CN103556248A - 一种竹炭Lyocell纤维及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

一种竹炭Lyocell纤维，其是对竹炭进行表面改性处理，然后将其与浓缩后的NMMO水溶液混合，再与活化后的纤维素浆粕混合进行溶解，抽真空并保温，持续抽出多余的水分，制得纺丝原液，最后经纺丝制得的纤维中竹炭含量为3wt%～20wt%的竹炭Lyocell纤维，本发明同时提供了竹炭Lyocell纤维的制备工艺。本发明不需要引入额外试剂，利于溶剂回收，不会降低纤维力学性能，而且制得的竹炭Lyocell纤维具有良好的除菌抑菌、吸湿除潮性能。

Description

一种竹炭Lyocell纤维及其制备工艺

技术领域

本发明涉及Lyocell纤维技术领域，具体涉及一种竹炭Lyocell纤维及其制备工艺。

背景技术

纤维素是地球上储量最多、分布最广的天然高聚物，是自然界中取之不竭的可再生资源。纤维素纤维具有强度高、染色性好、纺纱性能好以及产业用途广等优势，因此，近年来全世界对纤维素纤维的市场需求量在持续增加。用NMMO水溶液作为纤维素溶剂生产的纤维素纤维成为Lyocell纤维，在纺丝原液中加入竹炭可制成竹炭Lyocell纤维。竹炭具有多孔结构，其分子细密多孔，质地坚硬，有很强的吸附能力，可消除异味、吸湿防霉、抑菌驱虫，与人体接触能去湿吸汗，促进人体血液循环和新陈代谢，缓解疲劳。竹炭具有弱导电性，起到防静电与屏蔽电磁辐射的作用。由于炭质本身有着无数的孔隙，这种炭质气孔能有效地吸附空气中一部分浮游物质，对硫化物、氢化物、甲醇、苯、酚等有害化学物质起到吸附、分解异味和消臭作用。竹炭细密多孔，比表面积大，若周围环境湿度大时，可吸收水分，若周围环境干燥，则可释放水分。因此，竹炭Lyocell越来越多的受到人们的青睐。

目前生产竹炭Lyocell纤维的主要方法是在竹炭中加入分散剂，加入水制成均匀的竹炭浆料，然后与纺丝原液混合，并加入表面活性剂，最后通过纺丝工艺制得竹炭Lyocell纤维。但是，分散剂和表面活性剂的加入污染了溶剂，给NMMO的回收带来了一定的困难，提高了成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种竹炭Lyocell纤维及其制备工艺，其不会对溶剂造成污染，而且产品具有良好的除菌抑菌、吸湿除潮性能，从而消除上述背景技术中缺陷。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种竹炭Lyocell纤维，其是对竹炭进行表面改性处理，然后将其与浓缩后的NMMO水溶液混合，再与活化后的纤维素浆粕混合进行溶解，抽真空并保温，持续抽出多余的水分，制得纺丝原液，最后经纺丝制得的纤维中竹炭含量为3wt%～20wt%的竹炭Lyocell纤维。

一种竹炭Lyocell纤维的制备工艺，步骤如下：

（1）将竹炭材料研磨至纳米级，并顺序利用硝酸处理、氨水处理，洗涤后真空干燥；

（2）将步骤（1）制备的竹炭材料再次研磨，与浓缩至74wt%～86wt%的NMMO水溶液在70～120℃下混合均匀；

（3）将纤维素浆粕利用纤维素酶进行活化，并将活化处理后的纤维素浆粕进行压榨，使之含水率约为45wt%～60wt%；

（4）将步骤（2）制得的含有竹炭的NMMO溶液与步骤（3）制备的纤维素浆粕混合，保持真空度-5×10⁴～-10×10⁴Pa，加热温度为85～120℃，用真空泵抽出多余水分制得的纺丝原液；

（5）将步骤（4）制得纺丝原液经凝固浴纺丝成型，得到竹炭Lyocell纤维。

作为一种改进，所述步骤（1）中，研磨得到的纳米级竹炭材料的粒径为50～200nm。

作为一种改进，所述步骤（1）中，硝酸处理时，将纳米竹炭加入到3～8mol/的硝酸溶液中，其中竹炭为溶液质量的15%～30%，在60～90℃下回流10～30小时，然后用去离子水反复洗涤至中性，将竹炭在真空干燥箱中80～120℃下真空干燥2～6小时。

作为一种改进，所述步骤（1）中，氨水处理时，将干燥后的竹炭研磨后加入到4～7mol/L的氨水溶液中，其中竹炭为溶液质量的20%～40%，在40～70℃恒温振荡器中恒温震荡3～8小时，然后用去离子水反复洗涤至中性。

作为一种改进，所述步骤（1）中，真空干燥时，将竹炭在真空干燥箱中80～120℃下真空干燥2～6小时。

作为一种改进，所述步骤（2）中，研磨后的竹炭材料和NMMO溶液的质量比为0.001:1～0.06:1。

作为一种改进，所述步骤（3）中，将聚合度为300～1300的纤维素浆粕粉碎加入去离子水中进行溶胀，加入纤维素酶，并用甲酸调节pH值为4～6之间，在40～60℃下保温40～100分钟，并持续搅拌，搅拌转速为100～400r/min；活化完成后，加入NaOH调节pH到9.5～11之间，并在与活化相同条件下持续搅拌6～15min，以使酶失活。

作为一种进一步的改进，所述步骤（3）中，纤维素浆粕和纤维素酶的质量比为1：0.0045～0.0055；纤维素浆粕和去离子水的质量比为1：15～1:25。

作为一种改进，所述步骤（4）中，所述纺丝原液的纤维素含量为6wt%～20wt%，NMMO含量为68wt%～78wt%，水含量为8wt%～12wt%，竹炭含量为0.2wt%～4wt%。

由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明制备的竹炭Lyocell纤维的纤度为1.1dtex～4.8dtex，干强为1cN/dtex～5cN/dtex，断裂伸长率为8%～20%，具有良好的除菌抑菌、吸湿除潮性能。

本发明是首先将竹炭用硝酸和氨水进行纯化和表面改性处理，使其表面富含羟基、羧基等极性基团，从而可以均匀分散在纺丝原液中，不需要在原液中额外加入分散剂和表面活性剂，不会造成溶剂的污染，可以简化溶剂回收方法以降低回收投入，提高溶剂的回收率节约成本。而且由于竹炭在NMMO水溶液中分散的均匀性得以加强，竹炭在lyocell纤维中的分布更加均匀，不会出现团聚现象，从而降低竹炭的加入对纤维力学性能的影响，同时可以使产品的除菌抑菌、吸湿除潮性能分布更为均匀，而不会导致产品的部分性能差异；同时，由于处理后的竹炭表面富含大量极性基团，可以与纤维素羟基形成氢键或发生反应，加强了两者之间的结合，从而不会造成传统处理方法引起的力学性能降低的问题。

纤维素是由D-吡喃式葡萄糖通过β-1,4糖苷键相互连接起来的线性高聚物，纤维素大分子中的每个葡萄糖基环均具有三个醇羟基，使纤维素分子间以及分子内具有极强的氢键作用。这时的纤维素一方面具有结晶度高、物化性能稳定、玻璃化转变温度较高的特性；另一方面，极强的氢键和较高的结晶度使得纤维素难以溶解。发明人基于该点，用纤维素酶对纤维素浆粕进行短时间的活化处理，可以破坏氢键、降低结晶度，使纤维素分子链变得疏松，NMMO分子易于渗入纤维素分子内部，降低了纤维素溶解的难度，降低了原液制备过程中的能耗，使纺丝原液粘度降低，有利于提高竹炭在原液中分布的均匀性，提高竹炭lyocell纤维的综合性能。

总之，本发明不需要加入分散剂和表面活性剂，不会对溶剂造成污染，利于NMMO的回收，在保证纤维原有力学性能不受影响的前提下，降低了成本，而且制得的竹炭Lyocell纤维具有良好的除菌抑菌、吸湿除潮性能。

本发明主要在于竹炭的处理方法，不需要引入额外试剂，利于溶剂回收，不会降低纤维力学性能，而且制得的竹炭Lyocell纤维具有良好的除菌抑菌、吸湿除潮性能。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

一种竹炭Lyocell纤维，其是对竹炭进行表面改性处理，然后将其与浓缩后的NMMO水溶液混合，再与活化后的纤维素浆粕混合进行溶解，抽真空并保温，持续抽出多余的水分，制得纺丝原液，最后经纺丝制得的纤维中竹炭含量为3wt%～20wt%的竹炭Lyocell纤维。

竹炭Lyocell纤维的制备方法的实施例如下。

实施例1

一种竹炭Lyocell纤维的制备工艺，步骤如下：

（1）竹炭纯化和表面改性：取10g竹炭材料，将竹炭材料研磨至纳米级，粒径为50nm，将纳米竹炭加入到3mol/的硝酸溶液中，其中竹炭为溶液质量的15%，在60℃下回流30小时，然后用去离子水反复洗涤至中性，将竹炭在真空干燥箱中120℃下真空干燥2小时，后将干燥后的竹炭研磨后加入到7mol/L的氨水溶液中，其中竹炭为溶液质量的20%，在40℃恒温振荡器中恒温震荡3小时，然后用去离子水反复洗涤至中性，然后将竹炭在真空干燥箱中80℃下真空干燥6小时；

（2）将步骤（1）制备的竹炭材料再次研磨，与浓缩至74wt%的NMMO水溶液在70℃下混合均匀，研磨后的竹炭材料和NMMO溶液的质量比为0.001:1；

（3）纤维素浆粕活化：将聚合度为300的纤维素浆粕粉碎加入去离子水中进行溶胀，加入纤维素酶，并用甲酸调节pH值为6，在60℃下保温40分钟，并持续搅拌，搅拌转速为400r/min，活化完成后，加入NaOH调节pH到11，并在与活化相同条件下持续搅拌15min，以使酶失活，纤维素浆粕和纤维素酶的质量比为1：0.0045，纤维素浆粕和去离子水的质量比为1：15，最后将纤维素浆粕进行压榨，使之含水率约为45wt%；

（4）溶解：将步骤（2）制得的含有竹炭的NMMO溶液与步骤（3）制备的纤维素浆粕混合，保持真空度-5×104Pa，加热温度为120℃，用真空泵抽出多余水分制得的纺丝原液，所述纺丝原液的纤维素含量为8wt%，NMMO含量为78wt%，水含量为12wt%，竹炭含量为2wt%；

（5）纺丝：将步骤（4）制得纺丝原液经凝固浴纺丝成型，得到竹炭Lyocell纤维。

本发明制备的竹炭Lyocell纤维的纤度为1.3dtex，干强为3.0cN/dtex，断裂伸长率为14%，具有良好的除菌抑菌、吸湿除潮性能。

实施例2

一种竹炭Lyocell纤维的制备工艺，步骤如下：

（1）竹炭纯化和表面改性：将竹炭材料研磨至纳米级，粒径为200nm，将纳米竹炭加入到8mol/的硝酸溶液中，其中竹炭为溶液质量的30%，在90℃下回流10小时，然后用去离子水反复洗涤至中性，将竹炭在真空干燥箱中80℃下真空干燥6小时，后将干燥后的竹炭研磨后加入到4mol/L的氨水溶液中，其中竹炭为溶液质量的40%，在70℃恒温振荡器中恒温震荡8小时，然后用去离子水反复洗涤至中性，然后将竹炭在真空干燥箱中120℃下真空干燥2小时；

（2）将步骤（1）制备的竹炭材料再次研磨，与浓缩至86wt%的NMMO水溶液在120℃下混合均匀，研磨后的竹炭材料和NMMO溶液的质量比为0.06:1；

（3）纤维素浆粕活化：将聚合度为1300的纤维素浆粕粉碎加入去离子水中进行溶胀，加入纤维素酶，并用甲酸调节pH值为4，在40℃下保温100分钟，并持续搅拌，搅拌转速为100r/min，活化完成后，加入NaOH调节pH到9.5，并在与活化相同条件下持续搅拌6min，以使酶失活，纤维素浆粕和纤维素酶的质量比为1：0.0055，纤维素浆粕和去离子水的质量比为1:25，最后将纤维素浆粕进行压榨，使之含水率约为60wt%，；

（4）溶解：将步骤（2）制得的含有竹炭的NMMO溶液与步骤（3）制备的纤维素浆粕混合，保持真空度-10×104Pa，加热温度为85℃，用真空泵抽出多余水分制得的纺丝原液，所述纺丝原液的纤维素含量为20wt%，NMMO含量为70wt%，水含量为8wt%，竹炭含量为2wt%；

（5）纺丝：将步骤（4）制得纺丝原液经凝固浴纺丝成型，得到竹炭Lyocell纤维。

本发明制备的竹炭Lyocell纤维的纤度为1.6dtex，干强为3.2cN/dtex，断裂伸长率为12%，具有良好的除菌抑菌、吸湿除潮性能。

实施例3

一种竹炭Lyocell纤维的制备工艺，步骤如下：

（1）竹炭纯化和表面改性：将竹炭材料研磨至纳米级，粒径为150nm，将纳米竹炭加入到5mol/的硝酸溶液中，其中竹炭为溶液质量的23%，在75℃下回流20小时，然后用去离子水反复洗涤至中性，将竹炭在真空干燥箱中100℃下真空干燥4小时，后将干燥后的竹炭研磨后加入到5.5mol/L的氨水溶液中，其中竹炭为溶液质量的30%，在55℃恒温振荡器中恒温震荡5.5小时，然后用去离子水反复洗涤至中性，然后将竹炭在真空干燥箱中100℃下真空干燥3.5小时；

（2）将步骤（1）制备的竹炭材料再次研磨，与浓缩至80wt%的NMMO水溶液在100℃下混合均匀，研磨后的竹炭材料和NMMO溶液的质量比为0.03:1；

（3）纤维素浆粕活化：将聚合度为1000的纤维素浆粕粉碎加入去离子水中进行溶胀，加入纤维素酶，并用甲酸调节pH值为5，在50℃下保温70分钟，并持续搅拌，搅拌转速为250r/min，活化完成后，加入NaOH调节pH到10，并在与活化相同条件下持续搅拌10min，以使酶失活，纤维素浆粕和纤维素酶的质量比为1：0.005，纤维素浆粕和去离子水的质量比为1：20，最后将纤维素浆粕进行压榨，使之含水率约为50wt%，；

（4）溶解：将步骤（2）制得的含有竹炭的NMMO溶液与步骤（3）制备的纤维素浆粕混合，保持真空度-8×104Pa，加热温度为100℃，用真空泵抽出多余水分制得的纺丝原液，所述纺丝原液的纤维素含量为12wt%，NMMO含量为74wt%，水含量为10wt%，竹炭含量为4wt%；

（5）纺丝：将步骤（4）制得纺丝原液经凝固浴纺丝成型，得到竹炭Lyocell纤维。

本发明制备的竹炭Lyocell纤维的纤度为3.1dtex，干强为2.9cN/dtex，断裂伸长率为20%，具有良好的除菌抑菌、吸湿除潮性能。

对比实施例

传统的制备方法，步骤如下：

（1）竹炭浆料配置：用粒径为75nm的竹炭，在竹炭中按竹炭重量的0.5%添加多烷基三甲基氯化铵，按竹炭重量的0.5%加入分散剂二烷氧基硅烷季铵盐，在加入去离子水，配置成18%的竹炭浆料，至于球磨机中，球磨120min制成均匀的纳米竹炭浆料；

（2）纺丝原液的制备：将聚合度为1300的棉浆粕、聚合度为1200的木浆粕按重量比1:8的混合粉碎后与浓缩后的NMMO溶液混合，在90℃下减压蒸馏形成均一稳定的纺丝原液，纺丝原液的浓度为10%；

（3）纺丝：将步骤（4）制得纺丝原液经凝固浴纺丝成型，得到竹炭Lyocell纤维。

本发明制备的竹炭Lyocell纤维的纤度为2.22dtex，干强为2.65cN/dtex，断裂伸长率为10%。

将对比实施例中生产的竹炭Lyocell纤维与实施例1-3进行对比，结果如下表：

注：除菌率是以金黄色葡萄球菌和大肠埃希氏菌为菌种，在不同的竹炭Lyocell纤维培养；吸湿性是指相同质量的竹炭Lyocell纤维在相同环境下一定时间后的含水量。

从表中可以看出，实施例1-3制备的竹炭Lyocell纤维与对比实施例中制备的竹炭Lyocell纤维在纤度、断裂伸长率方面相差不大，但是，在干强、除菌率和吸湿性方面却得到大大提高。

也就是说，实施例1-3在保证纤维力学性能，使得竹炭Lyocell纤维具有良好的除菌抑菌、吸湿除潮性能。

本发明不局限于上述具体实施方式，一切基于本发明的技术构思，所作出的结构上的改进，均落入本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种竹炭Lyocell纤维，其特征在于：是对竹炭进行表面改性处理，然后将其与浓缩后的NMMO水溶液混合，再与活化后的纤维素浆粕混合进行溶解，抽真空并保温，持续抽出多余的水分，制得纺丝原液，最后经纺丝制得的纤维中竹炭含量为3wt%～20wt%的竹炭Lyocell纤维。

2.一种如权利要求1所述的竹炭Lyocell纤维的制备工艺，其特征在于：步骤如下：

（1）将竹炭材料研磨至纳米级，并顺序利用硝酸处理、氨水处理，洗涤后真空干燥；

（2）将步骤（1）制备的竹炭材料再次研磨，与浓缩至74wt%～86wt%的NMMO水溶液在70～120℃下混合均匀；

（3）将纤维素浆粕利用纤维素酶进行活化，并将活化处理后的纤维素浆粕进行压榨，使之含水率约为45wt%～60wt%；

（4）将步骤（2）制得的含有竹炭的NMMO溶液与步骤（3）制备的纤维素浆粕混合，保持真空度-5×10⁴～-10×10⁴Pa，加热温度为85～120℃，用真空泵抽出多余水分制得的纺丝原液；

（5）将步骤（4）制得纺丝原液经凝固浴纺丝成型，得到竹炭Lyocell纤维。

3.如权利要求2所述的一种竹炭Lyocell纤维的制备工艺，其特征在于：所述步骤（1）中，研磨得到的纳米级竹炭材料的粒径为50～200nm。

4.如权利要求3所述的一种竹炭Lyocell纤维的制备工艺，其特征在于：所述步骤（1）中，硝酸处理时，将纳米竹炭加入到3～8mol/的硝酸溶液中，其中竹炭为溶液质量的15%～30%，在60～90℃下回流10～30小时，然后用去离子水反复洗涤至中性，将竹炭在真空干燥箱中80～120℃下真空干燥2～6小时。

5.如权利要求4所述的一种竹炭Lyocell纤维的制备工艺，其特征在于：所述步骤（1）中，氨水处理时，将干燥后的竹炭研磨后加入到4～7mol/L的氨水溶液中，其中竹炭为溶液质量的20%～40%，在40～70℃恒温振荡器中恒温震荡3～8小时，然后用去离子水反复洗涤至中性。

6.如权利要求5所述的一种竹炭Lyocell纤维的制备工艺，其特征在于：所述步骤（1）中，真空干燥时，将竹炭在真空干燥箱中80～120℃下真空干燥2～6小时。

7.如权利要求2所述的一种竹炭Lyocell纤维的制备工艺，其特征在于：所述步骤（2）中，研磨后的竹炭材料和NMMO溶液的质量比为0.001:1～0.06:1。

8.如权利要求2所述的一种竹炭Lyocell纤维的制备工艺，其特征在于：所述步骤（3）中，将聚合度为300～1300的纤维素浆粕粉碎加入去离子水中进行溶胀，加入纤维素酶，并用甲酸调节pH值为4～6之间，在40～60℃下保温40～100分钟，并持续搅拌，搅拌转速为100～400r/min；活化完成后，加入NaOH调节pH到9.5～11之间，并在与活化相同条件下持续搅拌6～15min，以使酶失活。

9.如权利要求8所述的一种竹炭Lyocell纤维的制备工艺，其特征在于：所述步骤（3）中，纤维素浆粕和纤维素酶的质量比为1：0.0045～0.0055；纤维素浆粕和去离子水的质量比为1：15～1:25。

10.如权利要求2所述的一种竹炭Lyocell纤维的制备工艺，其特征在于：所述步骤（4）中，所述纺丝原液的纤维素含量为6wt%～20wt%，NMMO含量为68wt%～78wt%，水含量为8wt%～12wt%，竹炭含量为0.2wt%～4wt%。