一种耐腐蚀湿度响应的石墨烯复合智能纤维

技术领域

本发明涉及纺织材料技术领域，具体属于一种耐腐蚀湿度响应的石墨烯复合智能纤维。

背景技术

随着科技的进步与人们的需求，智能纺织品已成为纺织行业的研究热点。智能纺织品是将纺织技术与信息技术相结合在一起能用于人体穿着的新型纺织品，其能对人体的生物状态进行实时的监控与反馈。智能纺织品发展迅速，渗透到各个领域，越发越被人们重视。环境湿度通过影响人体自身的热平衡、皮肤湿润度、呼吸器官感知等因素对人类的舒服感造成影响。当环境湿度太大时，人就会变得无精打采、精神萎靡不振。而当环境湿度太小时，人体自身的水分的蒸发会加快，导致人的心情烦躁。因此，环境的湿度会影响着人体的身体状况，因此湿敏型传感器在智能纺织品领域占据着重要的地位，而常见的湿敏传感器可分为薄膜型传感器与纤维型传感器。而纤维型的传感器相对于薄膜型的柔性传感器，其具有更好地嵌入纺织品，更佳的穿适性等特点，因此纤维型的传感器更适合用于智能纺织品中，再者常见的湿敏传感器(如金属湿敏传感器、薄膜传感器等)仅可在普通的环境中进行工作，无法在强腐蚀性中进行工作，因此对于强腐蚀性中湿敏传感工作存在缺憾。

中国专利申请号201911230804.X(一种基于碳基柔性湿敏器件的露点测量方法)介绍了一种薄膜型基于碳基柔性湿敏器件，其利用激光诱导的方法制备具有碳电极的柔性薄膜，再利用电纺的方式在柔性薄膜上喷涂氧化石墨烯，形成全碳基的柔性湿敏器，最后将全碳基的柔性湿敏器件与半导体制冷器相结合，通过主动控温的方式在湿敏器件表面产生结露，利用电极的电容量识别露点时刻并准确获得结果，同时湿敏器件具有很好的抗腐蚀特性。但是该方法的制备复杂，条件要求高，成本高，且属于薄膜型的湿敏器件，难于应用于嵌入智能纺织品中。

中国专利申请号201610058509.0(一种湿度敏感可伸缩聚苯胺导电纤维及其制备方法)介绍了一种纤维状的湿度敏感可伸缩聚苯胺导电纤维，其氨纶包芯棉纱以氨纶为内线，弯曲缠绕在氨纶内线上的棉纱线包裹内线，质子酸掺杂聚苯胺形成的导电层均匀包覆在棉纱线上，该纤维导电率随环境湿度的变化而变化。但该方法的制备复杂，需要使用大量的化学药剂，难以大量产业化生产，且不耐腐蚀性。

综上所述，一种高效简单，无化学药剂的绿色环保耐腐蚀湿敏传感纤维的制备方法是我们需要关注和研究的，以便更好地服务于智能纺织品生产中。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种耐腐蚀湿度响应的石墨烯复合智能纤维，具有优异的耐腐蚀性能，纤维状的材料使得其更为容易应用于智能纺织品中，可在腐蚀的环境中进行湿敏工作，具有巨大的产业化前景。

为了实现上述目的，本发明提供的一种耐腐蚀湿度响应的石墨烯复合智能纤维，从内到外由芯层与表层组成，所述芯层为改性耐腐蚀高吸湿脱湿纤维层，所述表层为石墨烯片层，所述石墨烯片层由多个石墨烯碎片有序上下交叠呈鳞片叠加覆盖状分布在改性耐腐蚀高吸湿脱湿纤维层表面而成。

优选的，所述改性耐腐蚀高吸湿脱湿纤维层由改性的树脂母粒纺丝而成。

优选的，所述改性的树脂母粒包括有聚酯和聚酰胺共聚母粒、阳离子改性的聚酯纤维母粒、吸湿改性聚酰胺纤维母粒、吸湿改性聚丙烯纤维母粒、聚氨酯纤维母粒、聚乙烯醇缩醛与聚氯乙烯共混纤维母粒。

优选的，所述石墨烯碎片厚度为0.1-20μm之间。

优选的，所述石墨烯碎片通过部分植入改性耐腐蚀高吸湿脱湿纤维层中来与改性耐腐蚀高吸湿脱湿纤维层固定连接。

优选的，一种耐腐蚀湿度响应的石墨烯复合智能纤维由如下步骤制备而成：

S1.将石墨烯进行分散处理形成石墨烯碎片后并放置进植入装置中；

S2.将经过改性的树脂母粒放置进熔融纺丝机内部并调节加工温度进行纺丝；

S3.在纤维的出丝口将石墨烯片层植入到纤维表面；

S4.进行热压，冷却，清洗，烘干处理。

优选的，所述的石墨烯的分散处理方法为物理分散法，所述物理分散法包括研磨分散、球磨分散或超声波分散。

优选的，所述的石墨烯片层植入方式为双面热风植入法。

优选的，所述双面热风植入法的热风温度为：聚酯和聚酰胺共聚母粒为210-230℃；阳离子改性的聚酯纤维母粒为200-230℃；吸湿改性聚酰胺纤维母粒为190-210℃；吸湿改性聚丙烯纤维母粒为140-160℃；聚氨酯纤维母粒为60-200℃；聚乙烯醇缩醛与聚氯乙烯共混纤维母粒为210-230℃。

优选的，所述双面热风植入法的风力作用是在植入区设置风扇，风扇的位置是相互相对，其风速为500－1500转/分钟。

(1)本技术方案的优点在于：(1)本发明具有优异的耐腐蚀性能，纤维状的材料使得其更为容易应用于智能纺织品中，利用石墨烯片层有序上下交叠覆盖在纤维的表层与耐腐蚀且高吸湿有机纤维在不同相对湿度环境中的吸湿率和吸湿膨胀特性，使其体积发生相对应变化进而导致表层相交叠的耐腐蚀石墨烯发生不同程度的偏移和分离，从而导致复合纤维的电阻快速产生不同程度的升高，可在腐蚀的环境中进行湿敏工作，具有巨大的产业化前景，是一种绿色环保的耐腐蚀湿敏传感纤维。

(2)本发明属于耐腐蚀湿敏纤维材料的物理后加工制备，利用的是树脂熔融纺丝法与双面热风植入结合的全物理方法。而现如今的湿敏材料多以薄膜为主，纤维型的研究较少，而其中纤维型湿敏材料的主要常用制备方法为化学后加工，包芯纱加工等，这些方法存在这加工复杂，使用化学药剂等缺点。而本发明为制备方法非常简单，制备成本很低，生产效率显著提高，再者本发明全物理制备，无需使用化学药剂，绿色环保。

(3)本发明该利用石墨烯片层有序上下交叠覆盖在纤维的表层，纤维在不同的相对湿度环境中纤维的吸湿特性，使得其体积发生相对应变化进而导致表层相连的石墨烯的相互接触面积发生偏移，导致复合纤维的电导率产生相对应的变化。该方法制备出的复合纤维灵敏度高，响应恢复性能佳。

本发明是一种新型耐腐蚀湿敏纤维，由于选择的基材与功能材料具有优异的耐腐蚀性能，因此使其复合纤维具有优异的耐腐蚀性性能，再者该制备其可应用于多种常见的化学纤维中，大大增大了应用范围，再者纤维状的材料使得其更为容易应用于智能纺织品中，可在腐蚀的环境中进行湿敏工作。具有巨大的产业化前景。

附图说明

图1为本发明一种耐腐蚀湿度响应的石墨烯复合智能纤维的横截面图示意图；

图2为本发明一种耐腐蚀湿度响应的石墨烯复合智能纤维纵截面示意图；

图3为本发明一种耐腐蚀湿度响应的石墨烯复合智能纤维在不同相对湿度坏境下相连石墨烯碎片之间的接触变化情况：(a)在干燥环境下；(b)在低中相对湿度环境下；(c)在高相对湿度环境下；

图4为实施例2在酸性腐蚀性环境下的湿度敏感特性；

图5为实施例3在碱性腐蚀性环境下的湿度敏感特性；

图6为实施例4在酸性腐蚀性环境下的湿度敏感特性；

附图标记说明：1、改性耐腐蚀高吸湿脱湿纤维层；2、石墨烯片层；21、石墨烯碎片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

如图所示：提供的一种耐腐蚀湿度响应的石墨烯复合智能纤维，从内到外由芯层与表层组成，所述芯层为改性耐腐蚀高吸湿脱湿纤维层1，所述表层为石墨烯片层2，所述石墨烯片层2 由多个石墨烯碎片21有序上下交叠呈鳞片叠加覆盖状分布在改性耐腐蚀高吸湿脱湿纤维层 1表面而成；所述改性耐腐蚀高吸湿脱湿纤维层1由改性的树脂母粒纺丝而成；所述改性的树脂母粒包括有聚酯和聚酰胺共聚母粒、阳离子改性的聚酯纤维母粒、吸湿改性聚酰胺纤维母粒、吸湿改性聚丙烯纤维母粒、聚氨酯纤维母粒、聚乙烯醇缩醛与聚氯乙烯共混纤维母粒；所述石墨烯碎片21厚度为0.1-20μm之间；所述石墨烯碎片21通过部分植入改性耐腐蚀高吸湿脱湿纤维层1中来与改性耐腐蚀高吸湿脱湿纤维层1固定连接。

实施例2

一种耐腐蚀湿度响应的石墨烯复合智能纤维由如下步骤制备而成：

先使用球磨仪器将直径为2um双层石墨烯球磨30分钟进行球磨分散并将其放置在植入区内，再将阳离子改性的聚酯纤维母粒放置到熔融纺丝机，并调至加热温度到230℃进行纺丝，待纤维出丝时，启动热风植入设置，为了防止纤维冷却成丝难以植入将温植入设置度调至 200℃，将石墨烯植入都纤维的表面，然后辊压将石墨烯贴附在纤维表面，并清洗表面的多余石墨烯，烘干后便制备出石墨烯/阳离子改性的聚酯复合纤维。

将实验装置内部调至到不同的相对湿度，并通入酸性气味，模拟出在酸性腐蚀性环境下的不同的相对湿度实验环境，再通过在吉时利数字源表2400进行测量纤维的湿度敏感特性，所有试验均在室温下进行。测试过程如下：首先将湿敏纤维放置在0％RH的环境下进行干燥，然后分别放置在低中高相对湿度环境(11％，52％和97％RH)中测试其性能，结果如图4所示，石墨烯/阳离子改性的聚酯复合纤维在低中高相对湿度发生变化的过程中具有不同的响应及恢复特性。在低湿度的环境下响应时间和恢复时间分别为1.5s和1.6s，而在中湿度的环境下响应时间和恢复时间分别为3.8s和4.1s，最后高湿度的环境下响应时间和恢复时间分别为4.8s和4.3s。而其在低中高相对湿度也具体良好的灵敏度分别为3％、21％、67％。

实施例3

一种耐腐蚀湿度响应的石墨烯复合智能纤维由如下步骤制备而成：

先将石墨烯在超声分散仪中超声分散5分钟后，对其进行烘干，并将其放置在植入区内，再将吸湿改性聚酰胺纤维母粒放置到熔融纺丝机，并调至加热温度到210℃进行纺丝，待纤维出丝时，启动热风植入设置，为了防止纤维冷却成丝难以植入，将温植入设置度调至200℃，将石墨烯植入都纤维的表面，然后辊压将石墨烯贴附在纤维表面，并清洗表面的多余石墨烯，烘干后便制备出石墨烯/聚酯和聚酰胺共聚复合纤维。

将实验装置内部调至到不同的相对湿度，并通入碱性气味，模拟出在碱性腐蚀性环境下的不同的相对湿度实验环境，再通过在吉时利数字源表2400进行测量纤维的湿度敏感特性，所有试验均在室温下进行。测试过程如下：首先将湿敏纤维放置在0％RH的环境下进行干燥，然后分别放置在低中高相对湿度环境(11％，52％和97％RH)中测试其性能，结果如图5所示，石墨烯/聚酯和聚酰胺共聚复合纤维在低中高相对湿度发生变化的过程中具有不同的响应及恢复特性。在低湿度的环境下响应时间和恢复时间分别为2s和2s，而在中湿度的环境下响应时间和恢复时间分别为3.4s和3.8s，最后高湿度的环境下响应时间和恢复时间分别为4.1s和4.2s。而其在低中高相对湿度也具体良好的灵敏度分别为5％、28％、87％。

实施例4

一种耐腐蚀湿度响应的石墨烯复合智能纤维由如下步骤制备而成：

先使用研磨仪器将直径为20um多层石墨烯研磨20分钟进行研磨分散并将其放置在植入区内，再将聚酯和聚酰胺共聚的纤维母粒放置到熔融纺丝机，并调至加热温度到233℃进行纺丝，待纤维出丝时，启动热风植入设置，为了防止纤维冷却成丝难以植入将温植入设置度调至210℃，将石墨烯植入都纤维的表面，然后辊压将石墨烯贴附在纤维表面，并清洗表面的多余石墨烯，烘干后便制备出石墨烯/聚酯和聚酰胺共聚复合纤维。

将实验装置内部调至到不同的相对湿度，并通入酸性气味，模拟出在酸性腐蚀性环境下的不同的相对湿度实验环境，再通过在吉时利数字源表2400进行测量纤维的湿度敏感特性，所有试验均在室温下进行。测试过程如下：首先将湿敏纤维放置在0％RH的环境下进行干燥，然后分别放置在低中高相对湿度环境(11％，52％和97％RH)中测试其性能，结果如图6所示，石墨烯/聚酯和聚酰胺共聚复合纤维在低中高相对湿度发生变化的过程中具有不同的响应及恢复特性。在低湿度的环境下响应时间和恢复时间分别为1s和1.1s，而在中湿度的环境下响应时间和恢复时间分别为2.1s和2.1s，最后高湿度的环境下响应时间和恢复时间分别为2.3s和2.1s。而其在低中高相对湿度也具体良好的灵敏度分别为10％、68％、99％。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。