CN112030239B - 一种液态高分子材料的高压静电纺丝方法 - Google Patents

一种液态高分子材料的高压静电纺丝方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种液态高分子材料的高压静电纺丝方法，属于纺织纤维技术领域。该方法是将液态高分子材料、高分子表面活性剂和固化剂等材料溶解到有机溶剂中，配置成纺丝前驱液，将配制的纺丝前驱液置于纺丝装置中进行高压静电纺丝，并在高压静电纺丝过程中使经纺丝装置的纺丝针头喷出后的纺丝前驱液在固化加热装置的加热作用下进行有机溶剂的蒸发以及液态高分子材料的固化，获得纤维膜。本发明成功地将现有技术中无法实现纺丝的液态高分子材料成功制备成了纤维膜，实现了技术突破，克服了液态高分子材料不能够纺丝的技术难题。本发明制备的纤维膜具有多孔结构，比质量小，具有较好的隔热性能，可以应用到柔性电子器件、传感器等领域上。

Description

一种液态高分子材料的高压静电纺丝方法
技术领域
本发明涉及一种液态高分子材料的高压静电纺丝方法，属于纺织纤维技术领域。
背景技术
环氧树脂的环氧值小于等于12时呈固态，环氧值大于12时呈液态，现有纺丝技术中只有呈固态的环氧树脂能够用于纺丝，环氧值大于12的液态环氧树脂无法进行纺丝。此外液态酚醛树脂、液态硅树脂和液态硅橡胶这三种液态高分子材料由于都呈液态也同样无法进行纺丝，目前尚未发现有液态物质进行纺丝的实例。
发明内容
本发明提供了一种利用液态高分子材料结合高压静电纺丝技术纺丝的方法，该方法利用液态环氧树脂(环氧值大于12)、液态酚醛树脂、液态硅树脂、液态硅橡胶这四种液态高分子材料结合静电纺丝技术制备成纳米纤维膜，该方法克服了现有工艺中液态高分子材料不能够进行电纺的技术难题，采用的技术方案如下：
本发明的目的在于提供一种液态高分子材料的高压静电纺丝方法，该方法包括如下步骤：
步骤一：将液态高分子材料、高分子表面活性剂和固化剂溶解到有机溶剂中，配置成纺丝前驱液，其中液态高分子材料为液态酚醛树脂或环氧值大于12的液态环氧树脂；或者将液态高分子材料和高分子表面活性剂溶解到有机溶剂中，配置成纺丝前驱液，其中液态高分子材料为液态硅树脂或液态硅橡胶；
步骤二：将步骤一所配制的纺丝前驱液置于纺丝装置中进行高压静电纺丝，并在高压静电纺丝过程中使经纺丝装置的纺丝针头喷出后的纺丝前驱液在能量输入装置的加热作用下进行有机溶剂的蒸发以及液态高分子材料的固化，获得纤维丝或纤维膜。
优选地，步骤一所述高分子表面活性剂为聚乳酸，聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮中的任意一种或多种的混合物。
优选地，所述固化剂为低聚硅烷或多元胺。
优选地，步骤一所述有机溶剂为N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、甲苯或丙酮。
优选地，步骤二所述高压静电纺丝是在电压为5kV-60kV下进行的。
优选地，步骤二所述固化加热装置是能量输入装置，可以为加热管、激光、红外、超声和微波中的任意一种装置或多种装置。
优选地，步骤二所述能量输入装置的加热作用是将纺丝装置内纺丝针头周围空气温度加热至90℃-150℃。
优选地，步骤一所述纺丝前驱液中还添加有催化剂。更优选地，所述催化剂为胺类化合物，如乙二胺。
优选地，在步骤二之后还包括去除纤维膜中高分子表面活性剂的步骤。更优选地是将纤维膜浸泡在能够使纤维膜与高分子表面活性剂发生相分离的溶液中。更优选地，将纤维膜浸泡在能够溶解高分子表面活性剂的溶液中，如浸泡在甲苯中。
本发明中对于环氧值大于12的液态环氧树脂以及液态酚醛树脂，在纺丝过程中还需要加入固化剂来辅助固化使得固化效果更好。对于硅树脂和硅橡胶不添加固化剂就可以具有较好的固化效果，也可以选择添加固化剂，获得更好的固化效果。
本发明中四种液态高分子材料：液态环氧树脂、液态酚醛树脂、液态硅树脂、液态硅橡胶都可以通过商业途径购买获得。
本发明中纤维膜，还可以称作纤维丝膜，纺丝膜，聚合物纺丝膜，纤维纺丝布，均是指由纤维丝搭接成膜。
按照本发明方法只要采用了液态高分子材料、高分子表面活性剂和固化剂就可以成功制备出纤维膜，而液态高分子材料、高分子表面活性剂、固化剂之间的用量比并不影响纺丝膜的形成。
本发明有益效果：
本发明通过在现有纺丝装置的基础上在纺丝针头处设置能量输入装置作为固化装置，进而使得在高压静电纺丝过程中使经过纺丝装置的纺丝针头喷出后的纺丝前驱液在能量输入装(固化装置)置的作用下将纺丝前驱液中的溶剂蒸发并使液态高分子材料固化，最终实现了将液态高分子材料纺织成纳米纤维素膜，成功地将现有技术中无法实现纺丝的液态高分子材料成功制备成了纤维丝或纤维膜，实现了技术上的突破，克服了液态高分子材料不能够纺丝的技术难题以及现有技术中关于液态高分子材料无法实现纺丝的技术偏见。此外，添加高分子表面活性剂可以降低表面张力，提高液态高分子材料的可纺性；同时辅以固化剂可以使得在固化加热装置的加热作用下增强液态高分子材料的成纤能力，使其更快的固化并获得更好的固化效果；加入催化剂可以提高固化效率，缩短固化时间。本发明方法拓展了聚合物的成型工艺、使用范围，将聚合物更加高效的利用，发明了新技术。
本发明制备的纤维膜具有多孔结构，比质量小，可以存储更多的液体，内部可以吸纳更多的物质，可大批量制备。其中：采用液态硅橡胶制备的纤维膜具有柔性，可以应用到柔性电子器件、传感器等领域上。
附图说明
图1为按照本发明方法利用液态环氧树脂(环氧值大于12)制备的纤维膜的电镜图；
图2为利用液态酚醛树脂制备的纤维膜的电镜图；
图3为利用液态硅树脂制备的纤维膜的电镜图；
图4为利用液态硅橡胶制备的纤维膜电镜图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。
以下原材料和设备都可以通过商业途径购买获得。
实施例1
本实施例提供了一种液态高分子材料的高压静电纺丝方法，按照如下步骤进行：
步骤一：将2g环氧值大于12的液态环氧树脂、2g聚乳酸(高分子表面活性剂)和2g低聚硅烷(固化剂)和14mLN，N-二甲基甲酰胺(有机溶剂)加入到带有磁力搅拌的搅拌器皿中，在磁力搅拌器上充分搅拌溶解完全后，得纺丝前驱液；
步骤二：将步骤一所配制的纺丝前驱液置于纺丝装置中进行高压静电纺丝，并在高压静电纺丝过程中使经纺丝装置的纺丝针头喷出后的纺丝前驱液在能量输入装置(或称为固化加热装置)的加热作用下进行有机溶剂的蒸发以及液态高分子材料的固化，获得纤维膜；具体操作为：将纺丝前驱液抽入20ml的针筒中，将针筒夹在推进泵上，调整针头到滚筒收集器的距离为5-18cm，调整推进泵的推进速度为0.3-30ml/h，开启滚筒，将电压调节为5kV-60kV，同时启动纺丝装置和能量输入装置(加热管)，使能量输入装置(或称为固化加热装置)将纺丝装置内纺丝针头周围的空气温度加热至90℃-150℃，在高压静电纺丝过程中利用能量输入装置对纺丝针头喷出后的纺丝前驱液进行有机溶剂蒸发以及液态高分子材料的固化，纺丝数小时后即得纳米纤维丝膜。
还可以将制备的纤维膜浸泡在甲苯中，以将纤维膜中的高分子表面活性剂溶解到甲苯中，取出纤维膜，即可以实现将高分子表面活性剂的去除。
本实施例成功地将液态环氧树脂制备成了纤维膜，本发明制备的纤维膜具有多孔结构，比质量小，可以存储更多的液体，内部可以吸纳更多的物质，具有柔性，可大批量制备。
实施例2
本实施例是在实施例1的基础上用液态酚醛树脂代替环氧值大于12的液态环氧树脂。
本实施例用液态酚醛树脂代替环氧值大于12的液态环氧树脂按照本发明方法同样可以制备出纤维膜，所制备的纤维模同样具有多孔结构，比质量小，可以存储更多的液体，内部可以吸纳更多的物质，可大批量制备。
实施例3
本实施例是在实施例1和实施例2的基础上用多元胺代替低聚硅烷。
本实施例用多元胺代替低聚硅烷，同样可以获得较好的增强液态高分子材料的成纤能力、使其更快的固化并获得更好的固化的效果。
实施例4
本实施例提供了一种液态高分子材料的高压静电纺丝方法，按照如下步骤进行：
步骤一：将2g液态硅树脂、2g聚乳酸(高分子表面活性剂)和16mLN，N-二甲基甲酰胺(有机溶剂)加入到带有磁力搅拌的搅拌器皿中，在磁力搅拌器上充分搅拌溶解完全后，得纺丝前驱液；
步骤二：将步骤一所配制的纺丝前驱液置于纺丝装置中进行高压静电纺丝，并在高压静电纺丝过程中使经纺丝装置的纺丝针头喷出后的纺丝前驱液在能量输入装置(或称为固化装置)的加热作用下进行有机溶剂的蒸发以及液态高分子材料的固化，获得纤维膜；具体操作为：将纺丝前驱液抽入20ml的针筒中，将针筒夹在推进泵上，调整针头到滚筒收集器的距离为5-18cm，调整推进泵的推进速度为0.3-30ml/h，开启滚筒，将电压调节为5kV-60kV，同时启动纺丝装置和能量输入装置(加热管)，使能量输入装置将纺丝装置内纺丝针头周围的空气温度加热至90℃-150℃，在高压静电纺丝过程中利用能量输入装置对纺丝针头喷出后的纺丝前驱液进行有机溶剂蒸发以及液态高分子材料的固化，纺丝数小时后即得纳米纤维丝膜。
还可以将步骤二制备的纤维膜浸泡在甲苯中，以将纤维膜中的高分子表面活性剂溶解到甲苯中，取出纤维膜，即可以实现将高分子表面活性剂的去除。
本实施例同样成功地将液态硅树脂制备成了纤维膜。本发明制备的纤维膜具有多孔结构，比质量小，可以存储更多的液体，内部可以吸纳更多的物质，并且还可以做耐热膜，可大批量制备。
实施例5
本实施例在实施例4的基础上，采用液态硅橡胶代替液态硅树脂。
本实施例用液态硅橡胶代替液态硅树脂，同样成功地将液态硅橡胶制备成了纤维膜。本发明制备的纤维膜具有多孔结构，比质量小，可以存储更多的液体，内部可以吸纳更多的物质，具有柔性，可大批量制备。
实施例6
本实施例是在实施例4和实施例5的基础上，在纺丝前驱液中分别加入了固化剂低聚硅烷和多元胺。对于实施例4和实施例5所采用的硅树脂和硅橡胶，不添加固化剂就可以具有较好的固化效果，而本实施例加入固化剂(低聚硅烷或多元胺)，可以获得更好固化效果以及更快的固化时间。
实施例7
本实施例是在实施例1至实施例6中任意一个实施例的基础上分别用N-二甲基乙酰胺、甲苯和丙酮代替N，N-二甲基甲酰胺。本实施例分别用N-二甲基乙酰胺、甲苯和丙酮代替N，N-二甲基甲酰胺可以获得与任意一个实施例所采用的N，N-二甲基甲酰胺方案相同的技术效果。
实施例8
本实施例是在实施例1-7任意一个实施例的基础上，分别用聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮代替聚乳酸。本实施例用聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮代替聚乳酸后可以获得与聚乳酸相同的技术效果。
实施例9
本实施例是在实施例1-8任意一个实施例的基础上，将加热管分别替换为激光、红外、超声和微波，并通过控制条件最终将纺丝装置内纺丝针头周围的空气温度加热至90℃-150℃。本实施例用激光、红外、超声和微波代替加热管后获得了与加热管相同的技术效果。
以上实施例1-9都可以成功制备出纤维膜，即按照上述实施例方法能够分别将液态高分子材料(液态环氧树脂(环氧值大于12的)、液态酚醛树脂、液态硅树脂、液态硅橡胶)制备成纤维膜，并且所制备的纤维膜均具有多孔结构，比质量小，可以存储更多的液体，内部可以吸纳更多的物质，具有柔性，可大批量制备。按照本发明方法利用液态环氧树脂(环氧值大于12)制备的纤维膜的电镜图如图1所示，利用液态酚醛树脂制备的纤维膜的电镜图如图2所示，利用液态硅树脂制备的纤维膜的电镜图如图3所示，利用液态硅橡胶制备的纤维膜电镜图如图4所示。
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (6)

1.一种液态高分子材料的高压静电纺丝方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：将液态高分子材料、高分子表面活性剂和固化剂溶解到有机溶剂中，配置成纺丝前驱液，其中液态高分子材料为液态酚醛树脂或环氧值大于12的液态环氧树脂；或者将液态高分子材料和高分子表面活性剂溶解到有机溶剂中，配置成纺丝前驱液，其中液态高分子材料为液态硅树脂或液态硅橡胶；
步骤二：将步骤一所配制的纺丝前驱液置于纺丝装置中进行高压静电纺丝，并在高压静电纺丝过程中使经纺丝装置的纺丝针头喷出后的纺丝前驱液在固化加热装置的加热作用下进行有机溶剂的蒸发以及液态高分子材料的固化，获得纤维膜；
所述固化加热装置为加热管、激光、红外、超声和微波中的任意一种装置或多种装置,所述固化加热装置的加热作用是将纺丝装置内纺丝针头周围空气温度加热至90℃-150℃；
在步骤二之后还包括去除纤维膜中高分子表面活性剂的步骤,所述去除纤维膜中高分子表面活性剂的步骤是将纤维膜浸泡在能够使纤维膜与高分子表面活性剂发生相分离的溶液中。
2.根据权利要求1所述的液态高分子材料的高压静电纺丝方法，其特征在于，步骤一所述高分子表面活性剂为聚乳酸，聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮中的任意一种或多种的混合物。
3.根据权利要求1所述的液态高分子材料的高压静电纺丝方法，其特征在于，所述固化剂为低聚硅烷或多元胺。
4.根据权利要求1所述的液态高分子材料的高压静电纺丝方法，其特征在于，步骤一所述有机溶剂为N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、甲苯或丙酮。
5.根据权利要求1所述的液态高分子材料的高压静电纺丝方法，其特征在于，步骤二所述高压静电纺丝是在电压为5 kV-60kV下进行的。
6.根据权利要求1-5任一所述的液态高分子材料的高压静电纺丝方法，其特征在于，步骤一所述纺丝前驱液中还添加有催化剂。
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