CN105734718B - 一种多级孔径分布材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明主要属于材料制备领域，具体涉及一种多级孔径分布材料的制备方法。所述制备方法首先制备功能化纤维，所述功能化纤维的表面具有化学基团，然后将所述功能化纤维进行均质化处理，得到均质化后的功能化纤维，将所述均质化后的功能化纤维进行交联化处理，即制备得到多级孔径分布材料。本发明制备获得的多级孔径分布材料具有多级孔径分布，吸附性能好，具有良好的柔韧性、可加工性，工艺流程简易，通用性强，设备要求低，可以工业化生产，在众多领域都具有广阔的应用前景。

Description

一种多级孔径分布材料的制备方法
技术领域
本发明主要属于材料制备领域，具体涉及一种多级孔径分布材料的制备方法。
背景技术
尽管研究者已经在结构、组成、形貌等方面对微孔、介孔、大孔材料进行研究并取得很大进展，并将其广泛应用于催化、吸附、分离、传感、生物等科学技术领域。然而在很多应用领域，微孔、介孔、大孔材料仍各有各的优点和缺点，目前仍然迫切需要发展综合各种孔结构优点的新材料，即根据应用需要和结构特点构建多级孔材料。
多级孔材料，一方面可以选择综合各级孔材料的优点，同时由于其巨大的比表面积，发达的多级孔隙结构，使其在扩散、传递等方面展示了优于其他单一孔结构材料的特性。
现有制备多级孔分布材料多采用模板法，然而模板法需要通过去除模板的方法得到多级孔材料，制备工艺繁琐、对原材料限制较大，并且所得多级孔分布材料多为无机材料。无机多级孔分布材料具有硬度高，化学稳定性强的优点，但是与纤维材料制备的多级孔分布材料相比，无机多级孔分布材料具有孔径分布难以得到控制、易脆性、不具有一定的韧性、原材料受到一定的限制等缺点。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是解决现有多孔材料存在的合成步骤复杂、材料受限制的技术问题。公开了一种多级孔径分布材料的制备方法，通过将制备获得的功能化纤维进行均质化处理以及交联化处理，制备获得一种多级孔径材料，在制备过程中，可以根据需求设计不同材料的纤维结构，而且可以通过不同纤维的比例来调整各种孔径分布。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种多级孔径分布材料的制备方法，所述制备方法首先制备粗功能化纤维与细功能化纤维，所述粗功能化纤维与所述细功能化纤维的表面均具有可以发生化学交联反应的化学基团，然后将所述粗功能化纤维与所述细功能化纤维进行均质化处理，得到均质化后的功能化纤维，将所述均质化后的功能化纤维进行交联化处理以使所述化学基团发生化学交联反应，制备得到多级孔径分布材料。
进一步地，所述粗功能化纤维的直径为10-200um；所述细功能化纤维为纳米纤维，并所述细功能化纤维的直径为50-1000nm。
进一步地，所述粗功能化纤维以及所述细功能化纤维为棉纤维、木棉纤维、麻纤维、壳聚糖纤维、甲壳素纤维、细菌纤维素纤维、醋酸纤维、皂化醋酷纤维、乙基纤维素纤维、轻丙基纤维素纤维、甲壳素纤维、壳聚糖纤维、透明质酸纤维、胶原纤维、硝化纤维素纤维、明胶纤维、丝素蛋白纤维、沥青纤维、聚乳酸-己内酷纤维、弹性蛋白纤维、植物蛋白纤维、聚乳酸纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯腈纤维、聚丙烯酸纤维、聚乳酸乙醇酸纤维、聚丙烯酰胺纤维、聚乙二醇纤维、聚酰亚胺纤维、聚酞亚胺纤维、玻璃纤维、聚乙二炔纤维、陶瓷纤维、二氧化钛纤维和银纤维中的任意一种。
进一步地，所述化学基团为碳碳双键、碳碳三键、氨基、羧基、巯基、羟基、咪唑基、环氧基、腈基、甲酰基、酯基、硝基、亚硝基、磺基、酰基、异氰基、肟基和偶氮基中的任意一种或任意几种的组合。
进一步地，将所述均质化处理具体为：将制备获得的所述粗功能化纤维与所述细功能化纤维放入开松机中进行混合开松，得到厚度为5-100mm的均质化后的功能化纤维，所述均质化后的功能化纤维为蓬松的三维结构。
进一步地，将所述均质化处理具体为：将制备获得的所述粗功能化纤维与所述细功能化纤维在溶剂中进行乳化粉碎，以使所述粗功能化纤维与所述细功能化纤维在溶液中均匀分布，得到均质化后的功能化纤维；所述溶剂为水、乙醇、甲醇、叔丁醇和异丙醇中的任意一种或任意几种的组合。
进一步地，所述交联化处理为：将所述均质化后的功能化纤维进行加热、光照、辐射、微波或超声处理以使所述化学基团发生化学交联反应。
进一步地，所述交联化处理为：往所述均质化后的功能化纤维中加入与所述化学基团发生化学交联反应的化学分子，所述化学分子为乙二胺、已二胺、乙二酸、己二酸以及戊二醛中的任意一种。
进一步地，制备所述粗功能化纤维与细功能化纤维的方法为熔融纺丝、干法纺丝、湿法纺丝、静电纺丝中的任意一种或任意几种的组合。
进一步地，制备得到的所述多级孔径分布材料应用于制备催化剂载体、生物组织工程支架、医用敷料载体、过滤材料或吸附材料。
本发明的有益技术效果：
（1）本发明所公开的制备方法简易，无需复杂的仪器设备，按照不同的需求，可以通过调整粗功能化纤维以及细功能化纤维的质量比例以调控多级孔径分布材料的孔径分布、密度、弹性。
（2）本发明通过交联化处理以使所述均质化后的功能化纤维表面的化学基团发生化学交联反应；从而解决了原模板法制备多级孔分布材料对原材料的限制、制备工艺繁琐的问题。
（3）本发明制备多级孔材料的原材料为粗功能化纤维以及细功能化纤维，由于这两种纤维具有一定的韧性，最终制备获得的多级孔材料也具有很强的韧性，相比较于无机多级孔材料，避免了易脆性的问题。
（4）通过均质化处理，本发明制备获得的多级孔材料中粗功能化纤维以及细功能化纤维的取向均衡分布，这种结构可以提高多级孔材料的流体通过性能。
（5）本发明制备方法中的一种原料为细功能化纤维，所述细功能化纤维为纳米纤维，本发明结合了纳米纤维的大表面积、高表面能，提高了多级孔径分布材料的比表面积、吸附性能以及载体容量。
附图说明
图1为实施例2中制备的多级孔径分布材料的照片；
图2为实施例2中制备的多级孔径分布材料的SEM图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
实施例1
一种多级孔径分布材料的制备方法，具体为：
（1）粗功能化纤维与细功能化纤维的制备：
1）细功能化纤维的制备：本实施例中的细功能化纤维为壳聚糖纳米纤维，其制备过程为将壳聚糖溶解于六氟异丙醇和乙酸的混合溶剂中，制备获得质量浓度为7%的纺丝液，将所述纺丝液通过静电纺丝法制备获得直径为300 nm的壳聚糖纳米纤维；所述六氟异丙醇和乙酸的混合溶剂是将六氟异丙醇与乙酸按照质量比3:2混合制备而成；所述静电纺丝法的制备条件为：电压15 kV，控制接收距离为15cm；直径在150nm-750nm之间的细功能化纤维，具有高分子纤维的韧性；
2）粗功能化纤维的制备：本实施例中的粗功能化纤维为聚乳酸纤维，其制备过程为通过熔融纺丝法制备，制得直径为250um的聚乳酸纤维；控制所述熔融纺丝法的条件为：挤出量10Hz，侧风温度280℃，纤维接收网带速度7.5Hz，接受距离25cm；直径为250um的聚乳酸纤维，由于其直径较大，可以为最终制备获得的多级孔径分布材料提供刚性；结合了细功能纤维的韧性以及具有粗功能纤维的刚性，最终制备获得的多级孔径分布材料多级孔径分布材料具有很好地韧性、弹性，可以防止使用过程中材料易碎的问题。
（2）将所述粗功能化纤维与所述细功能化纤维进行均质化处理：取步骤（1）制备得到的所述壳聚糖纳米纤维500g以及所述聚乳酸纤维50g，放入开松机中进行混合开松处理，得到厚度在5-100mm的纤维毡材料，即均质化后的功能化纤维。
（3）交联化处理：将步骤（2）制备获得的所述均质化后的功能化纤维进行加热处理以使其发生加热交联反应；控制所述加热交联反应的条件为：将所述均质化后的功能化纤维在60℃加热交联24h，在该条件下，所述壳聚糖纳米纤维表面的化学基团氨基与所述聚乳酸纤维表面的化学基团羧基在纤维接触点发生交联反应，得到多级孔径分布材料。通过交联化处理以使所述均质化后的功能化纤维表面的化学基团发生化学交联反应；从而解决了原模板法制备多级孔分布材料对原材料的限制、制备工艺繁琐的问题。
实施例2
一种多级孔径分布材料的制备方法，具体为：
（1）粗功能化纤维与细功能化纤维的制备：
1）粗功能化纤维的制备：本实施例中的粗功能化纤维为玻璃短纤维，其制备过程为采用池窑拉丝法制备直径分布在100um的玻璃短纤维；所述玻璃短纤维为无机纤维材料具有很好的刚性；
2）细功能化纤维的制备：本实施例中的细功能化纤维为聚丙烯酸纤维，其制备过程为采用干法纺丝制备直径在400nm-550nm的聚丙烯酸纤维；所述聚丙烯酸纤维为高分子材料，在直径为400nm-550nm时，其具有很好的韧性；结合了细功能纤维的韧性以及具有无机纤维材料（玻璃短纤维）的刚性，最终制备获得的多级孔径分布材料多级孔径分布材料具有很好地韧性、弹性，可以防止使用过程中材料易碎的问题。
（2）均质化处理：以乙醇为溶剂，将步骤（1）制备得到的所述玻璃短纤维与所述聚丙烯酸纤维分散在上述乙醇溶剂中进行乳化粉碎，形成均匀的分散液，即均质化后的功能化纤维；在所述分散液中，控制所述玻璃短纤维的质量分数为2%，所述聚丙烯酸纤维质量分数为0.5%。
（3）交联化处理：然后往所述均质化后的功能化纤维中加入3-氨基丙基三乙氧基硅烷，其质量为所述玻璃短纤维质量的0.5%，温度20-30℃反应3-10h，加入的3-氨基丙基三乙氧基硅烷可以与所述玻璃短纤维表面的硅羟基发生交联反应；在零下100℃下固化后冷冻干燥成型，形成多级孔径分布材料，所述多级孔径分布材料的密度为180mg/cm3，孔隙率为80%，对水中重金属的吸附率为90%；如图1及图2所示，制备获得的所述多级孔径分布材料中的纤维各种取向均衡分布，在实际使用过程中这种结构可以提高材料的流体通过性能。
在零下100℃下固化后冷冻干燥成型，是为了去除步骤（2）中加入的乙醇溶剂，还可以使用真空干燥、常压干燥和超临界干燥方法中的任意一种。
实施例3
一种多级孔径分布材料的制备方法，具体为：
（1）粗功能化纤维与细功能化纤维的制备：
1）粗功能化纤维的制备：本实施例中的粗功能化纤维为银纤维，其制备过程为采用模板法制备直径分布在20um-40um的银纤维；
2）细功能化纤维的制备：本实施例中的细功能化纤维为聚乳酸纤维，其制备过程采用静电纺丝工艺制备聚乳酸纳米纤维,直径在300nm-350nm；
（2）均质化处理：按照所述银纤维以及所述聚乳酸纤维质量比为1:150，称取步骤（1）制备得到的所述银纤维以及所述聚乳酸纤维，放入开松机中进行混合开松处理，得到均质化后的功能化纤维；
（3）交联化处理：进行220℃加热交联，得到具有抗菌作用的医用敷料载体材料。
实施例4
一种多级孔径分布材料的制备方法，具体为：
（1）粗功能化纤维与细功能化纤维的制备：
1）粗功能化纤维的制备：本实施例中的粗功能化纤维为聚乙烯醇纤维，其制备过程为采用模板法制备直径分布在10um-20um的聚乙烯醇纤维；
2）细功能化纤维的制备：本实施例中的细功能化纤维为聚乙烯醇纳米纤维，其制备过程采用静电纺丝工艺制备聚乙烯醇纳米纤维,直径在150nm-750nm；
（2）均质化处理：取步骤（1）制备得到的所述聚乙烯醇纤维以及所述聚乙烯醇纳米纤维按照质量比为1:15放入开松机中混合，得到均质化后的功能化纤维；
（3）交联化处理：然后往所述均质化后的功能化纤维中通入戊二醛蒸汽进行交联反应，以使纤维之间交联固化成网状结构，得到聚乙烯醇多级孔径分布材料。
实施例5
一种多级孔径分布材料的制备方法，具体为：
（1）粗功能化纤维与细功能化纤维的制备：
1）粗功能化纤维的制备：本实施例中的粗功能化纤维为聚丙烯腈纤维，其制备过程为采用静电纺丝法制备聚丙烯腈纤维，通过加热催化还原的方法将丙烯腈纤维表面腈基还原为氨基获得的氨基改性后的聚丙烯腈纤维，其直径分布在10um-20um；
2）细功能化纤维的制备：本实施例中的细功能化纤维为聚丙烯腈纤维，其制备过程为采用静电纺丝法制备聚丙烯腈纤维，通过加热催化还原的方法将丙烯腈纤维表面腈基还原为氨基获得的氨基改性后的聚丙烯腈纤维，其直径分布在150nm-750nm；
（2）均质化处理：将步骤（1）制备得到的粗功能化纤维与细功能化纤维（均为氨基改性后的聚丙烯腈纤维）分散在开松机中进行开松混合处理，形成均匀的分散体，即均质化后的功能化纤维；在所述分散液中，控制氨基改性后的粗聚丙烯腈纤维以及氨基改性后的细聚丙烯腈纤维的总质量分数为5-30%；
（3）交联化处理：然后往所述均质化后的功能化纤维中加入辛二酸，其质量为所述氨基改性后的聚丙烯腈纤维质量的0.1-5%，40-60℃保温3h，其中，加入的辛二酸可以与所述氨基改性后的聚丙烯腈纤维表面氨基发生交联反应；纤维之间交联固化成网状结构，然后采用50-80℃真空干燥的方法去除步骤（2）中加入的叔丁醇溶剂，得到多级孔径分布材料，所述多级孔径分布材料的密度为15mg/cm3，孔隙率为95%，对空气中PM2.5的吸附率为98%。
在本实施例中，加入的辛二酸可以与所述氨基改性后的聚丙烯腈纤维表面氨基发生交联反应。

Claims (9)

1.一种多级孔径分布材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法首先制备粗功能化纤维与细功能化纤维，所述粗功能化纤维与所述细功能化纤维的表面均具有可以发生化学交联反应的化学基团，然后将所述粗功能化纤维与所述细功能化纤维进行均质化处理，得到均质化后的功能化纤维，将所述均质化后的功能化纤维进行交联化处理以使所述化学基团发生化学交联反应，制备得到多级孔径分布材料；
所述粗功能化纤维的直径为10-200um；所述细功能化纤维为纳米纤维，并所述细功能化纤维的直径为50-1000nm；能够通过调整所述粗功能化纤维以及所述细功能化纤维的质量比例以调控多级孔径分布材料的孔径分布、密度、弹性。
2.根据权利要求1所述一种多级孔径分布材料的制备方法，其特征在于，所述粗功能化纤维以及所述细功能化纤维为棉纤维、木棉纤维、麻纤维、壳聚糖纤维、甲壳素纤维、细菌纤维素纤维、醋酸纤维、乙基纤维素纤维、透明质酸纤维、胶原纤维、硝化纤维素纤维、明胶纤维、丝素蛋白纤维、沥青纤维、弹性蛋白纤维、植物蛋白纤维、聚乳酸纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯腈纤维、聚丙烯酸纤维、聚乳酸乙醇酸纤维、聚丙烯酰胺纤维、聚乙二醇纤维、聚酰亚胺纤维、聚酞亚胺纤维和聚乙二炔纤维中的任意一种。
3.根据权利要求1所述一种多级孔径分布材料的制备方法，其特征在于，所述化学基团为碳碳双键、碳碳三键、氨基、羧基、巯基、羟基、咪唑基、环氧基、腈基、甲酰基、酯基、硝基、亚硝基、磺基、酰基、异氰基、肟基和偶氮基中的任意一种或任意几种的组合。
4.根据权利要求1所述一种多级孔径分布材料的制备方法，其特征在于，将所述均质化处理具体为：将制备获得的所述粗功能化纤维与所述细功能化纤维放入开松机中进行混合开松，得到厚度为5-100mm的均质化后的功能化纤维，所述均质化后的功能化纤维为蓬松的三维结构。
5.根据权利要求1所述一种多级孔径分布材料的制备方法，其特征在于，将所述均质化处理具体为：将制备获得的所述粗功能化纤维与所述细功能化纤维在溶剂中进行乳化粉碎，以使所述粗功能化纤维与所述细功能化纤维在溶液中均匀分布，得到均质化后的功能化纤维；所述溶剂为水、乙醇、甲醇、叔丁醇和异丙醇中的任意一种或任意几种的组合。
6.根据权利要求1所述一种多级孔径分布材料的制备方法，其特征在于，所述交联化处理为：将所述均质化后的功能化纤维进行加热、光照、辐射、微波或超声处理以使所述化学基团发生化学交联反应。
7.根据权利要求1所述一种多级孔径分布材料的制备方法，其特征在于，所述交联化处理为：往所述均质化后的功能化纤维中加入与所述化学基团发生化学交联反应的化学分子，所述化学分子为乙二胺、已二胺、乙二酸、己二酸以及戊二醛中的任意一种。
8.根据权利要求1所述一种多级孔径分布材料的制备方法，其特征在于，制备所述粗功能化纤维与细功能化纤维的方法为熔融纺丝、干法纺丝、湿法纺丝、静电纺丝中的任意一种或任意几种的组合。
9.根据权利要求1所述一种多级孔径分布材料的制备方法，其特征在于，制备得到的所述多级孔径分布材料应用于制备催化剂载体、生物组织工程支架、医用敷料载体、过滤材料或吸附材料。
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