海藻酸鈉/碳納米管復合纖維的制備及機械性能探究

摘 要：在本實驗中，我們首先通過超聲制備了均一的碳納米管分散液，然后通過機械攪拌將碳納米管分散液與海藻酸鈉溶液混合均勻，得到了均勻的海藻酸鈉/碳納米管復合溶液。接下來將分散均勻穩定的SA/MWNTs溶液作為紡絲原液，然后通過注射泵擠入到質量分數為5%的氯化鈣溶液中凝固，將纖維經過進一步拉伸，在純水和酒精中洗滌，干燥等工藝制成纖維，這些與其他纖維的的濕法紡絲原理相近。

關鍵詞：復合纖維；碳納米管；海藻酸鈉；機械性能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.10.004

0 前言

CNTs作為一種新興的碳納米材料，其在導電、導熱、力學、催化等方面都有優異性能，而且由于其表面積大、納米尺寸和獨特的成鍵結構，應用廣泛。海藻酸鈉作為一種天然的大分子多糖，其表面具有豐富的羧基、羥基等，這就使其具備了凝固成纖的條件。我們將SA溶液作為紡絲原液，氯化鈣作為凝固浴，通過噴絲孔擠入凝固浴形成絲條，SA與凝固浴中的鈣離子發生離子交換，在海藻酸鈉長絲上可以形成不溶于水的海藻酸鈣凝膠，稱為海藻酸鈣纖維，然后將纖維進行拉伸，用純水洗去表面上的鈣離子，進一步用酒精脫去纖維上多余的水分，室溫下干燥后制得了SA纖維和SA/MWNTs復合纖維。

我們利用海藻酸鈉表面豐富的電荷和大分子的纏結作用，將海藻酸鈉作為一種綠色環保分散劑通過有效地將CNTs可以良好的分散在SA溶液中，形成均勻，穩定，分散良好的SA/MWNTs溶液。在SA/MWNTs溶液中加入Ca2+、Sr2+、Ba2+等陽離子后，SA分子中的Na+能與二價離子發生離子交換反應，大分子中的G基團堆積形成交聯網絡結構，從而轉變成水凝膠。因此，在SA/MWNTs復合纖維的制備過程中，常使用含鈣離子的水溶液作為凝固浴。根據上述原理，本實驗用自制的濕法紡絲機制備了SA/MWNTs纖維，并對其性能進行了具體的研究。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

海藻酸鈉，多壁碳納米管，無水氯化鈣，濕法紡絲機，全自動單絲測試儀，集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，細胞粉碎儀。

1.2 實驗過程

將一定質量的SA粉末溶解于適量正在攪拌著的蒸餾水中，配制成質量分數為1%的SA水溶液，先在室溫下溶脹4小時，然后在50℃下繼續攪拌0.5小時，制得均勻穩定的SA溶液；將MWNTs加入SA溶液中繼續攪拌0.5小時，在細胞粉碎儀中超聲2小時得到分散均勻穩定的SA/MWNTs溶液。然后將高濃度的海藻酸鈉溶液與低濃度SA/MWNTs溶液混合均勻，制備出SA質量分數為5%的SA/MWNTs溶液。分別將質量分數為5%的SA純溶液和SA/MWNTs溶液作為紡絲原液，置于濕法紡絲機中，通過牽伸、卷繞、干燥等工藝制備SA/MWNTs復合纖維，并將纖維恒溫恒濕24小時后，使用纖維強力儀測試其機械性能，得出纖維強度和斷裂伸長率，比較不同紡絲工藝、不同MWNTs含量對純SA纖維和SA/MWNTs復合纖維機械性能的影響。

2 結果與討論

2.1 力學性能

由表1中可知，5%的海藻酸鈉溶液在牽伸倍數為1.87時制得的纖維強度和斷裂伸長率都比1.65倍時有明顯提升，證明纖維在此牽伸倍數下纖維得到了較好牽伸，其中的分子鏈取向排列，進而提高了纖維強度。

在SA溶液中加入MWNT后，纖維強度有不同程度降低，可能是由于SA與MWNT的配比未達到最優配比。在SA：MWNTs配比為100：5，牽伸倍數為2倍時，斷裂強度比純SA纖維強度有所升高，此時MWNTs在纖維中得到了很好的取向，提升了纖維強度。

3 結論

注射器紡絲是為常規濕法紡絲做準備，注射器紡絲只能紡制少量SA/MWNTs纖維，無法達到連續化生產，但是SA/MWNTs纖維中的MWNTs含量很高，且可以為SA/MWNTs纖維連續化紡制即利用常規濕法紡絲得到大量SA/MWNTs復合纖維提供理論基礎以及一定的技術參考。由數據分析可得，SA/MWNTs纖維強度隨著MWNTs的加入有所提高，當SA與MWNTs配比為100：5時，強度增加到2.57 CN/dtex，這比同等條件下純SA纖維的強度有了明顯提高，這說明MWNTs的加入對增加纖維的強度來說是很有效的。本實驗進一步說明良好分散的MWNTs可以達到優異的力學性能，這為MWNTs的分散以及復合物進一步的實際應用提供了一定的理論基礎。

根據溶液MWNTs含量不同，通過改變不同SA、MWNTs配比得到不同含量的SA/MWNTs復合纖維，通過超聲分散制得了均一的SA/MWNTs溶液，且通過濕法紡絲過程，將大量MWNTs均勻分散與纖維中；當MWNTs均勻分散于SA溶液中所得纖維強度有很大提高，不能均勻分散的MWNTs對SA纖維并沒有改善。而取向良好的MWNTs對纖維強度有明顯提高。

作者簡介：張華真（1990-），女，碩士，材料工程專業。