[发明专利]一种高强高模量石墨烯/尼龙6纤维及制备方法

说明书

本发明涉及了一种高强高模量石墨烯/尼龙6纤维及制备方法，属于高强度纤维领域。该具有高强度高模量的石墨烯/尼龙6纤维，是由改性石墨烯与己内酰胺原位聚合并经高速熔融纺丝得到；石墨烯/尼龙6纳米复合材料由改性石墨烯与己内酰胺和各种助剂复合得到。本发明得到的石墨烯/尼龙6纳米复合材料熔融指数在15‑25之间(2.16kg，250℃)，能够高速持续通过熔融纺丝孔，实现连续高速纺丝。所得石墨烯/尼龙6纳米复合纤维具有优异的力学性能，拉伸强度>8.0cN/dtex，初始模量>9GPa，可用于轮胎帘子线、工业用布、渔网以及缆绳等国防、工业领域。

技术领域

本发明涉及了一种高强高模量石墨烯/尼龙6纤维及制备方法，属于高强高模量纤维领域。

背景技术

聚酰胺纤维俗称锦纶，是一种世界上最早工业化的合成纤维，具有优良的强度、耐磨性、弹性回复率等优点，被广泛应用于轮胎帘子线、工业用布、线缆、传送带、渔网等行业。在国防上还可用作降落伞及其他军用织品。在这些工业丝领域尤其需要尼龙6的高强度高模量性能，纯尼龙6已无法满足工业需求，工业上多采用尼龙6复合材料来提高尼龙6的强度及模量。早期尼龙6复合材料多采用玻璃纤维和纳米蒙脱土进行增强，效果有限且纺丝性能受到限制。本发明则以少量石墨烯对尼龙6进行改性，成功制备了高强高模量石墨烯/尼龙6复合纤维。

但是尼龙6/石墨烯复合材料能否进行工业化纺丝制备高强高模量复合纤维面临以下两点障碍：1.石墨烯呈二维片层结构，若添加的石墨烯为多层结构，则易分散不均发生堆叠，堵塞极小的纺丝喷头孔；2.另一方面，单层石墨烯是一种比表面积极大的二维纳米材料，因此单层石墨烯对尼龙6的增粘效果非常明显，若复合材料熔体粘度过大，一方面增加纺丝设备中螺杆的扭矩从而增加了能耗，另一方面流动性变差导致不能纺出粗旦纤维而导致无法应用于工业丝领域。因此，即使单层石墨烯具有优异的增强作用，但是在高强高模工业丝领域尚未得到应用。基于此，本发明对由改性石墨烯、己内酰胺和各种助剂复合的尼龙6/石墨烯纳米复合材料采用工业化纺丝设备进行高速熔融纺丝，成功制得了石墨烯改性的具有阻燃和抗紫外性能的尼龙6纤维。

发明内容

本发明为解决现有技术存在的问题，提供了一种高强高模量石墨烯/尼龙6纤维及制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种高强高模量石墨烯/尼龙6纤维，由100重量份的石墨烯/尼龙6纳米复合材料和0～5重量份的助剂经高速熔融纺丝得到，所述石墨烯/尼龙6纳米复合材料由尼龙6和接枝有尼龙6的单层石墨烯组成，所述石墨烯/尼龙6纳米复合材料相对粘度在3.2-3.6之间，所述接枝有尼龙6的单层石墨烯的横向尺寸大于2微米；石墨烯的质量与尼龙6的总质量之比为0.1-0.5:100。

一种高强高模量石墨烯/尼龙6纤维的制备方法，所述方法为：将100重量份的石墨烯/尼龙6纳米复合材料和0～5重量份的助剂混合均匀后，经高速熔融纺丝，即可得到本发明高强度高模量石墨烯/尼龙6纤维。

进一步地，所述石墨烯/尼龙6纳米复合材料通过以下方法制备得到：

(1)将0.1-0.5质量份的改性石墨烯、0.05-0.3质量份分子量调节剂和1-10质量份去离子水加入100质量份的己内酰胺熔体中，在80℃下高速(300～500rpm)搅拌混匀形成分散液。所述改性石墨烯为表面具有羧基、羟基等含氧官能团的单层石墨烯；碳氧比为2.5到6之间；

(2)在氮气保护下，将上述分散液在缩聚反应釜中升温至250-270℃，在0.5-1MPa下反应3小时；然后在真空下反应4小时，得到聚合物熔体；最后将聚合物熔体经水冷造粒得到石墨烯/尼龙6纳米复合材料。

进一步地，所述石墨烯的横向尺寸大于3μm。

进一步地，所述石墨烯的横向尺寸为3-10μm。

进一步地，所述的分子量调节剂可以是甲酸、乙酸、丙酸、氨水、甲胺、乙胺、丙胺、乙二胺等中的一种或多种按照任意配比组成。