CN106283615B - 一种柔性导电聚酰亚胺/银复合纳米管及其制备方法 - Google Patents

一种柔性导电聚酰亚胺/银复合纳米管及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种柔性导电聚酰亚胺/银复合纳米管及其制备方法。首先采用同轴静电纺丝法，以聚酰胺酸溶液为外层纺丝液，以聚醚酰亚胺溶液为芯层纺丝液，制得聚酰胺酸/聚醚酰亚胺同轴纳米纤维。然后将其浸入到银盐溶液和还原溶液中进行离子交换和还原，随后再用溶剂将内层聚醚酰亚胺溶出，得到负载银及银离子的聚酰胺酸纳米管。之后再进行程控梯度升温热处理，使聚酰胺酸环化为聚酰亚胺，同时发生银离子的还原及银的聚集，从而制得聚酰亚胺/银复合纳米管。本发明制备的纳米管由聚酰亚胺/银复合而成，具有良好的柔性和导电性能；本发明的方法实施过程简单，易于流程化，可采用商业化原料，实现规模制备，具有很好的应用前景。

Description

一种柔性导电聚酰亚胺/银复合纳米管及其制备方法
技术领域
本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种柔性导电聚酰亚胺/银复合纳米管及其制备方法。
背景技术
随着社会发展和科技进步，人们对于高效功能性材料的需求越来越迫切，各种新型的材料及材料结构不断涌现。其中，纳米管状材料就是近年来一个研究的热点。纳米管状材料具有突出的表面效应和尺寸效应，与本体材料相比，其功能性更为优异，如气敏性、生物传感性、光学性能等。因此，纳米管状材料在催化、能源、传感、医疗、过滤、电子科学等领域具有广泛应用前景。
纳米银管是由银单质或者纳米管状材料表面包覆银单质所制备得到的一类纳米管状材料。金属银具有优异的导电和导热性，以及良好的抗菌性和抗氧化性能，制成纳米银管后，纳米管的尺寸效应和表面效应可以有效地提升银自身抗氧化性、抗菌活性等性能。纳米银管的优良导电性、抗菌除臭、热传导、抗静电、防辐射以及电磁屏蔽等性能，使其有望广泛应用于杀菌、伤口包扎、电子工业等诸多领域。
纳米银管的制备方法有很多，例如模板法、溶胶-凝胶法、水热合成法等，其中模板法是传统方法，其过程简单易行，产品形貌可控，但较难获得长径比较大的中空纳米管，而且较难实现规模化的大量制备；溶胶-凝胶法操作温度较低，获得的产品纯度较高，但其工艺复杂，过程繁琐，耗时较长；水热合成法具有可控性和调变性，分散性好，但其反应时间较长，产率较低。同时，利用以上方法制备得到的纳米银管脆性较大，不具备柔性，容易碎裂和塌陷，且无法实现特定尺寸的纳米银管的制备。近年来，静电纺丝技术日趋成熟，成为制备一维纳米材料的有效手段。静电纺丝是在强静电场力的作用下将聚合物前驱体拉伸成纤维的一种纺丝加工工艺，其操作简便，设备廉价，且制备效率高，可实现大量制备。静电纺丝的上述优点使其有望应用于纳米管状材料的制备过程中。
本发明提供了一种柔性导电复合银管及其制备方法，首先由同轴静电纺丝技术制得聚酰胺酸/聚醚酰亚胺同轴纳米纤维，然后通过离子交换和还原，使银离子和单质银负载在聚酰胺酸表面，然后将其浸泡在N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺或N,N-二甲基乙酰胺等有机溶剂中，利用负载金属离子后的聚酰胺酸不能再次被溶解在这些溶剂中的特点，将同轴纤维芯层的聚醚酰亚胺溶掉，得到表面负载银及银离子的聚酰胺酸纳米管，随后经程控梯度升温热亚胺化处理后，得到具有良好的柔性和导电性能的聚酰亚胺/银复合纳米管。本发明提供的制备方法的实施过程简单，制备效率高，尺寸和形貌可控，易于流程化，可采用商业化原料进行大规模生产，制备成本低廉，具有很好的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于通过同轴静电纺丝法制得聚酰胺酸/聚醚酰亚胺同轴纳米纤维，通过离子交换还原在其表面形成银层，然后利用有机溶剂溶掉内层聚醚酰亚胺，并通过程控梯度升温热亚胺化处理，得到聚酰亚胺/银复合纳米管。
1.一种柔性导电聚酰亚胺/银复合纳米管，该纳米管是由中空聚酰亚胺纤维管与银复合所构成的，具有优异的柔性和导电性能，其截面为圆形，管的内径为50nm～1.5μm，管的壁厚为10～500nm，管壁由表面银层和聚酰亚胺/银掺杂层组成，其中，表面银层厚度为5～200nm，聚酰亚胺/银掺杂层厚度为10～300nm。
2.一种柔性导电聚酰亚胺/银复合纳米管的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
A:合成固含量为10～30％的聚酰胺酸溶液作为外层纺丝液，同时配制固含量为20～50％的聚醚酰亚胺溶液作为内层纺丝液，通过同轴静电纺丝法制得聚酰胺酸/聚醚酰亚胺同轴复合纳米纤维；
B:将步骤A制得的同轴纳米纤维浸到银盐溶液中，进行离子交换，用去离子水清洗干净后，浸到还原溶液中进行银离子还原，再次用去离子水清洗干净；
C:重复步骤B的操作4～25次，得到负载银及银离子的聚酰胺酸/聚醚酰亚胺同轴纳米纤维；
D:将步骤C得到的复合同轴纳米纤维浸入到特定的有机溶剂中，并保持一定的时间，将内层的聚醚酰亚胺溶出，得到负载银及银离子的聚酰胺酸复合纳米管；
E:将步骤D得到的复合纳米管进行程控梯度升温热处理，使聚酰胺酸环化为聚酰亚胺，同时将未还原的银离子还原，并发生银粒子的聚集，从而制得聚酰亚胺/银复合纳米管。
其中，步骤B中银盐溶液为硝酸银、氟化银或四氟硼酸银中的一种或两种以上的混合水溶液，浓度为0.02～0.15mol/L，离子交换时间为1～30min；还原溶液为葡萄糖、二甲胺硼烷或柠檬酸钠水溶液，浓度为0.002～0.050mol/L，还原时间为1～40min。
步骤D中所述的有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺或N,N-二甲基乙酰胺中的一种或两种以上的混合溶剂，浸泡时间为1～10天。
步骤E中所述的程控梯度升温过程，升温程序为从室温经过1h升到135℃，在135℃保温2h，然后经过2h升到250～350℃，并保持10min～3h。
与现有材料和技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明制备的聚酰亚胺/银复合纳米管，同时结合了聚酰亚胺和银管的优良特性，为新型的纳米管状材料，具有优异的柔性和导电性能，尺寸均匀，形貌可控，成本低廉，解决了纯的纳米银管成本高，脆性大，不具备柔性，容易碎裂和塌陷，且尺寸可控性和可变性差的问题。
2.本发明的方法，在复合纳米银管的制备过程中，可通过对静电纺丝参数以及金属覆载量的调节，实现对复合纳米管尺寸、形貌和结构的控制，从而实现不同尺寸的柔性导电纳米管的制备，实施过程简单，设备造价低，制备效率高，材料形貌尺寸可控性强
3.本发明的制备方法易于流程化，且可采用商业化原料，价格低廉，可实现大规模制备，实际应用前景广阔。
附图说明
图1是按照实施例1制备的聚酰亚胺/银复合纳米管的扫描电镜图，放大倍数左图10000倍，右图50000倍；
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述发明，应说明的是：以下实施例仅用以说明而非限制本发明所描述的技术方案。因此，尽管本说明书参照下述的实施例对本发明进行了详细的说明，但是，凡在本申请技术方案基础上所作的等同交换均落入本发明的保护范围。
实施例1
制备固含量为12％的聚酰胺酸溶液作为外层纺丝液，50℃条件下溶解得到固含量为30％的聚醚酰亚胺溶液作为内层纺丝液，设置纺丝电压11.69kV，接受距离为15cm，设定内外层推进量比例为1:2，通过同轴静电纺丝法制得聚醚酰亚胺/聚酰胺酸同轴纳米纤维膜。30℃恒温水浴下，浸到的0.05mol/L的硝酸银溶液中，进行离子交换5min，然后用去离子水清洗，再将其浸到0.01mol/L的二甲胺基硼烷(DMAB)溶液中还原银离子，5min后用去离子水清洗。重复上述过程10次。将处理后的同轴纳米纤维在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中浸泡一周，溶掉内层的聚醚酰亚胺，得到聚酰胺酸/银复合纳米管，并将其进行程控梯度升温热处理，从室温经过1h升到135℃，在135℃保温2h，然后经过2h升到300℃，并保持2h，得到聚酰亚胺/银复合纳米管。
实施例2
制备固含量为12％的聚酰胺酸溶液作为外层纺丝液，50℃条件下溶解得到固含量为30％的聚醚酰亚胺溶液作为内层纺丝液，设置纺丝电压13kV，接受距离为15cm，设定内外层推进量比例为1:1，通过同轴静电纺丝法制得聚醚酰亚胺/聚酰胺酸同轴纳米纤维膜。30℃恒温水浴下，浸到的0.05mol/L的四氟硼酸银溶液中，进行离子交换10min，然后用去离子水清洗，再将其浸到0.01mol/L的葡萄糖溶液中还原银离子，10min后用去离子水清洗。重复上述过程15次。将处理后的同轴纳米纤维在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中浸泡五天，溶掉内层的聚醚酰亚胺，得到聚酰胺酸/银复合纳米管，并将其进行程控梯度升温热处理，从室温经过1h升到135℃，在135℃保温2h，然后经过2h升到250℃，并保持1h，得到聚酰亚胺/银复合纳米管。
实施例3
制备固含量为12％的聚酰胺酸溶液作为外层纺丝液，50℃条件下溶解得到固含量为30％的聚醚酰亚胺溶液作为内层纺丝液，设置纺丝电压14kV，接受距离为15cm，设定内外层推进量比例为1:4，通过同轴静电纺丝法制得聚醚酰亚胺/聚酰胺酸同轴纳米纤维膜。30℃恒温水浴下，浸到的0.05mol/L的硝酸银溶液中，进行离子交换5min，然后用去离子水清洗，再将其浸到0.01mol/L的葡萄糖溶液中还原银离子，5min后用去离子水清洗。重复上述过程20次。将处理后的同轴纳米纤维在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中浸泡三天，溶掉内层的聚醚酰亚胺，得到聚酰胺酸/银复合纳米管，并将其进行程控梯度升温热处理，从室温经过1h升到135℃，在135℃保温2h，然后经过2h升到300℃，并保持30min，得到聚酰亚胺/银复合纳米管。
实施例4
制备固含量为12％的聚酰胺酸溶液作为外层纺丝液，50℃条件下溶解得到固含量为30％的聚醚酰亚胺溶液作为内层纺丝液，设置纺丝电压10kV，接受距离为15cm，设定内外层推进量比例为1:3，通过同轴静电纺丝法制得聚醚酰亚胺/聚酰胺酸同轴纳米纤维膜。30℃恒温水浴下，浸到的0.05mol/L的氟化银溶液中，进行离子交换15min，然后用去离子水清洗，再将其浸到0.01mol/L的葡萄糖溶液中还原银离子，15min后用去离子水清洗。重复上述过程5次。将处理后的同轴纳米纤维在N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)中浸泡十天，溶掉内层的聚醚酰亚胺，得到聚酰胺酸/银复合纳米管，并将其进行程控梯度升温热处理，从室温经过1h升到135℃，在135℃保温2h，然后经过2h升到300℃，并保持1h，得到聚酰亚胺/银复合纳米管。
实施例5
制备固含量为12％的聚酰胺酸溶液作为外层纺丝液，50℃条件下溶解得到固含量为30％的聚醚酰亚胺溶液作为内层纺丝液，设置纺丝电压12kV，接受距离为15cm，设定内外层推进量比例为2：1，通过同轴静电纺丝法制得聚醚酰亚胺/聚酰胺酸同轴纳米纤维膜。30℃恒温水浴下，浸到的0.05mol/L的四氟硼酸银溶液中，进行离子交换5min，然后用去离子水清洗，再将其浸到0.01mol/L的二甲胺基硼烷(DMAB)溶液中还原银离子，5min后用去离子水清洗。重复上述过程15次。将处理后的同轴纳米纤维在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中浸泡一周，溶掉内层的聚醚酰亚胺，得到聚酰胺酸/银复合纳米管，并将其进行程控梯度升温热处理，从室温经过1h升到135℃，在135℃保温2h，然后经过2h升到300℃，并保持2h，得到聚酰亚胺/银复合纳米管。
表1本发明制备得到的聚酰亚胺/银复合纳米管的导电性能

Claims (6)

1.一种柔性导电聚酰亚胺/银复合纳米管，该纳米管是由中空聚酰亚胺纤维管与银复合所构成的，具有柔性和导电性能，其截面为圆形，管的内径为50nm～1.5μm，管的壁厚为10～500nm，管壁由表面银层和聚酰亚胺/银掺杂层组成，其中，表面银层厚度为5～200nm，聚酰亚胺/银掺杂层厚度为10～300nm。
2.一种权利要求1所述的柔性导电聚酰亚胺/银复合纳米管的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
A:以固含量为10～30％的聚酰胺酸溶液作为外层纺丝液，以固含量为20～50％的聚醚酰亚胺溶液作为内层纺丝液，通过同轴静电纺丝法制得聚酰胺酸/聚醚酰亚胺同轴复合纳米纤维；
B:将步骤A制得的同轴纳米纤维浸到银盐溶液中，进行离子交换，用去离子水清洗干净后，浸到还原溶液中进行银离子还原，再次用去离子水清洗干净；
C:重复步骤B的操作4～25次，得到负载银及银离子的聚酰胺酸/聚醚酰亚胺同轴纳米纤维；
D:将步骤C得到的复合同轴纳米纤维浸入到特定的有机溶剂中，并保持一定的时间，将内层的聚醚酰亚胺溶出，得到负载银及银离子的聚酰胺酸复合纳米管；
E:将步骤D得到的复合纳米管进行程控梯度升温热处理，使聚酰胺酸环化为聚酰亚胺，同时将未还原的银离子还原，并发生银粒子的聚集，从而制得聚酰亚胺/银复合纳米管；
步骤D中所述的特定有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺或N,N-二甲基乙酰胺中的一种或两种以上的混合溶剂。
3.按照权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤B中的银盐溶液为硝酸银、氟化银或四氟硼酸银中的一种或两种以上的混合水溶液，浓度为0.02～0.15mol/L，离子交换时间为1～30min；还原溶液为葡萄糖、二甲胺硼烷或柠檬酸钠水溶液，浓度为0.002～0.050mol/L，还原时间为1～40min。
4.按照权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤D中浸泡时间为1～10天。
5.按照权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤E中所述的程控梯度升温过程，升温程序为从室温经过1h升到135℃，在135℃保温2h，然后经过2h升到250～350℃，并保持10min～3h。
6.按照权利要求2～5中的任一方法所制备的柔性导电聚酰亚胺/银复合纳米管。
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