CN105568401A - 一种超声雾化辅助静电纺丝技术 - Google Patents

一种超声雾化辅助静电纺丝技术 Download PDF

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Abstract

一种超声雾化辅助静电纺丝技术，属于纳米材料制备及其应用领域，该技术采用将所制备的石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管等纳米粒子分散进入超声雾化器的储备罐，实现纳米粒子的雾化喷出，避免常规混合法造成的纳米粒子堵塞问题。通过超声雾化与静电纺丝技术进行混合联用，所制备的纳米粒子聚合物复合膜具有纳米粒子混合均匀、不易形成团聚，该技术制备得到的聚合物纤维膜分离效率高、强度好，耐水性能优异，提高了复合膜材料的物理化学性能。与现有静电纺丝技术相比，可以实现石墨烯、碳纳米管的任意掺入比例，克服常规静电纺丝喷头堵塞问题，在环境处理及其电极材料制备方面具有重要的应用前景。

Description

一种超声雾化辅助静电纺丝技术
技术领域
本发明涉及一种超声雾化辅助静电纺丝技术，其属于纳米材料制备技术领域，具体设计将氧化石墨烯、石墨烯、碳纳米管、修饰的碳纳米管在超声雾化的作用下，将其纺入高分子前驱体中，从而实现其均匀混入制备复合膜材料，在吸附与分离、电极材料制备等领域具有重要意义。
背景技术
制备纳米纤维膜的方法有很多，如模版合成法、相分离法、自组装法、拉伸法，但若要考虑设备复杂性、工艺可控性、纺纱成本、产率及其纤维尺寸可控度等方面的要求，这些方法仍然具有一定的局限性。而静电纺丝技术是一种能够直接、联系制备聚合物纳米纤维膜的方法，并可通过添加石墨烯、碳纳米管等添加物来对单纯纺丝膜进行改性、增强、修饰，可以进一步提高电纺丝膜的物理化学性能。贾宝平等人（CN103938366A）将氧化石墨烯水溶液与聚乙烯醇混合后，搅拌分散得到纺丝原液，然后将氧化石墨烯与聚乙烯醇纺丝溶液电纺，得到氧化石墨烯与聚乙烯醇的复合膜，最后将氧化石墨烯与聚乙烯醇复合膜在丙酮、去离子水、盐酸、和交联剂的混合溶液中进行处理得到经过交联的氧化石墨烯与聚乙烯醇复合膜，通过该中方法，得到高分离效率、湿膜强度好及优良耐水性能的分离膜。但是在静电纺丝过程中，高压静电场使聚合物溶液或者熔体带电并产生形变的过程中，如果聚合物中添加有无机材料，则容易造成电纺丝喷头堵塞，从而中断纺丝过程；此外也不容易提高添加物的比例。
发明内容
针对常规静电纺丝技术在电纺过程中，纳米粒子容易堵塞纺丝喷头、所制备的纳米粒子/纤维膜混合不均匀以及添加物比例不高等问题，提出了一种超声雾化辅助静电纺丝技术，通过超声雾化与静电纺丝技术进行混合联用以实现纳米粒子在聚合物纤维中的均匀混合。
本方法解决其技术问题所采用的技术方案是：一种超声雾化辅助静电纺丝技术，它包括如下步骤：
（1）将高分子前驱体溶于有机溶剂中，配成浓度为质量分数为8-12%的电纺液，将电纺液置于注射器内；所述高分子前驱体为聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚乙烯、聚丙烯或聚乙烯吡咯烷酮，所述有机溶剂为二甲基乙酰胺或二甲基甲酰胺；
（2）将添加物与有机溶剂配置成添加物溶液，添加物溶液的浓度为1-5mg/mL，将添加物溶液置于超声雾化器内；所述添加物为氧化石墨烯、石墨烯、功能化修饰的碳纳米管或碳纳米管，所述有机溶剂为二甲基乙酰胺或二甲基甲酰胺；所述功能化修饰的碳纳米管为亲水性羧基化碳纳米管、磺酸基化碳纳米管或羟基化碳纳米管；
（3）电纺液采用静电纺丝工艺，工艺参数为纺丝电压为8～22kV，电纺液的流速为0.01～10mL/h，纺丝距离为5-15cm，转滚转速为100-1500rpm；
（4）添加物溶液采用超声雾化工艺，超声雾化的功率为50W,频率为1.7MHz，雾化率≥3mL/min；
（5）静电纺丝工艺与超声雾化工艺采用同时连续持续进行或静电纺丝工艺与超声雾化工艺单独交替操作。采用以上工艺能实现添加物任意比例的添加，特别是添加物比例高的材料比现有技术更有优势。
本发明的有益效果是：该技术采用将所制备的石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管等纳米粒子分散进入超声雾化器的储备罐，实现纳米粒子的雾化喷出，避免常规混合法造成的纳米粒子堵塞问题。通过超声雾化与静电纺丝技术进行混合联用，所制备的纳米粒子聚合物复合膜具有纳米粒子混合均匀、不易形成团聚，该技术制备得到的聚合物纤维膜分离效率高、强度好，耐水性能优异，提高了复合膜材料的物理化学性能。与现有静电纺丝技术相比，可以实现石墨烯、碳纳米管的任意掺入比例，克服常规静电纺丝喷头堵塞问题，在环境处理及其电极材料制备方面具有重要的应用前景。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是超声雾化辅助静电纺丝示意图。
图2是实施例1中氧化石墨烯聚丙烯腈复合膜图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步对本发明进行阐述，应理解引用实施例仅用于说明本发明，而不用于限制本发明的范围。
实施例1
将聚丙烯腈（Mw=150,000）溶于二甲基乙酰胺中，配成浓度10wt.%的电纺液，取20mL的聚丙烯腈溶液分别置于两个10mL注射器内，取200mL的浓度为2mg/mL的氧化石墨烯溶液于超声雾化器中。在针头内径为0.2mm，针头与接收器两端电压为22kV、间距为13cm，推进速度为0.8L/h，超声雾化功率为50W的条件下进行超声雾化辅助静电纺丝得到氧化石墨烯与聚丙烯腈纤维的复合材料，操作模式如图1所示，所得氧化石墨烯与聚丙烯腈复合膜如图2所示，其中氧化石墨烯的添加比例为10%。
实施例2
将聚乙烯吡咯烷酮溶于二甲基甲酰胺溶剂中，配成质量分数10wt.%的电纺液，然后称取定量的碳纳米管置入二甲基乙酰胺中质量分数为2wt.%，并充分搅拌和超声分散，得到分散均匀的碳纳米管分散液400mL。电纺工艺参数：在注射器体积为10mL，针头内径为0.2mm，针头与接收器两端电压为22kV、间距为15cm，电纺液推进速度为0.8L/h。同时，启动超声雾化装置，将碳纳米管雾化进入电纺膜中，同时根据需要，现实碳纳米管与聚乙烯吡咯烷酮膜的均匀混合，其中碳纳米管的添加比例为10%。
以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围内来确定其技术性范围。

Claims (2)

1.一种超声雾化辅助静电纺丝技术，其特征在于，它包括如下步骤：
（1）将高分子前驱体溶于有机溶剂中，配成高分子前驱体质量分数为8-12%的电纺液，将电纺液置于注射器内；所述高分子前驱体为聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚乙烯、聚丙烯或聚乙烯吡咯烷酮；
（2）将添加物与有机溶剂配置成添加物溶液，添加物溶液的浓度为1-5mg/mL，将添加物溶液置于超声雾化器内；所述添加物为氧化石墨烯、石墨烯、功能化修饰的碳纳米管或碳纳米管，所述功能化修饰的碳纳米管为亲水性羧基化碳纳米管、磺酸基化碳纳米管或羟基化碳纳米管；
（3）电纺液采用静电纺丝工艺，工艺参数为纺丝电压为8～22kV，电纺液的流速为0.01～10mL/h，纺丝距离为5-15cm，转滚转速为100-1500rpm；
（4）添加物溶液采用超声雾化工艺，超声雾化的功率为50W,频率为1.7MHz，雾化率≥3mL/min；
（5）静电纺丝工艺与超声雾化工艺采用同时连续持续进行或静电纺丝工艺与超声雾化工艺单独交替操作。
2.根据权利要求1所述的一种超声雾化辅助静电纺丝技术，其特征在于：所述有机溶剂为二甲基乙酰胺或二甲基甲酰胺。
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