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利用碳纳米管改性蚕丝蛋白材料的研究

蒋瑜春  
【摘要】:蚕丝作为一种蛋白质纤维,是天然纤维中唯一能够大量生产的长丝纤维。自古以来,真丝绸就具有“纤维皇后”的美誉,其质地轻柔飘逸、外观华丽,并且具有良好的亲肤性和保健功能,但是其抗静电性能差,服用易产生不适感,因此需要研究提高蚕丝纤维的导电性能与真丝绸的抗静电性能,同时也能扩大其应用范围。另外,由于再生蚕丝蛋白纤维的强度较弱,因此需要探究再生蚕丝蛋白纤维的增强方法。碳纳米管由于其独特的结构及优良的力学、电学等性能,呈现出广阔的应用前景,成为国际新材料领域的研究热点。因此本研究利用碳纳米管的这些特性来提高蚕丝纤维的导电性能、改善真丝绸的抗静电性能、增强再生蚕丝蛋白纤维的力学性能。将碳纳米管应用于对蚕丝纤维和真丝绸的电学性能改性,以及再生蚕丝蛋白的增强,以期得到蚕丝/碳纳米管导电纤维、抗静电真丝绸面料,以及增强的碳纳米管/蚕丝蛋白复合纤维。 (1)浓硫酸/浓硝酸的混合溶液对碳纳米管的酸氧化改性。用红外光谱、X-射线衍射、热重分析仪对改性前后的碳纳米管进行表征,同时探究了其分散性和分散稳定性。研究结果表明:浓酸能够对碳纳米管进行有效改性。碳纳米管经酸氧化改性后产生了羧基、羟基基团;酸氧化处理没有破坏碳纳米管的主体结构;经过浓酸氧化改性后的碳纳米管具有良好的分散性和稳定性,热稳定性有所降低。 (2)浓酸氧化碳纳米管对蚕丝纤维的改性。进行了蚕丝/碳纳米管导电纤维的制备,以及最佳制备工艺条件的研究;并对导电纤维进行SEM扫描电镜观察、红外光谱、X-射线衍射、热重分析及耐洗性能、电学性能、力学性能分析。研究结果表明:制备蚕丝/碳纳米管导电纤维的最佳制备工艺条件为碳纳米管质量分数0.08%、pH值3.0、时间1.5h、温度70℃、浴比1:200;在最佳工艺条件下制备的蚕丝/碳纳米管导电纤维的体积比电阻与普通蚕丝相比降低了10个数量级,导电性能得到很大提高;蚕丝/碳纳米管导电纤维表面粗糙,碳纳米管呈现颗粒状均匀分布在蚕丝表面,其结晶度有较大幅度的下降,热稳定性略有增加,具有良好的耐洗性能,断裂强度和断裂伸长率略有下降,但仍能满足服用要求。 (3)浓酸氧化碳纳米管对真丝绸的抗静电整理。研究了最佳整理工艺的条件,并对整理后真丝绸进行SEM扫描电镜观察、红外光谱、X-射线衍射、热重分析及抗静电性能、耐洗性能、抗皱性能、力学性能分析。研究结果表明:浓酸氧化碳纳米管整理真丝绸的最佳工艺条件为碳纳米管质量分数0.04%,pH值3.0,时间1.5h,温度80℃,浴比1:400;经浓酸氧化碳纳米管整理后真丝绸的静电电压和半衰期与未整理真丝绸相比都有很大幅度的下降,抗静电性能有很大提高;经浓酸氧化碳纳米管整理得到的真丝绸表面粗糙,碳纳米管呈现颗粒状均匀分布在真丝绸表面,没有形成新的结晶结构,结晶度有一定程度的下降,热稳定性略有提高,具有良好的耐洗涤性能,折皱弹性得到一定程度的改善,断裂强力和断裂伸长率虽然略有下降,但总体保持良好。 (4)碳纳米管/蚕丝蛋白复合纤维。讨论了蚕丝蛋白浓度、纺丝温度、存放时间和碳纳米管质量分数对纺丝溶液流变性能的影响,得到了最佳纺丝工艺条件,并且对制得的复合纤维进行SEM扫描电镜观察、红外光谱、X-射线衍射、热重分析及力学性能分析。研究结果表明:碳纳米管/蚕丝蛋白复合纤维的最佳纺丝工艺为蚕丝蛋白浓度35%、纺丝温度40℃、碳纳米管质量分数1.0%、最长存放时间不超过7天;在最佳制备工艺条件下得到的碳纳米管/蚕丝蛋白复合纤维的断裂强度和断裂伸长率分别比纯再生蚕丝蛋白纤维提高了28.2%和22.4%,说明碳纳米管能够有效地改善再生蚕丝蛋白纤维的力学性能;碳纳米管/蚕丝蛋白复合纤维呈现灰色,其结构均匀,表面有一定量的微孔,仍然具有蚕丝蛋白的主要晶型特征,其热稳定性得到了有效提高。


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