CN103967075B

CN103967075B - 多孔细旦尼龙纤维集水应用

Info

Publication number: CN103967075B
Application number: CN201410035440.0A
Authority: CN
Inventors: 郭然; 高云龙; 袁林; 郝超伟; 来国桥; 陆达天; 徐怡庄; 吴瑾光
Original assignee: Peking University; Hangzhou Normal University; Liaoning University of Traditional Chinese Medicine
Current assignee: Peking University; Hangzhou Normal University; Liaoning University of Traditional Chinese Medicine
Priority date: 2013-01-29
Filing date: 2014-01-24
Publication date: 2016-02-24
Anticipated expiration: 2034-01-24
Also published as: CN103967075A

Abstract

本发明公开了多孔细旦尼龙纤维集水应用。通过对尼龙纤维进行合适的加工处理，可以制备多孔细旦尼龙纤维，该纤维具备一定的微/纳结构，可使空气中的水分在其表面凝结为小水滴，小水滴在纤维表面定向移动汇聚成较大的水滴并最终从纤维表面脱离使纤维表面还原，从而起到相转变催化剂的作用。汇聚得到的较大的水滴可以通过收集得到，从而为缓解水资源短缺问题提供潜在的解决方案。

Description

多孔细旦尼龙纤维集水应用

技术领域

本发明属于尼龙应用领域，特别涉及多孔细旦尼龙纤维集水应用。

背景技术

水资源短缺是摆在人类可持续发展道路上的重要障碍。造成短缺的原因除了水资源本身总量有限及在全球范围内分布不均外，还与目前人类利用淡水资源的能力低下有关，这其中不仅包括淡水收集手段匮乏，更涉及对淡水开发利用时能源消耗过大的问题，以海水淡化为例，目前所使用的常规淡化手段基本上可分为蒸馏和反渗透两大类，蒸馏是通过加热将海水中的淡水转化为水蒸汽，再将蒸发出来的水蒸汽冷凝为液态水，从而获得淡水；反渗透是一种以压力差为推动力，从海水中分离出淡水的膜分离操作，其通过对膜一侧的海水施加压力，当压力超过它的渗透压时，淡水会逆着自然渗透的方向作反向渗透，从而在膜的低压侧得到透过膜的淡水。这两类方法都需要消耗大量的能源，并且操作过程复杂，不易实现大规模的海水淡化，为解决淡水资源匮乏的问题，开发一种低能耗淡水收集的方法是十分必要的。

发明内容

为解决上述问题，本发明人经过锐意研究，结果发现，尼龙分子链中具有强极性的酰胺基团，容易与极性分子结合，有良好的亲水性，将尼龙纤维表面经过CaCl₂溶液处理后，其表面可形成一定的微/纳结构，该纤维可使空气中的水蒸汽在其表面凝结为小水滴，或使液态小水滴吸附于其表面的微/纳结构中，这些小水滴可沿多孔细旦尼龙纤维表面定向移动汇聚成较大的水滴并最终从多孔细旦尼龙纤维表面脱离，汇聚得到的较大的水滴可以集中收集得到淡水，或用于去除化学反应或环境中不必要的水分。

本发明的目的在于，提供以下几方面：

第一方面，本发明提供多孔细旦尼龙纤维集水应用，其特征在于，多孔细旦尼龙纤维用于收集水分，所述多孔细旦尼龙纤维的纤度为0.6～2旦，其经过以下处理获得：

将尼龙纤维置于温度为80～130℃的CaCl₂溶液中浸泡0.5～5小时，

其中，所述细旦尼龙纤维通过熔融纺丝的方法制备，在熔融过程加入熔融纺丝添加剂，该熔融纺丝添加剂选自由以下金属的阳离子和以下阴离子形成的化合物或配合物，

所述金属选自：

镁、钙、锶、铝、镓、铟、锗、锡、铋、钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、钇、锆、钼、镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱和镥；

所述阴离子选自：

磷酸根、碳酸根、羧酸根、硝酸根、硫酸根、磺酸根、亚硫酸根、卤素阴离子、拟卤素离子以及其他含氮和/或含氧和/或含硫有机配体或多元配体，以及前述基团的衍生物，

其纺丝的工艺参数为：

尼龙熔融体的温度为130～230℃，喷丝板的孔数为30～200个，孔径为0.1～0.6mm，卷绕速度为100～8000m/min。

第二方面，本发明提供上述多孔细旦尼龙纤维集水应用，其特征在于，所述多孔细旦尼龙纤维的纤度为0.8～1旦，其经过以下处理获得：

将尼龙纤维置于温度为90～120℃的饱和CaCl₂溶液中浸泡2～3小时。

第三方面，本发明提供上述多孔细旦尼龙纤维集水应用，其特征在于，所述多孔细旦尼龙纤维选自尼龙6，尼龙66，尼龙10，尼龙12，尼龙1212或尼龙610。

第四方面，本发明提供上述多孔细旦尼龙纤维集水应用，其特征在于，所述多孔细旦尼龙纤维作为相转变催化剂用于收集水分的应用，以1小时计，多孔细旦尼龙纤维捕集到的水的重量约为所用多孔细旦尼龙纤维重量的1～10万倍。

第五方面，本发明提供上述多孔细旦尼龙纤维集水应用，其特征在于，所述多孔细旦尼龙纤维作为相转变催化剂用于收集水分的应用，以1小时计，多孔细旦尼龙纤维捕集到的水的重量约为所用多孔细旦尼龙纤维重量的5万倍。

第六方面，本发明提供上述多孔细旦尼龙纤维集水应用，其特征在于，所述多孔细旦尼龙纤维作为海水淡化处理预过滤材料的应用。

第七方面，本发明提供上述多孔细旦尼龙纤维集水应用，其特征在于，所述多孔细旦尼龙纤维作为水蒸汽凝结剂用于集水的应用，其通过将多孔细旦尼龙纤维置于湿度大于90%的环境中收集水分。

本发明提供的多孔细旦尼龙纤维集水的应用，其有以下优点：

（1）本发明提供的多孔细旦尼龙纤维集水应用，其操作简便，只需要将多孔细旦尼龙纤维置于潮湿环境中即可，无需额外操作，人工成本低；

（2）本发明提供的用于集水的多孔细旦尼龙纤维，其集水能力强，以1小时计，多孔细旦尼龙纤维捕集到的水的重量约为所用多孔细旦尼龙纤维重量的1～10万倍；

（3）本发明提供的用于集水的多孔细旦尼龙纤维，其操作简捷，仅需要将细旦尼龙纤维在CaCl₂溶液中静止浸泡处理，而无需复杂处理操作，而且CaCl₂为常规化学试剂，价格低廉，因此制造该细旦尼龙纤维的经济成本低，具有实用价值；

（4）本发明提供的用于集水的多孔细旦尼龙纤维，其化学性质稳定，能够在较长时间内保持化学结构及表面结构不发生改变，并可以重复利用，因此其使用寿命长，综合经济成本低；

（5）本发明提供的用于集水的多孔细旦尼龙纤维的集水操作过程简便，无需其它试剂或工具辅助，而且该多孔细旦尼龙纤维对环境无污染，绿色环保。

附图说明

图1示出处理15min后的细旦尼龙纤维表面形貌SEM照片；

图2示出处理30min后的细旦尼龙纤维表面形貌SEM照片；

图3示出处理45min后的细旦尼龙纤维表面形貌SEM照片；

图4示出处理1h后的细旦尼龙纤维表面形貌SEM照片；

图5示出处理1.5h后的细旦尼龙纤维表面形貌SEM照片；

图6示出处理2h后的细旦尼龙纤维表面形貌SEM照片；

图7示出60℃处理1h的0.8旦尼龙纤维表面形貌的SEM照片；

图8示出80℃温度下处理1h的0.8旦尼龙纤维表面形貌的SEM图；

图9示出90℃处理1h的0.8旦尼龙纤维表面形貌的SEM照片；

图10示出100℃温度下处理1h的0.8旦尼龙纤维表面形貌的SEM图；

图11示出110℃温度下处理1h的0.8旦尼龙纤维表面形貌的SEM图；

图12示出120℃处理1h的0.8旦尼龙纤维表面形貌的SEM照片；

图13示出130℃温度下处理1h的0.8旦尼龙纤维表面形貌的SEM图。

具体实施方式

以下通过具体实施方式来进一步描述本发明。本发明的特点和优点会随着这些描述而变得更为清楚。

尼龙，也称为聚酰胺，根据聚合单体的不同分为尼龙6，尼龙66，尼龙10，尼龙12，尼龙1212，尼龙610等不同品种，其高分子链上具有酰胺重复结构单元的聚合物，其分子链中具有的强极性酰胺基团易与极性分子结合，故其有良好的亲水性，尼龙纤维是将尼龙通过熔融纺丝制成纤维状形态而不改变其化学结构，此外，尼龙及其制成的纤维具有强度高、耐磨性好等特点，在使用中不易损坏，使用寿命长，因此尼龙及尼龙纤维是具有良好应用前景的潜在水吸附材料。

然而，在尼龙及其纤维中只有表层尼龙分子的酰胺基团能起到集水的作用，因此单纯依靠尼龙分子中的酰胺基团来吸附水分则尼龙的集水能力有限，本发明人发现通过对尼龙及尼龙纤维表面进行处理可使其表面形成多孔结构，使得尼龙或其纤维具有更大的比表面积，能够裸露出更多的酰胺基团，同时，该多孔结构可储存尼龙或其纤维吸附的水分，而且这种多孔结构上具有导流功能，可以使水分汇集成为水滴，水滴集中后可实现对水分的收集。

本发明选择尼龙纤维的纤度为0.6～2旦，优选为0.8～1旦，本发明对纤度为0.6～17旦尼龙纤维的集水能力进行比较，结果发现，尼龙纤维的集水能力随纤度的增加而降低，本发明人推测原因如下：随尼龙纤维的纤度的增加，其比表面积减小，导致裸露于尼龙表面的酰胺基团相对数目减少，因此，尼龙或纤维的集水能力降低。

本发明所选用的细旦尼龙纤维的旦数小，其在制备过程中需要加入特别的熔融纺丝添加剂来实现，本发明人经研究发现该熔融纺丝添加剂选自由以下金属的阳离子和以下阴离子形成的化合物或配合物，

其中，所述金属选自镁、钙、锶、铝、镓、铟、锗、锡、铋、钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、钇、锆、钼、镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱和镥；

所述阴离子选自：磷酸根、碳酸根、羧酸根、硝酸根、硫酸根、磺酸根、亚硫酸根、卤素阴离子、拟卤素离子以及其他含氮和/或含氧和/或含硫有机配体或多元配体，以及前述基团的衍生物，

其纺丝的工艺参数为：

本发明选择CaCl₂溶液对尼龙或其纤维进行表面处理，由于CaCl₂可使尼龙或其纤维表层定向溶解，形成类似蜘蛛丝状的多孔结构，优选使用饱和CaCl₂溶液对尼龙或其纤维进行处理，而其它盐，如MgCl₂，BaCl₂等对尼龙表层也具有溶解作用，但这些盐对尼龙表层的溶解作用较CaCl₂效果差，此外，CaCl₂价格较低，适宜大规模产业化生产，因此，本发明选择CaCl₂溶液对尼龙或其纤维进行表面处理。

细旦尼龙纤维的多孔结构的丰富程度随处理时间的延长而显著增加，如实验例1所示，为降低时间成本，本发明选择对尼龙纤维的处理时间为1～5小时，优选为2～3小时。

细旦尼龙纤维的多孔结构随处理温度的增加而丰富，如实验例2所示，为节约能源，节省成本，本发明选择将尼龙置于80～130℃的CaCl₂溶液中进行处理。因此本发明选择处理温度为80～130℃，优选为90～120℃。

本文中，所用术语“相转变催化剂”是指，在化学反应中能将气相转变为液相从而提高化学反应速率的物质。

本发明提供的多孔细旦尼龙纤维的应用，具有以下优势：

第一，本发明提供的多孔细旦尼龙纤维集水应用，其操作简便，只需要将多孔细旦尼龙纤维置于潮湿环境中即可，无需额外操作，人工成本低；

第二，本发明提供的用于集水的多孔细旦尼龙纤维，其集水能力强，以1小时计，多孔细旦尼龙纤维捕集到的水的重量约为所用多孔细旦尼龙纤维重量的1～10万倍；

第三，本发明提供的用于集水的多孔细旦尼龙纤维，其操作简捷，仅需要将细旦尼龙纤维在CaCl₂溶液中静止浸泡处理，而无需复杂处理操作，而且CaCl₂为常规化学试剂，价格低廉，因此制造该细旦尼龙纤维的经济成本低，具有实用价值；

第四，本发明提供的用于集水的多孔细旦尼龙纤维，其化学性质稳定，能够在较长时间内保持化学结构及表面结构不发生改变，并可以重复利用，因此其使用寿命长，综合经济成本低；

第五，本发明提供的用于集水的多孔细旦尼龙纤维的集水操作过程简便，无需其它试剂或工具辅助，而且该多孔细旦尼龙纤维对环境无污染，绿色环保。

实施例

本实施例所用尼龙6切片为宁波亨润公司生产的纺丝用纯尼龙6切片。

实施例1

将尼龙6切片80份，硫酸锌20份，抗氧剂10101份，抗静电剂PEG60012份，及PEG200003份（均为重量份）制为添加剂母粒，再按照添加剂母粒与尼龙6切片的重量比为7:1000混合后进行熔融纺丝，熔体在螺杆挤出机中各区的温度分别是250℃、270℃、270℃和275℃，纺丝温度为250℃。采用的喷丝板孔径为0.35mm，长度为0.7mm，卷绕速度为1700m/min，制得细旦尼龙纤维的纤度为0.8旦。

实验例

本实验例中所用0.8旦细旦尼龙为实施例1中制备。

17旦尼龙为：浙江美丝邦化纤有限公司，FDY(全拉伸丝)。

实验例1细旦尼龙纤维多孔结构的丰富程度与处理时间的关系

取6组0.8旦尼龙6纤维，每组1g，分别在120℃油浴条件下用饱和CaCl₂溶液浸泡处理，分别处理15min、30min、45min、1h、1.5h及2h，处理结束后用扫描电子显微镜（SEM）对上述处理得到的多孔尼龙细旦纤维进行表征，结果如图1～6所示：

由图1～6明显可见，尼龙纤维表面逐渐由致密向多孔结构转变，处理时间越长，其转变得越明显，其表面的微孔越趋近于蜘蛛丝结构，从而更有利于集水，然而，当处理时间达到2个小时后，其表面结构不继续发生变化，尼龙纤维的集水能力能够满足其在集水方面的应用。

实验例2细旦尼龙纤维多孔结构的丰富程度与处理温度的关系

取7组0.8旦尼龙6纤维，每组1g，分别在60℃、80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃水浴或油浴条件下用饱和CaCl₂溶液浸泡处理1小时，得到不同表面形貌的多孔尼龙细旦纤维，使用扫描电子显微镜（SEM）对上述处理得到的多孔尼龙细旦纤维进行表征，如图7～13所示，由图7～13可明显看出：

当处理温度在60℃时，细旦尼龙纤维表层无明显变化；

当处理温度在80～100℃时，细旦尼龙纤维表层被部分溶解，形成不连续的凹陷，且随着处理温度的增加，所形成的不连续凹陷越明显；

当处理温度在110～130℃时，细旦尼龙纤维的主体结构发生改变，报道的蜘蛛丝结构类似。

即，细旦尼龙纤维表面的多孔结构随处理温度的升高而变得更为丰富。

实验例3CaCl₂处理后纤维与未处理纤维集水能力比较

选取3组0.8旦尼龙纤维各0.5g，分别不经处理的、在90℃下经饱和CaCl₂溶液浸泡处理2h及在120℃下经饱和CaCl₂溶液浸泡处理2h，将上述三种处理后的尼龙纤维置于捕集水分的实验装置中，由加湿器产生固定喷速的喷雾，通过导管集中喷射在上述三组尼龙纤维样品上，使尼龙纤维上产生吸附的水滴，用天平称量纤维上凝结并坠落的水滴质量，并做质量/时间曲线，每次记录1h，每种纤维取5次平均值，结果如表1所示。

表1不同处理方法得到纤维的集水效果比较

使用的纤维	收集效率g/h
		未经CaCl₂处理	1.03±0.08
90℃处理2h	1.22±0.06
		120℃处理2h	1.31±0.06

结果表明，经CaCl₂溶液处理后的细旦纤维，对水的收集能力要明显好于未处理的原纤维。90℃与120℃处理的纤维相比，120℃处理后纤维集水效果较好，但差别不大。

实验例4不同直径尼龙纤维对水的吸附能力比较

分别选取0.8旦和17旦尼龙纤维0.5g，在120℃下经饱和CaCl₂溶液浸泡处理2h后，按前述方法进行水分收集实验，用天平称量纤维上凝结并坠落的水滴质量，并做质量/时间曲线，每次记录1h，每种纤维取5次平均值，结果如表2所示。

表2不同直径尼龙纤维的集水效果比较

使用的纤维	收集效率g/h
		17旦	0.97±0.11
0.8旦	1.31±0.06

结果表明其他条件相同时，0.8旦的多孔尼龙纤维相比17旦的纤维有更好的收集效果。

实验例5单根多孔细旦尼龙纤维与多根多孔细旦尼龙纤维对水的吸附能力比较

选取0.8旦尼龙纤维0.5g，在120℃下经饱和CaCl₂溶液浸泡处理2h后，取1根多孔细旦尼龙纤维，另取2根、5根、10根、50根、100根或1000根处理后的多孔细旦尼龙纤维分别相贴放置，按前述方法进行水分收集实验，并且用天平分别称量多孔细旦尼龙纤维上凝结并坠落的水滴质量，并做质量/时间曲线，每次记录1h，每束纤维取5次平均值，结果如表3所示。

表3单根与多根细旦尼龙纤维的集水效果比较

使用的纤维	收集效率g/h
		1根	1.31±0.06
2根	1.15±0.05

结果表明其他条件相同时，单根多孔细旦尼龙纤维比多根多孔细旦尼龙纤维有更好的收集效果。

但是，这些实施例仅仅是范例性的，用于解释说明本发明，但并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解，在不违背本发明的惊声和范围情况下，可以在细节方面对本发明进行修饰和/或改变和/或等价替换，这些修饰/修改/替换均应落入本发明所请求保护的范围内。

Claims

1.多孔细旦尼龙纤维集水应用，其特征在于，多孔细旦尼龙纤维用于收集水分，所述多孔细旦尼龙纤维的纤度为0.8～1旦，其经过以下处理获得：

将细旦尼龙纤维置于温度为80～130℃的CaCl₂溶液中浸泡0.5～5小时，

所述金属选自：

所述阴离子选自：

其纺丝的工艺参数为：

尼龙熔融体的温度为130～230℃，喷丝板的孔数为30～200个，孔径为0.1～0.6mm，卷绕速度为100～8000m/min；

所述多孔细旦尼龙纤维为尼龙6。

2.根据权利要求1所述的多孔细旦尼龙纤维集水应用，其特征在于，其经过以下处理获得：

将细旦尼龙纤维置于温度为90～120℃的饱和CaCl₂溶液中浸泡2～3小时。

3.根据权利要求1或2所述的多孔细旦尼龙纤维集水应用，其特征在于，所述多孔细旦尼龙纤维作为相转变催化剂用于收集水分的应用，以1小时计，多孔细旦尼龙纤维捕集到的水的重量为所用多孔细旦尼龙纤维重量的1～10万倍。

4.根据权利要求1或2所述的多孔细旦尼龙纤维集水应用，其特征在于，所述多孔细旦尼龙纤维作为相转变催化剂用于收集水分的应用，以1小时计，多孔细旦尼龙纤维捕集到的水的重量为所用多孔细旦尼龙纤维重量的5万倍。

5.根据权利要求1或2所述的多孔细旦尼龙纤维集水应用，其特征在于，所述多孔细旦尼龙纤维作为海水淡化处理预过滤材料的应用。

6.根据权利要求1或2所述的多孔细旦尼龙纤维集水应用，其特征在于，所述多孔细旦尼龙纤维作为水蒸汽凝结剂用于集水的应用，其通过将多孔细旦尼龙纤维置于湿度大于90％的环境中收集水分。