一种高吸湿有机棉混纺面料及其制备工艺

技术领域

本发明涉及有机棉混纺面料技术领域，具体为一种高吸湿有机棉混纺面料及其制备工艺。

背景技术

在纺织品行业中，棉混纺面料因其舒适性、柔软性、透气性等优点而广受欢迎。传统的棉混纺面料主要由棉纤维与其他合成纤维混合制成，然而，随着环保和健康意识的提高，越来越多的消费者和生产商开始关注有机棉混纺面料。有机棉是一种在无化肥和农药的条件下种植的天然棉花，具有环保和安全的特点。

为了提高有机棉面料的吸湿性能，研究者开始将有机棉与其他高吸湿性能纤维进行混纺。这些高吸湿纤维通常包括竹纤维、莱卡纤维、锦纶纤维、莫代尔纤维等。通过混纺技术，可以在保留有机棉环保特性的同时，提高面料的吸湿性能和舒适性。然而，在实际生产过程中，如何有效地实现有机棉与高吸湿纤维之间的结合，以及如何进一步提高混纺面料的性能仍然是一个具有挑战性的问题。

因此，发明一种高吸湿有机棉混纺面料具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高吸湿有机棉混纺面料及其制备工艺，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种高吸湿有机棉混纺面料的制备工艺：

S1：将硝酸银和聚丙烯腈粉末加入到N，N-二甲基甲酰胺中，加热至60-80℃搅拌均匀，静电纺丝，预氧化，氮气氛围中煅烧，得到纳米银碳纤维；将纳米银碳纤维和3-氯丙炔加入到N，N-二甲基甲酰胺中，加入碳酸钾搅拌反应，洗涤，干燥，得到接枝纳米银碳纤维；将石墨烯气凝胶粉末和接枝纳米银碳纤维加入到N，N-二甲基甲酰胺中，加入N，N-二甲基丙酰胺在光照条件下反应，得到改性纳米银碳纤维；

S2：将聚丙烯腈粉末加入到N，N-二甲基甲酰胺中，加热至60-80℃搅拌均匀，将改性纳米银碳纤维切割成3-5mm短碳纤维后加入，搅拌均匀，将混合溶液进行纺丝，得到改性聚丙烯腈纤维；

S3：将有机棉纤维浸入甲基丙烯酸丁酯中，加入改性纳米二氧化钛颗粒搅拌均匀，加入引发剂，加热至85-90℃反应1-2h，洗涤，干燥，得到改性有机棉纤维；

S4：将改性聚丙烯腈纤维浸入浓度为5-20g/L的氢氧化钠溶液中30-60min，取出在40-80℃下干燥2-3h后与改性有机棉纤维混合纺丝，织造，热处理，得到有机棉混纺面料。

进一步的，所述改性聚丙烯腈纤维中，按质量份数计，聚丙烯腈粉末10-20份，N，N-二甲基甲酰胺80-100份，改性纳米银碳纤维5-10份。

进一步的，所述改性有机棉纤维中，按质量份数计，有机棉纤维20-30份，甲基丙烯酸丁酯80-100份，改性纳米二氧化钛颗粒5-15份，引发剂1-5份；所述引发剂为偶氮二异丁腈和过硫酸铵中的一种。

进一步的，所述有机棉混纺面料中，改性聚丙烯腈纤维40-80份，改性有机棉纤维50-100份。

进一步的，所述纳米银碳纤维：3-氯丙炔的质量比为（2-3）：1；石墨烯气凝胶粉末：接枝纳米银碳纤维的质量比为（1-2）：1。

进一步的，所述步骤S1中，石墨烯气凝胶粉末按如下方法制备：

将石墨烯进行活化处理后超声分散在去离子水中，加入硅烷偶联剂超声分散均匀，加热至180-185℃反应4-6h，冷冻干燥，粉碎，得到石墨烯气凝胶粉末；

进一步的，所述活化处理为将石墨烯浸泡在5wt%甲烷磺酸溶液中30-45min；

进一步的，所述石墨烯气凝胶粉末的粒径为50-80nm；

进一步的，所述硅烷偶联剂为N-氨乙基-γ-氨丙基三甲氧基硅烷（KH792）、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷（KH560）和γ-巯丙基三甲氧基硅烷（KH590）；

进一步的，所述石墨烯：γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷：N-氨乙基-γ-氨丙基三甲氧基硅烷：γ-巯丙基三甲氧基硅烷的质量比为32：15：（20-30）：20；

进一步的，所述硝酸银：聚丙烯腈的质量比为1：（1-3）；

进一步的，所述预氧化的具体操作为以3±0.5℃/min的升温速率升温至140-150℃恒温30-45min，接着以2±0.5℃/min的升温速率升至190-200℃恒温30-45min，最后以1±0.5℃/min的升温速率升温至280℃恒温30-45min；

进一步的，所述煅烧温度为700-800℃，时间为1-3h。

进一步的，所述步骤S3中，所述改性纳米二氧化钛颗粒为硅烷偶联剂改性纳米二氧化钛颗粒。

进一步的，所述步骤S4中，热处理的温度为60-80℃，时间为1-2h。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明通过KH792、KH560、KH590三种硅烷偶联剂与石墨烯在高温下进行热还原和自组装作用成功制备石墨烯气凝胶，再通过粉碎机将石墨烯气凝胶粉碎制备得到粒径为50-80nm大小的气凝胶粉末，气凝胶粉末具有多孔隙，易分散等性能；

选择硝酸银为银源，聚丙烯腈为纺丝聚合物通过静电纺丝制备得到纤维膜，再通过空气预氧化和高温碳化处理成功制备纳米银碳纤维；空气预氧化使得纤维膜内部聚丙烯腈的氰基发生环化，分子间交联形成网状结构，同时在脱氢的作用下，使聚丙烯腈内部晶体系统形成环化梯形结构，最后再通过高温碳化处理，大大增强了分子间的相互连接，提高了纳米银碳纤维的热稳定性能和机械强度；

通过在纳米银碳纤维表面接枝端炔烃与石墨烯气凝胶粉末巯基发生点击化学反应，将石墨烯气凝胶粉末接枝在纳米银碳纤维表面，由于高温碳化处理过程中温度控制在700-800℃之间，使得硝酸银受热分解成纳米银颗粒一部分在碳纤维内部一部分析出在碳纤维表面，在接枝过程中气凝胶粉末不仅会接枝在碳纤维表面，其自身多孔隙的性质使得析出在碳纤维表面的纳米银颗粒镶嵌在孔隙中，大大增强了接枝的牢固性不易脱落，700-800℃下高温碳化析出的纳米银颗粒粒径小于气凝胶粉末孔径，不会堵塞孔隙的同时能够防止碳纤维表面的纳米银脱落，增强纤维吸水性能的同时大大增强了纤维的抗菌性能；

将制备得到的改性纳米银碳纤维剪切后和聚丙烯腈粉末分散在N，N-二甲基甲酰胺中通过湿法纺丝制备得到改性聚丙烯腈纤维，由于改性纳米银碳纤维表面活性基团不用另加额外分散剂防止团聚，自身就具有优异的分散性能，大大降低了生产成本，生产方便快捷；

将有机棉纤维浸于甲基丙烯酸丁酯中，引入纳米二氧化钛纳米颗粒在引发剂和催化剂的作用下成功将甲基丙烯酸丁酯改性纳米二氧化钛颗粒接枝在有机棉纤维上，制备得到改性有机棉纤维；将改性聚丙烯腈纤维碱处理后与改性有机棉纤维纺丝，热处理制备得到高吸湿有机棉混纺面料；纳米二氧化钛在纺丝过程中嵌入改性聚丙烯腈纤维孔隙中，由于纳米二氧化钛颗粒粒径小于气凝胶粉末孔隙和聚丙烯纤维碱处理后孔隙，所以在提高面料耐磨性能的同时不会造成孔隙堵塞，由于包覆作用可以有效防止纳米二氧化钛颗粒进入聚丙烯腈纤维内部与纳米银颗粒竞争堵塞孔隙，使得面料呈现外圈纳米二氧化钛颗粒，内圈纳米银颗粒的结构，外圈的二氧化钛能够增强面料的耐磨性能，同时还具有光催化作用进一步提高抗菌性能，内圈纳米银碳纤维和聚丙烯腈纤维复合能够为面料提供高柔韧性、吸湿性能和抗菌性能；最后通过甲基丙烯酸丁酯在热处理过程中交联作用，提高了改性有机棉纤维和改性聚丙烯腈纤维之间的作用力，制备得到的最中产品（面料）具有高吸湿、高抗菌、高耐磨、高柔韧性的性能。

实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下实施例中，石墨烯 CAS1034343-98-0、硝酸银、聚丙烯腈分子量为50000-85000、KH560、KH590由上海麦克林生化科技股份有限公司提供、KH792由南京化学试剂提供、KH570由南京曙光化工集团有限公司提供、纳米二氧化钛颗粒由浙江舟山纳米材料有限公司提供，粒径10-20nm、甲基丙烯酸丁酯由淄博鲁瑞精细化工股份有限公司提供；

改性纳米银碳纤维按如下方法制备：

将32g石墨烯超声分散在去离子水中，加入15gγ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、20gN-氨乙基-γ-氨丙基三甲氧基硅烷和γ-巯丙基三甲氧基硅烷20g超声分散均匀，加热至180℃反应4h，冷冻干燥，粉碎，得到石墨烯气凝胶粉末；

将10g硝酸银和20g聚丙烯腈粉末加入到150mLN，N-二甲基甲酰胺中，加热至60℃下搅拌均匀至完全溶解，静电纺丝，以3℃/min的升温速率升温至145℃恒温30min，接着以2℃/min的升温速率升至195℃恒温30min，最后以1℃/min的升温速率升温至280℃恒温30min进行预氧化处理，氮气氛围中在700℃下煅烧2h，得到纳米银碳纤维；

将20g纳米银碳纤维和10g3-氯丙炔加入到150mLN，N-二甲基甲酰胺中，加入5g碳酸钾搅拌反应2h，洗涤，干燥，得到接枝纳米银碳纤维；将20g石墨烯气凝胶粉末和10g接枝纳米银碳纤维加入到200mLN，N-二甲基甲酰胺中，加入3.5gN，N-二甲基丙酰胺在光照条件下反应，得到改性纳米银碳纤维；

硅烷偶联剂改性纳米二氧化钛颗粒按如下方法制备：

将1g纳米二氧化钛超声分散在50mL甲苯中，加入0.05gKH570加热至120℃反应2h，过滤，洗涤，干燥，得到改性纳米二氧化钛颗粒。

实施例1：一种高吸湿有机棉混纺面料的制备工艺：

S1：将10g聚丙烯腈粉末加入到100gN，N-二甲基甲酰胺中，加热至60℃搅拌均匀，将改性纳米银碳纤维切割成3mm短碳纤维后加入5g，搅拌均匀，将混合溶液脱泡处理后进行纺丝，经过凝固浴后，干燥，得到改性聚丙烯腈纤维；

S2：将20g有机棉纤维浸入100g甲基丙烯酸丁酯中，加入5g改性纳米二氧化钛颗粒搅拌均匀，加入1gAIBN，加热至85℃反应1h，洗涤，干燥，得到改性有机棉纤维；

S3：将40g改性聚丙烯腈纤维浸入浓度为20g/L的氢氧化钠溶液中30min，取出在60℃下干燥2h后与100g改性有机棉纤维混合纺丝，织造，克重为150g/m

实施例2：一种高吸湿有机棉混纺面料的制备工艺：S1：将10g聚丙烯腈粉末加入到100gN，N-二甲基甲酰胺中，加热至60℃搅拌均匀，将改性纳米银碳纤维切割成3mm短碳纤维后加入8g，搅拌均匀，将混合溶液脱泡处理后进行纺丝，经过凝固浴后，干燥，得到改性聚丙烯腈纤维；

S2：将20g有机棉纤维浸入100g甲基丙烯酸丁酯中，加入8g改性纳米二氧化钛颗粒搅拌均匀，加入2gAIBN，加热至85℃反应1h，洗涤，干燥，得到改性有机棉纤维；

S3：将60g改性聚丙烯腈纤维浸入浓度为20g/L的氢氧化钠溶液中30min，取出在60℃下干燥2h后与100g改性有机棉纤维混合纺丝，织造，克重为150g/m

实施例3：一种高吸湿有机棉混纺面料的制备工艺：S1：将10g聚丙烯腈粉末加入到100gN，N-二甲基甲酰胺中，加热至60℃搅拌均匀，将改性纳米银碳纤维切割成3mm短碳纤维后加入10g，搅拌均匀，将混合溶液脱泡处理后进行纺丝，经过凝固浴后，干燥，得到改性聚丙烯腈纤维；

S2：将20g有机棉纤维浸入100g甲基丙烯酸丁酯中，加入15g改性纳米二氧化钛颗粒搅拌均匀，加入5gAIBN，加热至85℃反应1h，洗涤，干燥，得到改性有机棉纤维；

S3：将80g改性聚丙烯腈纤维浸入浓度为20g/L的氢氧化钠溶液中30min，取出在60℃下干燥2h后与100g改性有机棉纤维混合纺丝，织造，克重为150g/m

对比例1：一种高吸湿有机棉混纺面料的制备工艺：改性纳米银碳纤维按如下方法制备：将32g石墨烯超声分散在去离子水中，加入15gγ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、20gN-氨乙基-γ-氨丙基三甲氧基硅烷和γ-巯丙基三甲氧基硅烷20g超声分散均匀，加热至180℃反应4h，冷冻干燥，粉碎，得到石墨烯气凝胶粉末；

将10g硝酸银和20g聚丙烯腈粉末加入到150mLN，N-二甲基甲酰胺中，加热至60℃下搅拌均匀至完全溶解，静电纺丝，以3℃/min的升温速率升温至145℃恒温30min，接着以2℃/min的升温速率升至195℃恒温30min，最后以1℃/min的升温速率升温至280℃恒温30min进行预氧化处理，氮气氛围中在600℃下煅烧2h，得到纳米银碳纤维；

将20g纳米银碳纤维和10g3-氯丙炔加入到150mLN，N-二甲基甲酰胺中，加入5g碳酸钾搅拌反应2h，洗涤，干燥，得到接枝纳米银碳纤维；将20g石墨烯气凝胶粉末和10g接枝纳米银碳纤维加入到200mLN，N-二甲基甲酰胺中，加入3.5gN，N-二甲基丙酰胺在光照条件下反应，得到改性纳米银碳纤维；

其余步骤与实施例1相同。

对比例2：一种高吸湿有机棉混纺面料的制备工艺：改性纳米银碳纤维按如下方法制备：将32g石墨烯超声分散在去离子水中，加入15gγ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、20gN-氨乙基-γ-氨丙基三甲氧基硅烷和γ-巯丙基三甲氧基硅烷20g超声分散均匀，加热至180℃反应4h，冷冻干燥，粉碎，得到石墨烯气凝胶粉末；

将10g硝酸银和20g聚丙烯腈粉末加入到150mLN，N-二甲基甲酰胺中，加热至60℃下搅拌均匀至完全溶解，静电纺丝，以3℃/min的升温速率升温至145℃恒温30min，接着以2℃/min的升温速率升至195℃恒温30min，最后以1℃/min的升温速率升温至280℃恒温30min进行预氧化处理，氮气氛围中在900℃下煅烧2h，得到纳米银碳纤维；

将20g纳米银碳纤维和10g3-氯丙炔加入到150mLN，N-二甲基甲酰胺中，加入5g碳酸钾搅拌反应2h，洗涤，干燥，得到接枝纳米银碳纤维；将20g石墨烯气凝胶粉末和10g接枝纳米银碳纤维加入到200mLN，N-二甲基甲酰胺中，加入3.5gN，N-二甲基丙酰胺在光照条件下反应，得到改性纳米银碳纤维

其余步骤与实施例1相同。

对比例3：一种高吸湿有机棉混纺面料的制备工艺：改性纳米银碳纤维按如下方法制备：将32g石墨烯超声分散在去离子水中，加入15gγ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、20gN-氨乙基-γ-氨丙基三甲氧基硅烷和γ-巯丙基三甲氧基硅烷20g超声分散均匀，加热至180℃反应4h，冷冻干燥，粉碎，得到石墨烯气凝胶粉末；

将10g硝酸银和20g聚丙烯腈粉末加入到150mLN，N-二甲基甲酰胺中，加热至60℃下搅拌均匀至完全溶解，静电纺丝，以4℃/min的升温速率升温至145℃恒温30min，接着以3℃/min的升温速率升至195℃恒温30min，最后以2℃/min的升温速率升温至280℃恒温30min进行预氧化处理，氮气氛围中在700℃下煅烧2h，得到纳米银碳纤维；

将20g纳米银碳纤维和10g3-氯丙炔加入到150mLN，N-二甲基甲酰胺中，加入5g碳酸钾搅拌反应2h，洗涤，干燥，得到接枝纳米银碳纤维；将20g石墨烯气凝胶粉末和10g接枝纳米银碳纤维加入到200mLN，N-二甲基甲酰胺中，加入3.5gN，N-二甲基丙酰胺在光照条件下反应，得到改性纳米银碳纤维；

其余步骤与实施例1相同。

对比例4：一种高吸湿有机棉混纺面料的制备工艺：改性纳米银碳纤维按如下方法制备：将32g石墨烯超声分散在去离子水中，加入15gγ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、和γ-巯丙基三甲氧基硅烷20g超声分散均匀，加热至180℃反应4h，冷冻干燥，粉碎，得到石墨烯气凝胶粉末；

将10g硝酸银和20g聚丙烯腈粉末加入到150mLN，N-二甲基甲酰胺中，加热至60℃下搅拌均匀至完全溶解，静电纺丝，以3℃/min的升温速率升温至145℃恒温30min，接着以2℃/min的升温速率升至195℃恒温30min，最后以1℃/min的升温速率升温至280℃恒温30min进行预氧化处理，氮气氛围中在700℃下煅烧2h，得到纳米银碳纤维；

将20g纳米银碳纤维和10g3-氯丙炔加入到150mLN，N-二甲基甲酰胺中，加入5g碳酸钾搅拌反应2h，洗涤，干燥，得到接枝纳米银碳纤维；将20g石墨烯气凝胶粉末和10g接枝纳米银碳纤维加入到200mLN，N-二甲基甲酰胺中，加入3.5gN，N-二甲基丙酰胺在光照条件下反应，得到改性纳米银碳纤维；

其余步骤与实施例1相同。

对比例5：一种高吸湿有机棉混纺面料的制备工艺：改性纳米银碳纤维按如下方法制备：将32g石墨烯超声分散在去离子水中，加入15gγ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、20gN-氨乙基-γ-氨丙基三甲氧基硅烷和γ-巯丙基三甲氧基硅烷20g超声分散均匀，加热至180℃反应4h，冷冻干燥，粉碎，得到石墨烯气凝胶粉末；

将10g硝酸银和20g聚乙烯吡咯烷酮加入到150mLN，N-二甲基甲酰胺中，加热至60℃下搅拌均匀至完全溶解，静电纺丝，以3℃/min的升温速率升温至145℃恒温30min，接着以2℃/min的升温速率升至195℃恒温30min，最后以1℃/min的升温速率升温至280℃恒温30min进行预氧化处理，氮气氛围中在700℃下煅烧2h，得到纳米银碳纤维；

将20g纳米银碳纤维和10g3-氯丙炔加入到150mLN，N-二甲基甲酰胺中，加入5g碳酸钾搅拌反应2h，洗涤，干燥，得到接枝纳米银碳纤维；将20g石墨烯气凝胶粉末和10g接枝纳米银碳纤维加入到200mLN，N-二甲基甲酰胺中，加入3.5gN，N-二甲基丙酰胺在光照条件下反应，得到改性纳米银碳纤维。

试验：

吸湿性能检测：待测样品为10cm×10cm正方形面料；

根据GB/T 12704.102009 采用透湿机对织物进行测定，设定温度为40℃，相对湿度为90%的情况下除去杯盖，置于试验箱中平衡1h，迅速盖上杯盖，然后在室温条件下在硅胶干燥器中平衡30min，计算透湿量；

断裂强度性能检测：待测样品为20cm×5cm长方形面料：

根据GB/T 3923.1-2013 进行断裂强度测试，以10mm/min速率拉伸。

结论：实施例1-3制备得到的高吸湿面料具有较强的吸湿率和抗拉伸性能

对比例1中，在制备改性纳米银碳纤维过程中在煅烧纳米银碳纤维过程中煅烧温度过低，导致纳米银析出量减少，纳米银粒径变小，孔隙镶嵌能力减弱，使得抗菌性能和抗拉伸性能降低；

对比例2中，在制备改性纳米银碳纤维过程中在煅烧纳米银碳纤维过程中煅烧温度过高，导致纳米银析出量增大，纳米银粒径变大，容易造成孔隙堵塞，使得吸湿性能和抗拉伸性能降低；

对比例3中，在制备改性纳米银碳纤维过程中在预氧化过程中升温速率过快导致纤维内部氧化不完全，出现局部氧化程度过高或过低的现象，使得抗拉伸性能降低和抗菌性能降低；

对比例4中，在制备石墨烯气凝胶粉末过程中，未加入氨基硅烷偶联剂导致气凝胶介孔结构减少，比表面积下降，使得吸湿性能降；

对比例5中，在制备改性纳米银碳纤维过程中，将聚丙烯腈替换为聚乙烯吡咯烷酮，在高温炭化后纤维之间完全熔化发生粘接，碳化后质量损失较大，导致性能降低；

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。