CN102704028A

CN102704028A - 一种间位芳纶纳米蛛网纤维膜的制备方法

Info

Publication number: CN102704028A
Application number: CN2012101691826A
Authority: CN
Inventors: 丁彬; 王晓茹; 王先锋; 俞建勇; 孙刚
Original assignee: Donghua University
Current assignee: Donghua University
Priority date: 2012-05-26
Filing date: 2012-05-26
Publication date: 2012-10-03

Abstract

本发明公开了一种间位芳纶纳米蛛网纤维膜的制备方法。所述的制备方法为：将间位芳纶溶解于卤盐和有机溶剂混合，配制成的离子液体溶剂体系中，得到间位芳纶电纺原料；将上述间位芳纶电纺原料加入到静电纺丝装置中进行静电纺丝，制得间位芳纶纳米蛛网纤维膜。本发明制备方法过程简单，制得的间位芳纶纳米蛛网纤维膜与普通静电纺纤维膜纤维相比，其纤维直径更小、比表面积更大、纤维膜孔径更小、孔隙率更高，同时具有间位芳纶突出的耐高温性、防火性和良好的尺寸稳定性，可广泛应用于高温过滤、防护、电池隔离膜、传感和生物医学等领域。

Description

一种间位芳纶纳米蛛网纤维膜的制备方法

技术领域

本发明涉及一种间位芳纶纳米蛛网纤维膜的制备方法，属于纳米材料技术领域。

背景技术

静电纺丝作为一种能够直接、连续制备聚合物纳米纤维的方法，受到国内外研究人员的广泛关注。通过静电纺丝获得的纤维直径分布一般在几纳米至几微米之间，由这些纤维构成的膜材料具有比表面积大、纤维膜孔径小、孔隙率高和纤维连续性好等特点，使其在信息、能源、环境、生物医学等领域具有广泛的应用潜力。其中材料的应用性能很大程度上决定于静电纺纤维的直径，纤维的直径越小，尤其是当纤维平均直径小于20nm时，其膜材料的应用性能和范围可获得大幅提升。纳米蛛网是一种近期被发现的新颖纤维结构，它是以超细纤维为支架的、具有类似于蜘蛛网、肥皂泡结构的二维网状纤维膜材料，网中纤维的平均直径为5～30nm比普通电纺纤维的直径低一个数量级，孔径在20～300nm之间，且大多数网孔以稳定的六边形结构存在，赋予了材料更大的比表面积、突出的吸附性能和力学稳定性等。

间位芳纶(聚间苯二甲酰间苯二胺)是军民两用的有机耐高温纤维新材料，具有优异的耐高温性，良好的尺寸稳定性，优良的阻燃性、耐腐蚀性和电绝缘性，是航空航天、国防、电子、通讯、环保、化工和海洋开发等领域的重要基础材料。张家港耐尔纳米科技有限公司的姚理荣等(申请号：201010166400，公开号：CN101838888A)提供了一种静电纺间位芳纶纳米纤维的制备方法，但其制备的纳米纤维直径为50nm～5um，纤维直径比较粗，材料的应用性能受到很大限制。因此，结合纳米蛛网技术制备一种平均纤维直径更小的间位芳纶纳米蛛网纤维膜可望提升原有材料的应用性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有良好物理化学性能的同时，纤维直径更小的间位芳纶纳米蛛网纤维膜。

为了达到上述目的，本发明提供了一种间位芳纶纳米蛛网纤维膜的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

第一步：将卤盐和有机溶剂以质量比为1∶189～1∶9混合，配制成离子液体溶剂体系；

第二步：将间位芳纶以质量比为1∶19～1∶4溶解于第一步得到的离子液体溶剂体系，搅拌，得到间位芳纶和卤盐质量分数分别为5～20％和0.5～8％的间位芳纶电纺原料；

第三步：将第二步得到的间位芳纶电纺原料加入到静电纺丝装置中进行静电纺丝，制得间位芳纶纳米蛛网纤维膜。

优选地，所述的第一步中的卤盐为氯化钙、氯化锂、氯化钠、氯化铁和溴化锂中的任意一种或几种的混合物。

优选地，所述的第一步中的有机溶剂为N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮和二甲基亚砜中的任意一种或几种的混合物。

优选地，所述的第三步中的静电纺丝的工艺参数为：温度为室温25℃，湿度为40％及以下，静电压为20～60千伏，注射泵的流速为0.1～3mL/h，纤维接收距离为8～30cm。

采用本发明提供的制备方法制得的间位芳纶纳米蛛网纤维膜是以超细电纺纤维为支架、具有类似于蜘蛛网结构的二维网状纤维膜材料，网中纤维的平均直径为8～19nm，平均孔径为50～112nm。

本发明制备方法过程简单，制得的间位芳纶纳米蛛网纤维膜与普通静电纺纤维膜纤维相比，其纤维直径更小、比表面积更大、纤维膜孔径更小、孔隙率更高，同时具有间位芳纶突出的耐高温性、防火性和良好的尺寸稳定性，可广泛应用于高温过滤、防护、电池隔离膜、传感和生物医学等领域。

具体实施方式

下面结合实施例，进一步阐释本发明。

实施例1

卤盐选用氯化锂；有机溶剂选用N，N-二甲基乙酰胺。具体步骤如下：

第一步：在室温25℃下，将0.1g氯化锂加入到18.9gN，N-二甲基乙酰胺中溶解，配制成离子液体溶剂体系；

第二步：将1g间位芳纶加入到第一步得到的离子液体溶剂体系中，用搅拌器搅拌至间位芳纶完全溶解，得到间位芳纶、氯化锂的质量分数分别为5％、0.5％的间位芳纶电纺原料；

第三步：在湿度为35％的条件下，将第二步得到的间位芳纶电纺原料加入到静电纺丝装置中，在静电压20kV，注射泵流速为0.1mL/h，纤维接收距离为8cm的条件下进行静电纺丝，得到厚度约为0.01～0.5mm的间位芳纶纳米蛛网纤维膜。

实施例2

卤盐选用氯化钙与氯化钠的混合物；有机溶剂选用N，N-二甲基甲酰胺。具体步骤如下：

第一步：在室温25℃下，将0.8g氯化钙与氯化钠(质量比1∶1)的混合卤盐加入到17.2gN，N-二甲基甲酰胺中溶解，配制成离子液体溶剂体系；

第二步：将2g间位芳纶加入到第一步得到的离子液体溶剂体系，用搅拌器搅拌至间位芳纶完全溶解，得到间位芳纶、氯化钙与氯化钠的混合卤盐的质量分数分别为10％、4％的间位芳纶电纺原料；

第三步：在湿度为30％的条件下，将第二步得到的间位芳纶电纺原料加入到静电纺丝装置中，在静电压为30kV，注射泵流速为1mL/h，纤维接收距离为15cm的条件下进行静电纺丝，得到厚度约为0.01～0.5mm的间位芳纶纳米蛛网纤维膜。

实施例3

卤盐选用氯化锂与氯化铁的混合物；有机溶剂选用N-甲基吡咯烷酮。具体步骤如下：

第一步：在室温25℃下，将1.2g氯化锂与氯化铁(质量比2∶1)的混合卤盐加入到15.8gN-甲基吡咯烷酮中溶解，配制成离子液体溶剂体系；

第二步：将3g间位芳纶加入到第一步得到的离子液体溶剂体系，用搅拌器搅拌至间位芳纶完全溶解，得到间位芳纶、氯化锂与氯化铁的混合卤盐的质量分数分别为15％、6％的间位芳纶电纺原料；

第三步：在湿度为25％的条件下，将第二步得到的间位芳纶电纺原料加入到静电纺丝装置中，在静电压为45kV，注射泵流速为2mL/h，纤维接收距离为20cm的条件下进行静电纺丝，得到厚度约为0.01～0.5mm的间位芳纶纳米蛛网纤维膜。

实施例4

卤盐选用氯化钙与溴化锂的混合物；有机溶剂选用N，N-二甲基乙酰胺与二甲基亚砜的混合溶剂。具体步骤如下：

第一步：在室温25℃下，将1.6g氯化钙与溴化锂(质量比3∶1)的混合卤盐加入到14.4gN，N-二甲基乙酰胺与二甲基亚砜(质量比2∶1)的混合有机溶剂中溶解，配制成离子液体溶剂体系；

第二步：将4g间位芳纶加入到第一步得到的离子液体溶剂体系，用搅拌器搅拌至间位芳纶完全溶解，得到间位芳纶、氯化钙与溴化锂的混合卤盐的质量分数分别为20％、8％的间位芳纶电纺原料；

第三步：在湿度为20％的条件下，将第二步得到的间位芳纶电纺原料加入到静电纺丝装置中，在静电压为60kV，注射泵流速为3mL/h，纤维接收距离为30cm的条件下进行静电纺丝，得到厚度约为0.01～0.5mm的间位芳纶纳米蛛网纤维膜。

将实施例1-4制得的间位芳纶纳米蛛网纤维膜用场发射扫描电子显微镜FE-SEM(S-4800，Hitachi Ltd.，Japan)观测制备的间位芳纶纳米蛛网纤维膜的表面形态，结合图像分析软件(Adobe Photoshop CS2 9.0)测其平均纤维直径、网中纤维平均直径、蛛网平均孔径，用表面积分析仪(Micromeritics，ASAP 2020)测纤维膜孔隙率和比表面积，具体数据如表1所示：

表1

由表1可见，采用本发明提供的制备方法制得的间位芳纶纳米蛛网纤维膜，其纤维平均直径最小可达32nm，网中纤维平均直径最小可达8nm，纤维膜孔径最小可达50nm，孔隙率最高可达94.7％，比表面积最大可达40.09m²/g，上述间位芳纶纳米蛛网纤维膜的结构特征可大幅提升纤维膜的应用性能和范围，是一种先进的高性能膜材料。

Claims

1.一种间位芳纶纳米蛛网纤维膜的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

2.如权利要求1所述的间位芳纶纳米蛛网纤维膜的制备方法，其特征在于，所述的第一步中的卤盐为氯化钙、氯化锂、氯化钠、氯化铁和溴化锂中的任意一种或几种的混合物。

3.如权利要求1所述的间位芳纶纳米蛛网纤维膜的制备方法，其特征在于，所述的第一步中的有机溶剂为N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮和二甲基亚砜中的任意一种或几种的混合物。

4.如权利要求1所述的间位芳纶纳米蛛网纤维膜的制备方法，其特征在于，所述的第三步中的静电纺丝的工艺参数为：温度为室温25℃，湿度为40％及以下，静电压为20～60千伏，注射泵的流速为0.1～3mL/h，纤维接收距离为8～30cm。