分解溫度、殘余質量等指標。

2.2.2 差熱分析法

利用差熱分析儀對纖維進行熱性能測試,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)設定試驗參數。根據需要,設定升溫速率、升溫溫度范圍等試驗參數。

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

(4)分析結果。根據試驗數據,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構信息,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及其與纖維性能的關系。

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構和分子層面的特征。通過對纖維表面形貌的分析,可以了解纖維表面的化學成分、分子結構和表面特性,為纖維的改性和應用提供依據。

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系,為纖維的改性和應用提供依據。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。

3 石墨烯改性滌綸紡絲工藝條件研究

3.1 實驗設計及工藝條件

石墨烯改性滌綸紡絲工藝條件研究的實驗設計及工藝條件包括以下幾個方面:

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

(2)原料準備。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。根據實驗設計方案,將滌綸紡絲溶液加熱至設定溫度,控制紡絲速度和噴嘴直徑,進行紡絲加工。

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

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

3.2 紡絲質量分析

石墨烯改性滌綸紡絲的質量分析是評價材料性能的重要手段。下面介紹紡絲質量分析的主要內容為使用掃描電鏡等設備,對纖維直徑進行測量。纖維直徑的大小直接影響材料的力學性能和表面性質。采用電子萬能試驗機等設備,對纖維的拉伸性能進行測試。纖維拉伸強度和斷裂伸長率是衡量纖維性能的重要指標。使用差示掃描量熱儀等設備,對纖維的熱穩(wěn)定性進行測試。熱穩(wěn)定性對于纖維在高溫環(huán)境下的應用具有重要意義。使用紅外光譜儀等設備,對纖維表面進行分析。纖維表面的化學性質和形貌對纖維在使用過程中的表現有很大的影響。使用掃描電鏡等設備,對纖維形態(tài)進行觀察和分析。纖維形態(tài)的改變直接影響材料的力學性能和表面性質。通過對紡絲質量的分析,可以評價石墨烯改性滌綸紡絲材料的性能和應用前景,同時為進一步優(yōu)化工藝條件和改善材料性能提供參考依據。

3.3 紡絲成紗的物理性能分析

(1)紗線密度分析。使用電子天平等設備,對紗線的線密度進行測量。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備,對紗線的強度進行測試。紗線的強度是評價紡織品耐久性的重要指標。

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

(4)紗線細度分析。使用光學顯微鏡等設備,對紗線的細度進行測量。紗線的細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備,對紗線的平整度進行測試。紗線平整度的好壞直接影響紡織品的外觀和品質。

通過對紡絲成紗的物理性能進行分析,可以了解石墨烯改性滌綸紡絲材料的紡織品適用性能,并為進一步優(yōu)化工藝條件和改善材料性能提供參考依據。

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)纖維表面和內部共存。石墨烯分布在滌綸纖維的表面和內部。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險。

綜上,石墨烯在滌綸纖維中的分布狀況應該盡量實現包覆分散的狀態(tài),以充分發(fā)揮其改性作用。同時,應該采取合適的方法,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性能。石墨烯具有優(yōu)異的彈性恢復和抗疲勞性能,添加石墨烯可以提高滌綸纖維的抗疲勞性能和形變恢復能力,延長其使用壽命。而且石墨烯具有低摩擦系數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,降低摩擦系數和磨損率。石墨烯是一種優(yōu)異的導電材料,添加石墨烯可以使滌綸纖維獲得良好的導電性能,可應用于電子設備、智能紡織品等領域。

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,需要對其表面能進行調控,以實現對纖維性能的有針對性改善。

5 結語

石墨烯作為一種新型材料,在適當的添加量和紡絲工藝條件下,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,適當的石墨烯形態(tài)和添加量則可以實現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。