技术领域
[0001] 本发明涉及一种隔热阻燃聚丙烯腈气凝胶纤维及其制备方法，属于材料技术领域。
相关背景技术
[0002] 气凝胶纤维是一种低密度、低热导率的高度多孔固体材料，具有特殊的连续网络连接孔洞结构，隔热保温性能优异，非常适合用于制备隔热纺织品，可以使得隔热纺织品轻质化、隔热性能更好。气凝胶纤维结合了气凝胶的轻质多孔结构与纤维的柔韧细长特性，具有可编织性，通过纤维自身的编织或者和其他纤维材料进行混纺可以充分发挥每种材料的特性，其中的一个代表就是聚丙烯腈气凝胶纤维。聚丙烯腈气凝胶纤维具有柔软保暖、耐候性、耐日晒性等优点，但其易燃并且骨架强度不高，力学性能较差，这些缺点限制了聚丙烯腈气凝胶纤维的大规模应用。因此，需要开发一种新的方法使得聚丙烯腈气凝胶纤维的强度提高、阻燃性能增加。
具体实施方式
[0082] 测试方法
[0083] 本发明采用微型量热仪测得热释放速率和热释放总量；采用红外热成像仪测定隔热阻燃聚丙烯腈气凝胶纤维的隔热性能；利用纤维强伸度仪测定聚丙烯腈气凝胶纤维、隔热阻燃聚丙烯腈气凝胶纤维的力学强度。
[0084] 实施例1
[0085] (1)无卤环保型阻燃交联剂的制备：
[0086] 称取2.97g螺环季戊四醇二磷酸二磷酰氯，4.97g 3‑哌嗪丙基三甲氧基硅烷加入到100mL乙腈中，在惰性气体保护下搅拌80℃反应7小时，过滤去除溶剂，使用乙醇洗涤3‑4次，烘干制得粉末状无卤环保型阻燃交联剂，产率74％。
[0087] (2)阻燃聚丙烯腈纺丝液的制备：
[0088] 通过超声搅拌方法将0.04g氧化石墨烯粉末均匀分散于16g二甲基亚砜溶剂中，得到氧化石墨烯分散液。然后向氧化石墨烯分散液中加入3g聚丙烯腈粉末和0.8g步骤(1)制得的无卤环保型阻燃交联剂，继续超声搅拌8h后，置于真空烘箱中脱泡并静置10h，得到纺丝液。
[0089] (3)隔热阻燃聚丙烯腈气凝胶纤维的制备：
[0090] 将纺丝液转移至湿法纺丝装置进行纺丝，纺丝参数为：挤出速率30μL/min，纺丝针头内径0.52mm，凝固浴(DMSO:H2O＝1:1v/v)，纺丝所得湿纤维通过牵伸卷绕机进行牵伸，牵伸倍率为4倍。牵伸后的纤维置于液氮中冷冻3min后，在冷冻干燥机中干燥24h，获得隔热阻燃聚丙烯腈气凝胶纤维。
[0091] 上述阻燃交联剂反应方程式如图1所示，将上述所得阻燃交联剂经过FTIR测试，如‑1 ‑1 ‑1图2所示，2968和2795cm 处分别为CH3和CH2特征峰，1472cm 处为C‑N键，1272cm 处为P‑O‑1 ‑1 ‑1 ‑1
键，1197cm 处为C‑O键，1025cm 处为Si‑O键，827cm 处为P‑N键，782cm 处为Si‑C键，综上所述，基本证明上述阻燃交联剂已成功制得。
[0092] 将上述所得气凝胶纤维经过FTIR测试，如图3所示，可以证明氧化石墨烯/磷硅氮阻燃交联剂/聚丙烯腈气凝胶纤维成功制得。
[0093] 将上述所得隔热阻燃聚丙烯腈气凝胶纤维进行扫描电子显微镜、热释放速率、总热释放量、隔热性能测试，分别如图4图10所示。具体性能结果见表1。
[0094] 表1不同实施例隔热阻燃聚丙烯腈气凝胶纤维性能数据
[0095]
[0096] 注：普通聚丙烯腈气凝胶纤维的制备方法参照实施例1中的步骤(3)，其中纺丝液为不添加石墨烯和无卤环保型阻燃交联剂的聚丙烯腈二甲基亚砜溶液。
[0097] 本发明制备方法简单可控，采用的阻燃交联剂绿色环保，制得的隔热阻燃聚丙烯腈气凝胶纤维隔热性能、阻燃性好，同时具备良好的力学强度。
[0098] 实施例2：不同阻燃交联剂用量制备隔热阻燃聚丙烯腈气凝胶纤维
[0099] 单因素对照：参照实施例1，仅将步骤(2)中阻燃交联剂的添加量由0.8g分别替换为0.4g、0.6g、1g、1.2g，其他条件不变，制备得到隔热阻燃聚丙烯腈气凝胶纤维。
[0100] 测定所得隔热阻燃聚丙烯腈气凝胶纤维的性能，结果见表2。
[0101] 表2不同阻燃交联剂添加量隔热阻燃聚丙烯腈气凝胶纤维性能数据
[0102]
[0103] 可见，其它条件不变，阻燃剂添加量增加，热释放速率和总热释放量降低，阻燃性好，力学强度先增加后降低，添加量为0.8时达到峰值。
[0104] 实施例3：不同牵伸倍率制备隔热阻燃聚丙烯腈气凝胶纤维
[0105] 单因素对照：参照实施例1，仅将步骤(3)中牵伸倍率由4分别替换为1、2、3、5、6，其他条件不变，制备得到隔热阻燃聚丙烯腈气凝胶纤维。
[0106] 测定所得隔热阻燃聚丙烯腈气凝胶纤维的性能，结果见表3。
[0107] 表3不同牵伸倍率隔热阻燃聚丙烯腈气凝胶纤维性能数据
[0108]
[0109] 可见，其它条件不变，牵伸倍率增加，纤维直径降低，热导率降低，隔热性能和力学强度先增加后降低。
[0110] 实施例4：不同二维材料制备隔热阻燃聚丙烯腈气凝胶纤维
[0111] 单因素对照：参照实施例1，仅将步骤(2)中的二维材料由氧化石墨烯分别替换为等量的二硫化钼、Ti3C2Tx纳米片、氮化硼，其他条件不变，制备得到隔热阻燃聚丙烯腈气凝胶纤维。
[0112] 测定所得隔热阻燃聚丙烯腈气凝胶纤维的性能，结果见表4。
[0113] 表4不同二维材料隔热阻燃聚丙烯腈气凝胶纤维性能数据
[0114]
[0115] 可见，二维材料由氧化石墨烯分别替换为二硫化钼、氮化硼、Ti3C2Tx纳米片，阻燃性能有所提高，力学强度稍有降低。
[0116] 实施例5：不同溶剂、凝固浴制备隔热阻燃聚丙烯腈气凝胶纤维
[0117] 单因素对照：参照实施例1，仅将步骤(2)和(3)中纺丝溶剂、凝固浴中的二甲基亚砜替换为等量的N,N‑二甲基甲酰胺(DMF)，其他条件不变，制备得到隔热阻燃聚丙烯腈气凝胶纤维。
[0118] 测定所得隔热阻燃聚丙烯腈气凝胶纤维的性能，结果见表5。
[0119] 表5不同溶剂、凝固浴隔热阻燃聚丙烯腈气凝胶纤维性能数据
[0120]
[0121] 可见，其它条件不变，将纺丝溶剂、凝固浴中的二甲基亚砜替换为N,N‑二甲基甲酰胺(DMF)，隔热性能和力学性能均有所降低。
[0122] 实施例6：不同挤出速率制备隔热阻燃聚丙烯腈气凝胶纤维
[0123] 单因素对照：参照实施例1，仅将步骤(3)中挤出速率由30μL/min分别替换为10、20、40、50、60μL/min，其他条件不变，制备得到隔热阻燃聚丙烯腈气凝胶纤维。
[0124] 测定所得隔热阻燃聚丙烯腈气凝胶纤维的性能，结果见表6。
[0125] 表6不同挤出速率隔热阻燃聚丙烯腈气凝胶纤维性能数据
[0126]
[0127] 可见，其它条件不变，挤出速率增加，纤维直径降低，力学强度先增加后降低。
[0128] 实施例7：不同纺丝针头内径制备隔热阻燃聚丙烯腈气凝胶纤维
[0129] 单因素对照：参照实施例1，仅将步骤(3)中纺丝针头内径由0.52mm分别替换为0.15、0.34、0.72、1.15mm，其他条件不变，制备得到隔热阻燃聚丙烯腈气凝胶纤维。
[0130] 测定所得隔热阻燃聚丙烯腈气凝胶纤维的性能，结果见表7。
[0131] 表7不同针头内径隔热阻燃聚丙烯腈气凝胶纤维性能数据
[0132]
[0133] 可见，其它条件不变，纺丝针头内径增加，纤维直径增大，力学强度先增加后降低。
[0134] 实施例8：不同氯端含磷单体阻燃交联剂制备隔热阻燃聚丙烯腈气凝胶纤维[0135] 单因素对照：参照实施例1，仅将步骤(1)中的螺环季戊四醇二磷酸二磷酰氯分别替换为等量的六氯环三磷腈、三氯氧磷、苯基二氯化磷，其他条件不变，制备得到隔热阻燃聚丙烯腈气凝胶纤维。
[0136] 测定所得隔热阻燃聚丙烯腈气凝胶纤维的性能，结果见表7。
[0137] 表7不同氯端含磷单体阻燃交联剂制备隔热阻燃聚丙烯腈气凝胶纤维性能数据[0138]
[0139] 可见，其它条件不变，氯端含磷单体更换为六氯环三磷腈、三氯氧磷，阻燃性能增加，力学强度降低，更换为苯基二氯化磷，阻燃性能和力学强度均降低。
[0140] 实施例9：不同氨基硅烷阻燃交联剂制备隔热阻燃聚丙烯腈气凝胶纤维[0141] 单因素对照：参照实施例1，仅将步骤(1)中的3‑哌嗪丙基三甲氧基硅烷分别替换为等量的3‑氨基丙基三乙氧基硅烷、3‑氨基丙基三甲氧基硅烷，其他条件不变，制备得到隔热阻燃聚丙烯腈气凝胶纤维。
[0142] 测定所得隔热阻燃聚丙烯腈气凝胶纤维的性能，结果见表8。
[0143] 表8不同氨基硅烷阻燃交联剂制备隔热阻燃聚丙烯腈气凝胶纤维性能数据[0144]
[0145] 可见，其它条件不变，3‑哌嗪丙基三甲氧基硅烷分别替换为3‑氨基丙基三乙氧基硅烷、3‑氨基丙基三甲氧基硅烷，阻燃性能和力学强度均降低。
[0146] 虽然本发明已以较佳实例公开如上，并非因此限定本发明，任何熟悉此技术的个人，在不脱离本发明原理和精神的情况，可做多种改动、替换和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
