CN110004590A - 一种高顶破性能纳米纤维-非织造复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高顶破性能纳米纤维‑非织造复合材料的制备方法,将聚乙烯醇与十二烷基苯磺酸钠加入去离子水中,配成溶液,加热后恒温搅拌至分散均匀,冷却消泡,加入纳米二氧化钛粉末,超声分散后搅拌至形成均一分散相,将非织造布覆盖在滚筒收集装置上,进行静电纺丝,得到纳米纤维‑非织造复合材料。本发明的方法制备得到的纳米纤维‑非织造复合材料具有高顶破强度。

Description

一种高顶破性能纳米纤维-非织造复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及纳米复合材料技术领域,具体涉及一种高顶破性能纳米纤维-非织造复合材料的制备方法。
背景技术
纳米纤维可以广泛应用于过滤材料、电磁屏蔽、抗静电、生物医学、传感器材料等。制造纳米纤维的方法有很多,如拉伸法、模板合成、自组装、微相分离、静电纺丝等。其中静电纺丝法以操作简单、适用范围广、生产效率相对较高等优点而被广泛应用。纳米粒子由于其尺寸特点,在众多领域具有独特的性能优势,其中一些硬质纳米粒子,例如TiO2、SiO2、碳纳米管和石墨烯等可以用于微纳米纤维的物理机械性能增强增韧。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种高顶破性能纳米纤维-非织造复合材料的制备方法,以硬质纳米粒子增强非织造布的顶破性能。
本发明将生物可降解原料聚乙烯醇(PVA)和硬质纳米二氧化钛(TiO2)粉末相结合,利用传统的静电纺丝工艺,制备微纳米纤维,并将非织造布直接覆盖在收集装置上,采用一步法制备具有高顶破强度的纳米纤维-非织造复合材料。
具体的,本发明的高顶破性能纳米纤维-非织造复合材料的制备方法,包括下述步骤:
(1)将聚乙烯醇与十二烷基苯磺酸钠加入去离子水中配成溶液,所述聚乙烯醇浓度为8-10wt%,所述十二烷基苯磺酸钠浓度为0.1-0.5wt%;
(2)将上述溶液加热至80℃,恒温搅拌至分散均匀,冷却消泡;
(3)加入纳米二氧化钛粉末,超声分散后搅拌至形成均一分散相,备用;
优选的,所述纳米二氧化钛粉末的加入量占纳米二氧化钛粉末和聚乙烯醇总量的1-2.5wt%。
优选的,加入纳米二氧化钛粉末后,用超声波分散器在50℃的条件下连续分散至少5小时。
(4)将非织造布覆盖在收集装置上,在室温和相对湿度50-80%下,将上述分散均匀的聚合物溶液静电纺丝,得到纳米纤维-非织造复合材料。
优选的,静电纺丝时,静电场电压为10-20kV,纺丝距离为10-20cm,流速为0.1-1.5mL/h。
更优选的,静电纺丝时,静电场电压为15kV,纺丝距离为15cm,流速为0.5mL/h。
优选的,静电纺丝时间为3-4小时。
本发明的方法制备得到的纳米纤维-非织造复合材料,具有高顶破强度。
附图说明
图1为实施例2-5不同质量分数纳米TiO2的纤维直径走势图;
图2为实施例1-5试样的顶破载荷位移曲线图;
图3为实施例1-5试样的最大载荷趋势图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述。
实施例1
(1)配制总质量分数为10%的PVA水溶液作为静电纺丝用纺丝液。
先配制纯PVA水溶液20g,用电子天平精确称量1799型聚乙烯醇2.00g,再称量0.1g十二烷基苯磺酸钠(分析纯)作为表面活性剂,将称量好的试剂放入烧杯中,加入17.9g去离子水,将烧杯放入HH-2型磁力搅拌水浴器中水浴搅拌1h,温度80℃。将水浴搅拌过的PVA水溶液在常温下静置冷却40min,等溶液中的气泡全部消失后,将水溶液作为纺丝液灌注到注射器中。
(2)将非织造布基体包覆在收集装置上,调节毛细管针头与收集转筒之间的接收距离,将高压静电发生器电极与针头相连,打开注射泵并设置一定的流速,在注射器针头处刚好产生液滴时,打开脉冲式高压静电发生器电源,调节电压进行静电纺丝,静电纺丝的具体工艺条件列于表1中。
实施例2
(1)配制含纳米二氧化钛硬质粒子的PVA纺丝液,称取1799型聚乙烯醇1.98g,再称量0.1g十二烷基苯磺酸钠(分析纯)作为表面活性剂,将称量好的试剂放入烧杯中,加入17.9g去离子水,将烧杯放入HH-2型磁力搅拌水浴器中水浴搅拌1h,温度80℃。将水浴搅拌过的PVA水溶液在常温下静置冷却40min,等溶液中的气泡全部消失后,再称取0.02g纳米二氧化钛,加入静置好的溶液中,用超声波分散器在50℃的条件下连续分散5h,将分散好的溶液放置在HJ-6A六连不加热磁力搅拌器搅拌直到溶液形成均一的分散相,将溶液作为纺丝液灌注到注射器中。
(2)将非织造布基体包覆在收集装置上,调节毛细管针头与收集转筒之间的接收距离,将高压静电发生器电极与针头相连,打开注射泵并设置一定的流速,在注射器针头处刚好产生液滴时,打开脉冲式高压静电发生器电源,调节电压进行静电纺丝,静电纺丝的具体工艺条件列于表1中。
实施例3
(1)配制含纳米二氧化钛硬质粒子的PVA纺丝液,称取1799型聚乙烯醇1.97g,再称量0.1g十二烷基苯磺酸钠(分析纯)作为表面活性剂,将称量好的试剂放入烧杯中,加入17.9g去离子水,将烧杯放入HH-2型磁力搅拌水浴器中水浴搅拌1h,温度80℃。将水浴搅拌过的PVA水溶液在常温下静置冷却40min,等溶液中的气泡全部消失后,再称取0.03g纳米二氧化钛,加入静置好的溶液中,用超声波分散器在50℃的条件下连续分散5h,将分散好的溶液放置在HJ-6A六连不加热磁力搅拌器搅拌直到溶液形成均一的分散相,将溶液作为纺丝液灌注到注射器中。
(2)将非织造布基体包覆在收集装置上,调节毛细管针头与收集转筒之间的接收距离,将高压静电发生器电极与针头相连,打开注射泵并设置一定的流速,在注射器针头处刚好产生液滴时,打开脉冲式高压静电发生器电源,调节电压进行静电纺丝,静电纺丝的具体工艺条件列于表1中。
实施例4
(1)配制含纳米二氧化钛硬质粒子的PVA纺丝液,称取1799型聚乙烯醇1.96g,再称量0.1g十二烷基苯磺酸钠(分析纯)作为表面活性剂,将称量好的试剂放入烧杯中,加入17.9g去离子水,将烧杯放入HH-2型磁力搅拌水浴器中水浴搅拌1h,温度80℃。将水浴搅拌过的PVA水溶液在常温下静置冷却40min,等溶液中的气泡全部消失后,再称取0.04g纳米二氧化钛,加入静置好的溶液中,用超声波分散器在50℃的条件下连续分散5h,将分散好的溶液放置在HJ-6A六连不加热磁力搅拌器搅拌直到溶液形成均一的分散相,将溶液作为纺丝液灌注到注射器中。
(2)将非织造布基体包覆在收集装置上,调节毛细管针头与收集转筒之间的接收距离,将高压静电发生器电极与针头相连,打开注射泵并设置一定的流速,在注射器针头处刚好产生液滴时,打开脉冲式高压静电发生器电源,调节电压进行静电纺丝,静电纺丝的具体工艺条件列于表1中。
实施例5
(1)配制含纳米二氧化钛硬质粒子的PVA纺丝液,称取1799型聚乙烯醇1.95g,再称量0.1g十二烷基苯磺酸钠(分析纯)作为表面活性剂,将称量好的试剂放入烧杯中,加入17.9g去离子水,将烧杯放入HH-2型磁力搅拌水浴器中水浴搅拌1h,温度80℃。将水浴搅拌过的PVA水溶液在常温下静置冷却40min,等溶液中的气泡全部消失后,再称取0.05g纳米二氧化钛,加入静置好的溶液中,用超声波分散器在50℃的条件下连续分散5h,将分散好的溶液放置在HJ-6A六连不加热磁力搅拌器搅拌直到溶液形成均一的分散相,将溶液作为纺丝液灌注到注射器中。
(2)将非织造布基体包覆在收集装置上,调节毛细管针头与收集转筒之间的接收距离,将高压静电发生器电极与针头相连,打开注射泵并设置一定的流速,在注射器针头处刚好产生液滴时,打开脉冲式高压静电发生器电源,调节电压进行静电纺丝,静电纺丝的具体工艺条件列于表1中。
实施例6
(1)配制含纳米二氧化钛硬质粒子的PVA纺丝液,称取1799型聚乙烯醇1.98g,再称量0.02g十二烷基苯磺酸钠(分析纯)作为表面活性剂,将称量好的试剂放入烧杯中,加入22.98g去离子水,将烧杯放入HH-2型磁力搅拌水浴器中水浴搅拌1h,温度80℃。将水浴搅拌过的PVA水溶液在常温下静置冷却40min,等溶液中的气泡全部消失后,再称取0.02g纳米二氧化钛,加入静置好的溶液中,用超声波分散器在50℃的条件下连续分散5h,将分散好的溶液放置在HJ-6A六连不加热磁力搅拌器搅拌直到溶液形成均一的分散相,将溶液作为纺丝液灌注到注射器中。
(2)将非织造布基体包覆在收集装置上,调节毛细管针头与收集转筒之间的接收距离,将高压静电发生器电极与针头相连,打开注射泵并设置一定的流速,在注射器针头处刚好产生液滴时,打开脉冲式高压静电发生器电源,调节电压进行静电纺丝,静电纺丝的具体工艺条件列于表1中。
实施例7
(1)配制含纳米二氧化钛硬质粒子的PVA纺丝液,称取1799型聚乙烯醇1.95g,再称量0.1g十二烷基苯磺酸钠(分析纯)作为表面活性剂,将称量好的试剂放入烧杯中,加入22.9g去离子水,将烧杯放入HH-2型磁力搅拌水浴器中水浴搅拌1h,温度80℃。将水浴搅拌过的PVA水溶液在常温下静置冷却40min,等溶液中的气泡全部消失后,再称取0.05g纳米二氧化钛,加入静置好的溶液中,用超声波分散器在50℃的条件下连续分散5h,将分散好的溶液放置在HJ-6A六连不加热磁力搅拌器搅拌直到溶液形成均一的分散相,将溶液作为纺丝液灌注到注射器中。
(2)将非织造布基体包覆在收集装置上,调节毛细管针头与收集转筒之间的接收距离,将高压静电发生器电极与针头相连,打开注射泵并设置一定的流速,在注射器针头处刚好产生液滴时,打开脉冲式高压静电发生器电源,调节电压进行静电纺丝,静电纺丝的具体工艺条件列于表1中。
表1静电纺丝机纺丝工艺条件
参数 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 实施例6 实施例7
静电场电压(kV) 15 15 15 15 15 10 20
纺丝距离(cm) 15 15 15 15 15 10 20
流速(mL/h) 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.1 1.5
温度(℃) 25 25 25 25 25 20 25
相对湿度(%) 50 50 50 50 50 50 80
纺丝时间(h) 3 3 3 3 3 4 3
从图1中可以看出,采用本发明的工艺制备得到的纳米纤维表面较为光滑,粗细较为均匀。
对实施例1-5所制得的试样进行顶破测试,试验采用美国材料与试验协会推荐的ASTM D885-07的测试标准,在Instron-5967型材料试验机上进行顶破测试。
所有试验测试采用ISO 139-2005推荐的标准大气环境:温度20±2.0℃,湿度65±4.0%。
将试样用圆环形夹具固定,上下两个夹具采用三个螺母固定,且上下夹具金属板内部采用凹凸槽设计,可以有效地阻止试样在顶破过程中发生滑移,减小试验误差。
刺锥以恒定速度100mm/min的速度对试样进行顶破作用。
表2试样中加入纳米TiO2分布情况
表3试样失效时的最大位移
表2的数据对应图2,可以看出随着加入纳米二氧化钛的质量分数逐渐增大,复合材料的压缩位移最大值和压缩载荷最大值也随之有很大的增加。
从图3中可以看出压缩载荷最大值和压缩位移最大值与试样含纳米TiO2的质量分数呈正线性相关。随着加入纳米二氧化钛的质量分数逐渐增大,复合材料所能承受的最大顶破强力也随之增大。说明硬质粒子的加入的确有利于改善复合材料的顶破性能。
对于本领域技术人员而言,显然本发明不限于上述示范性实施例的细节,而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下,能够以其他的具体形式实现本发明。因此,无论从哪一点来看,均应将实施例看作是示范性的,而且是非限制性的,本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定,因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外,应当理解,虽然本说明书按照实施方式加以描述,但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案,说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见,本领域技术人员应当将说明书作为一个整体,各实施例中的技术方案也可以经适当组合,形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种高顶破性能纳米纤维-非织造复合材料的制备方法,其特征在于,包括下述步骤:
S1、将聚乙烯醇与十二烷基苯磺酸钠加入去离子水中配成溶液,所述聚乙烯醇浓度为8-10wt%,所述十二烷基苯磺酸钠浓度为0.1-0.5wt%;
S2、将上述溶液加热至80℃,恒温搅拌至分散均匀,冷却消泡;
S3、加入纳米二氧化钛粉末,超声分散后搅拌至形成均一分散相,备用;
S4、将非织造布覆盖在收集装置上,在室温和相对湿度50-80%下,将上述分散均匀的聚合物溶液静电纺丝,得到纳米纤维-非织造复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述纳米二氧化钛粉末的加入量占纳米二氧化钛粉末和聚乙烯醇总量的1-2.5wt%。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,加入纳米二氧化钛粉末后,用超声波分散器在50℃的条件下连续分散至少5小时。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,静电纺丝时,静电场电压为10-20kV,纺丝距离为10-20cm,流速为0.1-1.5mL/h。
5.根据权利要求4所述的制备方法,其特征在于,静电纺丝时,静电场电压为15kV,纺丝距离为15cm,流速为0.5mL/h。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,静电纺丝时间为3-4小时。
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