基于氧化石墨烯-碳化硅改性的纳米无纺布的制备方法

摘要

本发明提供了一种基于氧化石墨烯‑碳化硅改性的纳米无纺布的制备方法，包括氧化石墨烯的制备、纳米碳化硅的制备以及氧化石墨烯‑碳化硅改性的纳米无纺布的制备三个步骤。本发明通过对无纺布制备过程中加入氧化石墨烯和碳化硅成分，从而达到对无纺布的结构进行了优化，从而改善其性能。本发明所得的改性纳米无纺布具有优异的阻燃、防水性能，其阻燃等级可以达到FAR25‑853和中国CCAR‑25标准的垂直阻燃要求，按照GB/T4745进行表面沾水性测试，其表面沾水性在3‑4级之间。

权利要求

1.一种基于氧化石墨烯-碳化硅改性的纳米无纺布的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)氧化石墨烯的制备：将4-6g石墨、20-40mL浓硫酸、20-30gKMnO4和50-70ml去离子水进行混合，然后加热至60-80℃并维持6-7小时后冷却至室温，将氧化过的石墨过滤出来并用纯水清洗，之后再加入30-50mL浓硫酸、35-45g KMnO4固体，并将混合物加热至30-40℃，维持1-2h后搅拌3-5h，用400-600mL超纯水在冰浴下稀释，加入30-50mL30％H2O2溶液，搅拌

1-2h后将产品进行过滤、洗涤、干燥即得到氧化石墨烯；

(2)纳米碳化硅的制备：按C与Si的摩尔比为1.5-4：1的比例将蔗糖加入到正硅酸乙酯中，加入稀盐酸调节PH为4-5，然后将混合物在50-90℃下放置12-18h，之后将得到的产品置于通氮气气氛的马弗炉中以5-10℃/min的速率升温至800-1100℃，保温2-3h，即得到纳米碳化硅；

(3)氧化石墨烯-碳化硅改性的纳米无纺布的制备：将聚苯乙烯、PA66、氧化石墨烯、碳化硅和季戊四醇进行共混，然后通过螺杆挤出机挤出得到共混物；最后将上述共混物通过静电纺丝工艺制备得到氧化石墨烯-碳化硅改性的纳米无纺布；其中，聚苯乙烯、PA66、氧化石墨烯、碳化硅和季戊四醇的质量比为20-25：2-6：3-5：1-5：8-10。

2.根据权利要求1所述的基于氧化石墨烯-碳化硅改性的纳米无纺布的制备方法，其特征在于，步骤(1)中加热温度为70℃，反应时间为6h。

3.根据权利要求1所述的基于氧化石墨烯-碳化硅改性的纳米无纺布的制备方法，其特征在于，步骤(2)中C与Si的摩尔比为2：1。

4.根据权利要求1所述的基于氧化石墨烯-碳化硅改性的纳米无纺布的制备方法，其特征在于，步骤(2)中焙烧的温度为1000℃，煅烧时间为2h。

5.根据权利要求1所述的基于氧化石墨烯-碳化硅改性的纳米无纺布的制备方法，其特征在于，步骤(3)中静电纺丝的电压为120-150Kv。

说明书

基于氧化石墨烯-碳化硅改性的纳米无纺布的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及在一种基于氧化石墨烯-碳化硅改性的纳米无纺布的制备方法，属于纺织化学技术领域。

背景技术

[0002] 无纺布又称不织布，是由定向的或随机的纤维而构成，具有防潮、透气、柔韧、质轻、无毒无刺激性、色彩丰富等特点。经高温熔融、喷丝、铺纲、热压卷取连续一步法生产而成。其可作为手术衣、防护服、消毒包布、口罩、尿片、尿裤、妇女卫生巾等医疗卫生用布，也可作为贴墙布、台布、床单、床罩等家庭装饰用布。其需求量巨大。

[0003] 火灾意味着生命和安全的损失，对飞机来说尤其如此，火灾导致空难，飞机火灾给扑救带来困难，这就要求材料难于着火，着火后缓慢释放热量，释放尽量少的烟雾和毒气，一切都是为旅客赢得以秒为计的逃生时间。飞机座椅套是飞机客仓中重要的组成部分，且与旅客直接接触，是座椅上常用的纺织品材料。为了安全需要，这些飞机座椅套的阻燃是很重要的。各国都制定了相应的阻燃标准加以控制，例如美国的FAR25-853标准、中国的CCAR-25标准等。

[0004] 聚丙烯无纺布材料由于密度小、同体积材料中重量轻而适用于飞机及航空用，但是也存在易燃、易产生静电等缺点。而且，由于聚丙烯无纺布燃烧性好，阻燃整理困难，其常用的阻燃剂为卤素阻燃剂特别是嗅系阻燃剂，燃烧时容易放出有毒有害气体，容易对环境和人体造成伤害。

[0005] 但相对于卤素特别是嗅系阻燃剂来讲，膨胀型(I FR)阻燃剂添加量通常也比较人，通过外部涂层整理或浸轧整理方式进行添加，由于其中聚磷酸按系物质容易吸潮，会达不到要求的防水效果，采用微胶囊包覆或添加聚水整理剂的方式进行整理，会使成本增加，不利于产品应用推广;而如果采用内添加的方式，由于添加量比较大，而常规纺粘无纺布纤维细度一般在15微米以下，而熔喷无纺布纤维细度在几百纳米到1微米之间，其他物质的大量添加会造成纺丝断丝、并丝或无法纺丝的情况。这些问题使制得的聚丙烯复合材料只能应用于塑料领域，难于应用于聚丙烯无纺布的生产，压缩了聚丙烯无纺布材料的应用空间，特别是在飞机、航空航天领域的应用，使得应用成本较高，不易推广。

发明内容

[0006] 本发明目的是发展一种阻燃、防水的无纺布及其制备方法。

[0007] 为此，本发明的技术方案为：本发明提供了一种基于氧化石墨烯-碳化硅改性的纳米无纺布的制备方法，包括以下步骤：

[0008] （1）氧化石墨烯的制备：将4-6g石墨、20-40mL浓硫酸、20-30gKMnO4和50-70ml去离子水进行混合，然后加热至60-80℃并维持6-7小时后冷却至室温，将氧化过的石墨过滤出来并用纯水清洗，之后再加入30-50mL浓硫酸、35-45g KMnO4固体，并将混合物加热至30-40℃，维持1-2h后搅拌3-5h，用400-600mL超纯水在冰浴下稀释，加入30-50mL30%H2O2溶液，搅拌1-2h后将产品进行过滤、洗涤、干燥即得到氧化石墨烯；

[0009] （2）纳米碳化硅的制备：按C与Si的摩尔比为1.5-4：1的比例将蔗糖加入到正硅酸乙酯中，加入稀盐酸调节pH为4-5，然后将混合物在50-90℃下放置12-18h，之后将得到的产品置于通氮气气氛的马弗炉中以5-10℃/min的速率升温至800-1100℃，保温2-3h，即得到纳米氮化硅；

[0010] （3）氧化石墨烯-碳化硅改性的纳米无纺布的制备：将聚苯乙烯、PA66、氧化石墨烯、碳化硅和季戊四醇进行共混，然后通过螺杆挤出机挤出得到共混物；最后将上述共混物通过静电纺丝工艺制备得到氧化石墨烯-碳化硅改性的纳米无纺布。

[0011] 作为优选，上述步骤（1）中的加热温度为70℃，加热时间为6h，H2O2的体积为40ml。

[0012] 作为优选，上述步骤（2）中按C与Si的摩尔比为2：1加入蔗糖与正硅酸乙酯。

[0013] 作为优选，上述步骤（2）中的焙烧温度为1000℃，焙烧时间为2h。

[0014] 作为优选，上述步骤（3）中聚苯乙烯、PA66、氧化石墨烯、碳化硅和季戊四醇的质量比为22：4： 5：3：8。

[0015] 作为优选，上述步骤（3）中静电纺丝工艺的电压为150Kv。

[0016] 本发明制备得到的纳米无纺布纤维线径为100nm-1um。

[0017] 本发明采用氧化石墨烯和碳化硅组合改性的方式将二者添加到无纺布中，对无纺布的结构进行了整合，优化了其性能，达到了良好的阻燃、防水效果。由于二者的同时改性，克服了分别单独改性时所达不到的阻燃、防水效果，为无纺布的应用扩大了范围。

[0018] 按照上述的生产方法生产出的无纺布，同时具备了阻燃、防水的效果，其阻燃等级可以达到FAR25-853和中国CCAR-25标准的垂直阻燃要求，按照GB/T4745进行表面沾水性测试，其表面沾水性在3-4级之间;按照AATCC127测试其静水压，静水压在30-40cmH20之间。

具体实施方式

[0019] 下面通过实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

[0020] 实施例：

[0021] 实施例1

[0022] （1）氧化石墨烯的制备：将6g石墨、40mL浓硫酸、25gKMnO4和70ml去离子水进行混合，然后加热至80℃并维持6小时后冷却至室温，将氧化过的石墨过滤出来并用纯水清洗，之后再加入40mL浓硫酸、45g KMnO4固体，并将混合物加热至30℃，维持1h后搅拌5h，用600mL超纯水在冰浴下稀释，加入35mL30%H2O2溶液，搅拌1.5h后将产品进行过滤、洗涤、干燥即得到氧化石墨烯；

[0023] （2）纳米碳化硅的制备：按C与Si的摩尔比为2：1的比例将蔗糖加入到正硅酸乙酯中，加入稀盐酸调节pH为4，然后将混合物在70℃下放置15h，之后将得到的产品置于通氮气气氛的马弗炉中以80℃/min的速率升温至1000℃，保温2h，即得到纳米氮化硅；

[0024] （3）氧化石墨烯-碳化硅改性的纳米无纺布的制备：将聚苯乙烯、PA66、氧化石墨烯、碳化硅和季戊四醇按质量比22：4： 5：3：8进行共混，然后通过螺杆挤出机挤出得到共混物；最后将上述共混物通过静电纺丝工艺制备得到氧化石墨烯-碳化硅改性的纳米无纺布。

[0025] 实施例2

[0026] （1）氧化石墨烯的制备：将5g石墨、20mL浓硫酸、20gKMnO4和50ml去离子水进行混合，然后加热至60℃并维持6小时后冷却至室温，将氧化过的石墨过滤出来并用纯水清洗，之后再加入45mL浓硫酸、40g KMnO4固体，并将混合物加热至40℃，维持2h后搅拌5h，用500mL超纯水在冰浴下稀释，加入45mL30%H2O2溶液，搅拌2h后将产品进行过滤、洗涤、干燥即得到氧化石墨烯；

[0027] （2）纳米碳化硅的制备：按C与Si的摩尔比为4：1的比例将蔗糖加入到正硅酸乙酯中，加入稀盐酸调节pH为5，然后将混合物在80℃下放置16h，之后将得到的产品置于通氮气气氛的马弗炉中以7℃/min的速率升温至900℃，保温2.5h，即得到纳米氮化硅；

[0028] （3）氧化石墨烯-碳化硅改性的纳米无纺布的制备：将聚苯乙烯、PA66、氧化石墨烯、碳化硅和季戊四醇按质量比22：4： 5：3：8进行共混，然后通过螺杆挤出机挤出得到共混物；最后将上述共混物通过静电纺丝工艺制备得到氧化石墨烯-碳化硅改性的纳米无纺布。

[0029] 实施例3

[0030] （1）氧化石墨烯的制备：将4.5g石墨、35mL浓硫酸、20gKMnO4和60ml去离子水进行混合，然后加热至70℃并维持6.5小时后冷却至室温，将氧化过的石墨过滤出来并用纯水清洗，之后再加入40mL浓硫酸、40g KMnO4固体，并将混合物加热至37℃，维持1.6h后搅拌3h，用550mL超纯水在冰浴下稀释，加入40mL30%H2O2溶液，搅拌1h后将产品进行过滤、洗涤、干燥即得到氧化石墨烯；

[0031] （2）纳米碳化硅的制备：按C与Si的摩尔比为3：1的比例将蔗糖加入到正硅酸乙酯中，加入稀盐酸调节pH为4.5，然后将混合物在80℃下放置16h，之后将得到的产品置于通氮气气氛的马弗炉中以90℃/min的速率升温至1050℃，保温2.5h，即得到纳米氮化硅；

[0032] （3）氧化石墨烯-碳化硅改性的纳米无纺布的制备：将聚苯乙烯、PA66、氧化石墨烯、碳化硅和季戊四醇按质量比22：4： 5：3：8进行共混，然后通过螺杆挤出机挤出得到共混物；最后将上述共混物通过静电纺丝工艺制备得到氧化石墨烯-碳化硅改性的纳米无纺布。

[0033] 实施例4

[0034] （1）氧化石墨烯的制备：将4g石墨、30mL浓硫酸、25gKMnO4和60ml去离子水进行混合，然后加热至70℃并维持7.5小时后冷却至室温，将氧化过的石墨过滤出来并用纯水清洗，之后再加入40mL浓硫酸、45g KMnO4固体，并将混合物加热至37℃，维持1.8h后搅拌5h，用480mL超纯水在冰浴下稀释，加入38mL30%H2O2溶液，搅拌1.7h后将产品进行过滤、洗涤、干燥即得到氧化石墨烯；

[0035] （2）纳米碳化硅的制备：按C与Si的摩尔比为3.6：1的比例将蔗糖加入到正硅酸乙酯中，加入稀盐酸调节pH为4.5，然后将混合物在70℃下放置14h，之后将得到的产品置于通氮气气氛的马弗炉中以7℃/min的速率升温至950℃，保温2.4h，即得到纳米氮化硅；

[0036] （3）氧化石墨烯-碳化硅改性的纳米无纺布的制备：将聚苯乙烯、PA66、氧化石墨烯、碳化硅和季戊四醇按质量比22：4： 5：3：8进行共混，然后通过螺杆挤出机挤出得到共混物；最后将上述共混物通过静电纺丝工艺制备得到氧化石墨烯-碳化硅改性的纳米无纺布。

[0037] 实施例5

[0038] （1）氧化石墨烯的制备：将5.6g石墨、36mL浓硫酸、25gKMnO4和55ml去离子水进行混合，然后加热至75℃并维持6.5小时后冷却至室温，将氧化过的石墨过滤出来并用纯水清洗，之后再加入40mL浓硫酸、38g KMnO4固体，并将混合物加热至33℃，维持2h后搅拌4h，用500mL超纯水在冰浴下稀释，加入38mL30%H2O2溶液，搅拌1h后将产品进行过滤、洗涤、干燥即得到氧化石墨烯；

[0039] （2）纳米碳化硅的制备：按C与Si的摩尔比为2.5：1的比例将蔗糖加入到正硅酸乙酯中，加入稀盐酸调节pH为4，然后将混合物在50℃下放置18h，之后将得到的产品置于通氮气气氛的马弗炉中以10℃/min的速率升温至1100℃，保温2h，即得到纳米氮化硅；

[0040] （3）氧化石墨烯-碳化硅改性的纳米无纺布的制备：将聚苯乙烯、PA66、氧化石墨烯、碳化硅和季戊四醇按质量比22：4： 5：3：8进行共混，然后通过螺杆挤出机挤出得到共混物；最后将上述共混物通过静电纺丝工艺制备得到氧化石墨烯-碳化硅改性的纳米无纺布。

[0041] 本方法生产的无纺布用作飞机座椅座套材料时，具有阻燃、防水等特点，并且环保，可在飞机上安全使用。并且此材料使用完毕后可集中回收再造粒使用，有利原料节约。

[0042] 以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

[0043] 本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围 。