CN112160039A - 一种多孔结构聚四氟乙烯纤维的制备方法 - Google Patents

一种多孔结构聚四氟乙烯纤维的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及微纳米纤维制备领域，旨在提供一种多孔结构聚四氟乙烯纤维的制备方法。包括：将聚乙烯吡咯烷酮和聚四氟乙烯乳液溶解于去离子水中，室温下搅拌成均相溶液；静置脱泡；将得到的纺丝液加入纺丝装置中，通过静电‑离心纺丝工艺制备微纳米纤维；在氮气氛围中，将微纳米纤维在360℃条件下进行煅烧处理；然后在水中浸渍处理，取出后经干燥，得到含有微孔结构的微纳米纤维。本发明利用聚乙烯吡咯烷酮的高温难分解性以及易溶于水的性质，可以得到多孔结构的聚四氟乙烯纤维。制得的产品可提升原有纤维材料的比表面积及孔隙率，能够有效地提高纤维膜的通透性、疏水性等性能，在空气过滤、油水分离、膜蒸馏等领域极具应用前景。

Description

一种多孔结构聚四氟乙烯纤维的制备方法
技术领域
本发明是关于微纳米纤维制备领域，特别涉及一种多孔结构聚四氟乙烯纤维的制备方法。
背景技术
聚四氟乙烯(PTFE)具有优异的热稳定性、耐化学性、超低的表面能以及介电性能等，在航天航空领域、医疗和生活上有重要的应用，在污水处理以及海水淡化等工业方面具有很大的应用价值。
聚四氟乙烯稳定性高，至今尚无合适的溶剂可溶解，因此不能用溶液纺丝法制备聚四氟乙烯纤维；聚四氟乙烯在熔点(327℃)以上粘度大，不流动，形成凝胶状物，因此也不能熔融纺丝。目前通常有三种方法加工聚四氟乙烯纤维：乳液纺丝、糊料挤出和切割法。乳液纺丝法是目前制备聚四氟乙烯纤维最为成熟的方法：将聚四氟乙烯乳液和载体溶液混合，制成纺丝液，然后通过干法或者湿法纺丝法制备纤维，初生纤维经过干燥后，在360～400℃的高温下烧结，除去载体，最后经过适度的热拉伸，形成聚四氟乙烯纤维。例如，中国发明专利申请CN101994161A、CN102282301A、CN105013343B等均是采用乳液纺丝的方法，利用静电纺丝技术对聚四氟乙烯超细纤维进行制备。然而，如上方法制备聚四氟乙烯纤维的过程中，利用高温煅烧去除载体，并且使聚四氟乙烯的熔融形成纤维，但是如此制备的纤维形貌单一，无法在其表面开发出特殊的结构，更无法形成多孔结构来提升其性能，对其应用也有了一定的局限性。
近年来，随着科技的不断发展和人们生活水平的提高，传统常规化纤材料已难以满足人类的需求。因此，高性能纤维、差别化功能性纤维等新型纤维材料的开发显得尤为迫切和重要。而开发一些特殊结构(例如针须状、圆柱状以及孔等结构)的纤维，有助于进一步提高纤维的比表面积，并易于负载相应功能性粒子，从而拓宽应用领域。
多孔纤维因具有较大的比表面积、较高的孔隙率以及优异的通透性能等优势，在过滤、吸附、抗菌载体等方面有着广阔的应用前景。因此，提供一种能够制备多孔纤维的新方法是非常有必要的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种多孔结构聚四氟乙烯纤维的制备方法。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种多孔结构聚四氟乙烯纤维的制备方法，包括以下步骤：
(1)按质量比1∶1～3取聚乙烯吡咯烷酮和聚四氟乙烯乳液，共同溶解于去离子水中，在室温下经充分搅拌成均相溶液；静置脱泡后，得到溶质的质量百分比浓度为23～40％的纺丝液；
(2)将纺丝液加入纺丝装置中，通过静电-离心纺丝工艺制备微纳米纤维；
(3)在氮气氛围中，将微纳米纤维在360℃条件下进行煅烧处理；然后在水中浸渍处理，取出后经干燥，得到含有微孔结构的微纳米纤维。
本发明中，所述步骤(1)中，聚四氟乙烯乳液的固含量为60wt％。
本发明中，所述步骤(2)中，采用静电-离心纺丝工艺时，控制纺丝装置的运行参数为：针头直径27G、转速2000rpm、电压10kV，收集距离为150mm。
本发明中，所述步骤(3)中，进行煅烧处理是在氮气环境下进行的，控制升温速率为2℃/min；在360℃条件下的保温时间为12min。
本发明中，所述步骤(3)中，所述浸渍时间是12h；所述干燥处理是自然晾干，或者置于60℃的烘箱中烘干。
本发明中，所述步骤(3)中，对浸渍状态下的微纳米纤维进行超声振荡处理，以除去微纳米纤维中残余的聚乙烯吡咯烷酮。
发明原理描述：
本发明以聚四氟乙烯乳液为原料，以聚乙烯吡咯烷酮为载体进行乳液纺丝，然后通过高温煅烧以及水浸渍处理，得到具有多孔结构的聚四氟乙烯纤维。在氮气氛围中，聚乙烯吡咯烷酮的分解温度为440℃，聚四氟乙烯的分解温度560℃。因此，如在360℃的环境下高温煅烧，能够使聚四氟乙烯局部熔融聚集形成连续相，同时聚乙烯吡咯烷酮不会分解。鉴于聚乙烯吡咯烷酮易溶于水，而聚四氟乙烯不溶于水的特性。再将高温煅烧后的纤维浸渍于水中，可除掉纤维中的聚乙烯吡咯烷酮以留得孔隙，得到具有多孔结构的聚四氟乙烯纤维。进一步通过控制纺丝液中聚乙烯吡咯烷酮与聚四氟乙烯的比例，使纤维中两种成分的含量不同，从而影响到纤维中孔的大小，以此来实现聚四氟乙烯纤维多孔结构的调控。
与现有发明相比，本发明的有益效果是：
1、本发明利用聚乙烯吡咯烷酮的高温难分解性以及易溶于水的性质，可以得到多孔结构的聚四氟乙烯纤维。
2、本发明通过控制纺丝液中聚乙烯吡咯烷酮与聚四氟乙烯的比例，实现聚四氟乙烯纤维多孔结构的控制，对纤维性能的提升和应用的开发具有重要作用。
3、本发明制得的多孔结构聚四氟乙烯纤维可提升原有纤维材料的比表面积及孔隙率，能够有效地提高纤维膜的通透性、疏水性等性能，在空气过滤、油水分离、膜蒸馏等领域极具应用前景。
4、本发明不局限于某一种纺丝方法，无论是离心纺丝、静电纺丝或静电-离心纺丝，都可以实现多孔结构聚四氟乙烯纤维的制备。
附图说明
图1是本发明实施例1制得的多孔结构聚四氟乙烯微纳米纤维扫描电镜图。
图2是本发明实施例2制得的多孔结构聚四氟乙烯微纳米纤维扫描电镜图。
图3是本发明实施例3制得的多孔结构聚四氟乙烯微纳米纤维扫描电镜图。
具体实施方式
本发明采用乳液纺丝技术，以聚乙烯吡咯烷酮作为载体进行纤维的制备，通过高温煅烧方法使聚四氟乙烯熔融形成连续结构，通过水浸渍方法去除聚乙烯吡咯烷酮，得到具有多孔结构的聚四氟乙烯纤维。通过调节纺丝溶液的配比，来实现聚四氟乙烯纤维多孔结构的控制。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
所用聚四氟乙烯乳液为市购商品，其固含量为60wt％。
实施例1
(1)按质量比例为1：1称取一定量的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)以及聚四氟乙烯(PTFE)乳液，将二者共同溶于去离子水中，在室温下经充分搅拌2h成均相溶液；静置脱泡后，得到溶质质量百分比浓度为23wt％的溶液，以此作为纺丝液。
(2)将纺丝液加入纺丝装置中，通过静电-离心纺丝工艺制备微纳米纤维。
静电-离心纺丝参数：选择直径为27G、针头长度为12mm的点胶针头作为喷嘴，通过配套的连接件将喷嘴连接到喷丝器上。收集方式选择传送带式收集，喷嘴到收集器的距离设定为150mm。用注射器将6mL的纺丝液注射到喷丝器中进行静电-离心纺丝试验，其中，转速设定为2000rpm，电压设定为10kV，环境湿度保持在40％以下。
(3)将制备好的纤维置于管式炉中，在氮气氛围下高温煅烧；初始温度为室温，升温速率为2℃/min，煅烧温度为360℃，保温时间为12min。
(4)将高温煅烧后的纤维浸渍于水中12h后拿出，在60℃的鼓风烘箱烘干即可得到多孔结构的微纳米纤维，其表面结构如图1所示。
实施例2
(1)按质量比例为1：2称取一定量的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)以及聚四氟乙烯(PTFE)乳液，将二者共同溶于去离子水中，在室温下经充分搅拌2h成均相溶液；静置脱泡后，得到溶质质量百分比浓度为33wt％的溶液，以此作为纺丝液。
(2)将纺丝液加入纺丝装置中，通过静电-离心纺丝工艺制备微纳米纤维。
静电-离心纺丝参数：选择直径为27G、针头长度为12mm的点胶针头作为喷嘴，选用自主设计的喷丝器，通过配套的连接件将喷嘴连接到喷丝器上。收集方式选择传送带式收集，喷嘴到收集器的距离设定为150mm。用注射器将6mL的纺丝液注射到喷丝器中进行静电-离心纺丝试验，其中，转速设定为2000rpm，电压设定为10kV，环境湿度保持在40％以下。
(3)将制备好的纤维置于管式炉中，在氮气氛围下高温煅烧；初始温度为室温，升温速率为2℃/min，煅烧温度为360℃，保温时间为12min。
(4)将高温煅烧后的纤维浸渍于水中12h后拿出，在60℃的鼓风烘箱烘干即可得到多孔结构的微纳米纤维，其表面结构如图2所示。
实施例3
(1)按质量比例为1：3称取一定量的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)以及聚四氟乙烯(PTFE)乳液，将二者共同溶于去离子水中，在室温下经充分搅拌2h成均相溶液；静置脱泡后，得到溶质质量百分比浓度为40wt％的溶液，以此作为纺丝液。
(2)将纺丝液加入纺丝装置中，通过静电-离心纺丝工艺制备微纳米纤维。
静电-离心纺丝参数：选择直径为27G、针头长度为12mm的点胶针头作为喷嘴，选用自主设计的喷丝器，通过配套的连接件将喷嘴连接到喷丝器上。收集方式选择传送带式收集，喷嘴到收集器的距离设定为150mm。用注射器将6mL的纺丝液注射到喷丝器中进行静电-离心纺丝试验，其中，转速设定为2000rpm，电压设定为10kV，环境湿度保持在40％以下。
(3)将制备好的纤维置于管式炉中，在氮气氛围下高温煅烧；初始温度为室温，升温速率为2℃/min，煅烧温度为360℃，保温时间为12min。
(4)将高温煅烧后的纤维浸渍于水中12h后拿出，在60℃的鼓风烘箱烘干即可得到多孔结构的微纳米纤维，其表面结构如图3所示。
上述实施例通过对纺丝液中聚乙烯吡咯烷酮和聚四氟乙烯的比例的控制，从而实现对多孔纤维的调控；多孔是在聚乙烯吡络烷酮浸渍去除之后形成的，因此在一定比例范围内，纤维中孔的大小随着聚乙烯吡咯烷酮含量的增加而增大。
以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多种浓度、配比、纺丝条件以及纺丝技术的选择。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接得到或是联想到的，运用其他纺丝方法通过本发明中的技术来生产多孔结构纤维，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种多孔结构聚四氟乙烯纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按质量比1∶1～3取聚乙烯吡咯烷酮和聚四氟乙烯乳液，共同溶解于去离子水中，在室温下经充分搅拌成均相溶液；静置脱泡后，得到溶质的质量百分比浓度为23～40％的纺丝液；
(2)将纺丝液加入纺丝装置中，通过静电-离心纺丝工艺制备微纳米纤维；
(3)在氮气氛围中，将微纳米纤维在360℃条件下进行煅烧处理；然后在水中浸渍处理，取出后经干燥，得到含有微孔结构的微纳米纤维。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，聚四氟乙烯乳液的固含量为60wt％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，采用静电-离心纺丝工艺时，控制纺丝装置的运行参数为：针头直径27G、转速2000rpm、电压10kV，收集距离为150mm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，进行煅烧处理是在氮气环境下进行的，控制升温速率为2℃/min；在360℃条件下的保温时间为12min。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述浸渍时间是12h；所述干燥处理是自然晾干，或者置于60℃的烘箱中烘干。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，对浸渍状态下的微纳米纤维进行超声振荡处理，以除去微纳米纤维中残余的聚乙烯吡咯烷酮。
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