CN112877794A - 一种静电纺丝制备pvdf多孔纤维的方法 - Google Patents

一种静电纺丝制备pvdf多孔纤维的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属具有纳米结构的高倍率吸油材料制备领域，尤其涉及一种静电纺丝制备PVDF多孔纤维的方法，包括以下步骤：步骤一：配置PVDF和PEO静电纺丝溶液，取一定量的PVDF和PEO粉体溶于DMF和微量H2O的混合溶液于在80oC下持续搅拌12h形成均匀透明的静电纺丝溶液。步骤二：对上述静电纺丝溶液进行静电纺丝制备PVDF/PEO纳米多孔纤维。步骤三：将PVDF/PEO纤维收集后置于60oC水浴中1h以除去纤维中的PEO，并至于真空干燥箱中干燥12h备用既可以得到高度多孔的PVDF多孔纤维。本发明可以简单、方便、有效而经济地获得微米/纳米二级结构超疏水纤维。

Description

一种静电纺丝制备PVDF多孔纤维的方法
技术领域
本发明属具有纳米结构的高倍率吸油材料制备领域，尤其涉及一种静电纺丝制备PVDF多孔纤维的方法。
背景技术
近年来由于海上溢油频发和工业含油废水的排放使得石油污染问题日益严重，因而对于油水分离的研究受到广泛关注。传统的各种油水分离技术如多孔材料对油水的物理吸附、直接燃烧法、生物降解法、物理扩散法等已被广泛关注研究。采用吸油材料处理海洋石油污染在我国得到广泛应用，主要因为这种方法可以避免二次污染并能有效回收溢油。常用的吸油材料包括：(1)无机材料例如沸石、粘土和膨胀蛭石等； (2)有机合成聚合物材料例如聚丙烯无纺布、橡胶合成材料和海绵等；(3)天然材料比如玉米秸秆、木棉纤维,棉花纤维等。传统的吸油材料具有疏水性差、重复使用差和油水选择性差的特点，因而设计出超疏水性高倍率吸油材料具有重要意义，例如高吸油性树脂、聚丙烯纤维和聚氨酯泡沫。
利用静电纺丝技术制备可以简单、方便、有效而经济地获得微米/纳米二级结构超疏水纤维。现在研究人员通过这一技术能够制备出上百种聚合物微米/纳米纤维，基于纤维本身的超细直径、高比表面积、多孔结构和超疏水的特征使其显示出在吸油领域具有广阔的应用前景。本文通过在PVDF静电纺丝前驱体溶液中加入适量PEO，使PVDF在静电纺丝的过程中实现和PEO实现相分离从而制备出了具有微纳米二级 PVDF多孔纤维。并进一步研究了PVDF纤维微观结构对其表面浸润性的影响并将其应用于对润滑油，柴油，植物油和汽油吸油实验中。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足之处而提供一种操作简单，目的产物疏水性好，重复使用性理想，吸油能力强的静电纺丝制备PVDF多孔纤维的方法。
为解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
一种静电纺丝制备PVDF多孔纤维的方法，包括以下步骤：
步骤1：将PVDF(聚偏氟乙烯)和PEO(聚氧化乙烯)粉体在磁力搅拌下加入到DMF(N,N-二甲基甲酰胺)和少量H2O的混合溶剂中,持续搅拌形成静电纺丝溶液；
步骤2：将步骤1所得静电纺丝溶液置于注射器中；
步骤3：将步骤2所述注射器固定到静电纺丝装置上，金属针头与高压正极相连接，铝箔作为接收端连接负极，并在两极间施以高压直流电；固定注射器针头与铝箔接收器之间的距离；
步骤4：在静电纺丝过程中，在铝箔上形成一层PVDF/PEO纤维毡；将所述PVDF/PEO纤维毡收集后置于水浴中去除PEO模板；
步骤5：将所得到产物至于真空干燥箱中干燥，即得目的产物PVDF多孔纤维。
作为一种优选方案，本发明所述步骤1中，以质量百分含量计，H2O占混合溶剂的0.01～5.0wt.％。
进一步地，本发明所述步骤1中，以质量百分含量计，PEO占PVDF与PEO总量的0～5.0wt.％。
进一步地，本发明所述步骤1中，在80℃下持续搅拌12h，形成均匀透明的静电纺丝溶液。
进一步地，本发明所述步骤1中，置于50℃水浴中磁力搅拌24h形成静电纺丝溶液。
进一步地，本发明所述步骤3中，静电纺丝的电压为18kV；喷头与接收器之间的距离为15cm；注射器推进速度为2ml/h。
进一步地，本发明所述步骤4中，将PVDF/PEO纤维毡收集后置于60℃水浴中1h以除去纤维中的 PEO。
本发明的优点在于PVDF/PEO复合纤维中的PEO可以通过水洗去除，操作简单。PVDF多孔纤维与水的接触角高达158.2°，具有超疏水性和良好的重复使用性能，其吸油能力远高于普通PVDF膜。
本发明通过在前驱体溶液中增加水的比例来增加前驱体溶液的粘度，操作简单方便，成本低廉。本发明可以通过提高材料表面的粗糙程度制备微米纳米二元结构来实现材料表面的超疏水性。
附图说明
图1本发明静电纺丝制备多孔PVDF纤维原理图；
图2本发明静电纺丝纤维样品(A-F)的SEM照片；
图3本发明样品A-F去除PEO后的SEM图和水接触角图片。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述。本发明所涉及的材料包含并不局限于以下实施例中的表述。
实施例1：
分别称取2g PVDF粉末，在磁力搅拌下缓慢加入到18g DMF和0.18gH2O的混合溶液中，然后置于 50℃水浴中磁力搅拌24h形成静电纺丝溶液。静电纺丝之前将此溶液冷却到室温状态。将上述静电纺丝溶液置于的20ml塑料注射器中，注射器上配有0.5mm直径不锈钢针头。静电纺丝的电压为18kV,喷头与接收器之间的距离为15cm，注射器的推进速度为2ml/h。在静电纺丝过程中由于挥发性溶剂DMF的挥发而发生固化，在铝箔上形成一层PVDF纤维毡。将PVDF/PEO纤维毡收集后置于60℃水浴中1h，以除去纤维中的PEO，最后置于真空烘箱中干燥。
对多孔PVDF纤维做最大吸油倍率的测试。取0.1g(m0)的样品放入充足的润滑油中(此时样品已到达最大吸收量)，用镊子将样品从油中取出，自由滴淌3分钟，称重得mt。样品最大吸油倍率可以使用下式进行计算：
Figure RE-GDA0003032169160000021
式中m0为PVDF纤维毡的原始质量，mt为其吸油一段时间后的质量。纳米纤维在2分钟时吸油率达到最佳值19.44g/g后基本达到吸油平衡。
实施例2：
分别称取2g PVDF和0.1gPEO粉末，在磁力搅拌下缓慢加入到18g DMF和0.36gH2O的混合溶液中，然后置于50℃水浴中磁力搅拌24h形成静电纺丝溶液。静电纺丝之前将此溶液冷却到室温状态。将上述静电纺丝溶液置于的20ml塑料注射器中，注射器上配有0.5mm直径不锈钢针头。静电纺丝的电压为18kV, 喷头与接收器之间的距离为15cm，注射器的推进速度为2ml/h。在静电纺丝过程中由于挥发性溶剂DMF 的挥发而发生固化，在铝箔上形成一层PVDF/PEO纤维毡。将PVDF/PEO纤维样品放在60℃的水浴中约 1小时，有选择性的除去纤维中的PEO，而后将纤维毡用乙醇和水再冲洗三次，最后置于真空烘箱中干燥。
对多孔PVDF纤维做最大吸油倍率的测试。取0.1g(m0)的样品放入充足的润滑油中(此时样品已到达最大吸收量)，用镊子将样品从油中取出，自由滴淌3分钟，称重得mt。样品最大吸油倍率可以使用下式进行计算：
Figure RE-GDA0003032169160000022
式中m0为PVDF纤维毡的原始质量，mt为其吸油一段时间后的质量。纳米纤维在2分钟时吸油率达到最佳值21.50g/g后基本达到吸油平衡。
实施例3：
分别称取2g PVDF和0.04gPEO粉末，在磁力搅拌下缓慢加入到18g DMF和0.18gH2O的混合溶液中，然后置于50℃水浴中磁力搅拌24h形成静电纺丝溶液。静电纺丝之前将此溶液冷却到室温状态。将上述静电纺丝溶液置于的20ml塑料注射器中，注射器上配有0.5mm直径不锈钢针头。静电纺丝的电压为18kV, 喷头与接收器之间的距离为15cm，注射器的推进速度为2ml/h。在静电纺丝过程中由于挥发性溶剂DMF 的挥发而发生固化，在铝箔上形成一层PVDF/PEO纤维毡。将PVDF/PEO纤维样品放在60℃的水浴中约 1小时，有选择性的除去纤维中的PEO，而后将纤维毡用乙醇和水再冲洗三次，最后置于真空烘箱中干燥。
对多孔PVDF纤维做最大吸油倍率的测试。取0.1g(m0)的样品放入充足的润滑油中(此时样品已到达最大吸收量)，用镊子将样品从油中取出，自由滴淌3分钟，称重得mt。样品最大吸油倍率可以使用下式进行计算：
Figure RE-GDA0003032169160000031
式中m0为PVDF纤维毡的原始质量，mt为其吸油一段时间后的质量。纳米纤维在2分钟时吸油率达到最佳值24.20g/g后基本达到吸油平衡。
实施例4：
分别称取2g PVDF和0.06gPEO粉末，在磁力搅拌下缓慢加入到18g DMF和0.54gH2O的混合溶液中，然后置于50℃水浴中磁力搅拌24h形成静电纺丝溶液。静电纺丝之前将此溶液冷却到室温状态。将上述静电纺丝溶液置于的20ml塑料注射器中，注射器上配有0.5mm直径不锈钢针头。静电纺丝的电压为18kV, 喷头与接收器之间的距离为15cm，注射器的推进速度为2ml/h。在静电纺丝过程中由于挥发性溶剂DMF 的挥发而发生固化，在铝箔上形成一层PVDF/PEO纤维毡。将PVDF/PEO纤维样品放在60℃的水浴中约 1小时，有选择性的除去纤维中的PEO，而后将纤维毡用乙醇和水再冲洗三次，最后置于真空烘箱中干燥。
对多孔PVDF纤维做最大吸油倍率的测试。取0.1g(m0)的样品放入充足的润滑油中(此时样品已到达最大吸收量)，用镊子将样品从油中取出，自由滴淌3分钟，称重得mt。样品最大吸油倍率可以使用下式进行计算：
Figure RE-GDA0003032169160000032
式中m0为PVDF纤维毡的原始质量，mt为其吸油一段时间后的质量。纳米纤维在2分钟时吸油率达到最佳值16.58g/g后基本达到吸油平衡。
实施例5：
分别称取2g PVDF和0.08gPEO粉末，在磁力搅拌下缓慢加入到18g DMF和0.9gH2O的混合溶液中，然后置于50℃水浴中磁力搅拌24h形成静电纺丝溶液。静电纺丝之前将此溶液冷却到室温状态。将上述静电纺丝溶液置于的20ml塑料注射器中，注射器上配有0.5mm直径不锈钢针头。静电纺丝的电压为18kV, 喷头与接收器之间的距离为15cm，注射器的推进速度为2ml/h。在静电纺丝过程中由于挥发性溶剂DMF 的挥发而发生固化，在铝箔上形成一层PVDF/PEO纤维毡。将PVDF/PEO纤维样品放在60℃的水浴中约 1小时，有选择性的除去纤维中的PEO，而后将纤维毡用乙醇和水再冲洗三次，最后置于真空烘箱中干燥。
对多孔PVDF纤维做最大吸油倍率的测试。取0.1g(m0)的样品放入充足的润滑油中(此时样品已到达最大吸收量)，用镊子将样品从油中取出，自由滴淌3分钟，称重得mt。样品最大吸油倍率可以使用下式进行计算：
Figure RE-GDA0003032169160000041
式中m0为PVDF纤维毡的原始质量，mt为其吸油一段时间后的质量。纳米纤维在2分钟时吸油率达到最佳值15.82g/g后基本达到吸油平衡。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种静电纺丝制备PVDF多孔纤维的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将PVDF（聚偏氟乙烯）和PEO（聚氧乙烯）粉体在磁力搅拌下加入到DMF和少量H2O的混合溶剂中, 持续搅拌形成静电纺丝溶液；
步骤2：将步骤1所得静电纺丝溶液置于注射器中；
步骤3：将步骤2所述注射器固定到静电纺丝装置上，金属针头与高压正极相连接，铝箔作为接收端连接负极，并在两极间施以高压直流电；固定注射器针头与铝箔接收器之间的距离；
步骤4：在静电纺丝过程中，在铝箔上形成一层PVDF/PEO复合纤维毡；然后将所述PVDF/PEO复合纤维毡收集后置于水浴中溶解掉PEO模板。
步骤5：将所得到产物至于真空干燥箱中干燥，即得目的产物PVDF多孔纤维。
2.根据权利要求1所述静电纺丝制备PVDF多孔纤维的方法，其特征在于：所述步骤1中，以质量百分含量计，H2O占混合溶剂的0.01～5.0wt.%。
3.根据权利要求2所述静电纺丝制备PVDF多孔纤维的方法，其特征在于：所述步骤1中，以质量百分含量计，PEO占PVDF与PEO总量的0～5.0wt.%。
4.根据权利要求3所述静电纺丝制备PVDF多孔纤维的方法，其特征在于：所述步骤1中，在80℃下持续搅拌12h，形成均匀透明的静电纺丝溶液。
5.根据权利要求4所述静电纺丝制备PVDF多孔纤维的方法，其特征在于：所述步骤1中，置于50℃水浴中磁力搅拌24h形成静电纺丝溶液。
6.根据权利要求5所述静电纺丝制备PVDF多孔纤维的方法，其特征在于：所述步骤3中，静电纺丝的电压为18kV；喷头与接收器之间的距离为15cm；注射器推进速度为2ml/h。
7.根据权利要求6所述静电纺丝制备PVDF多孔纤维的方法，其特征在于：所述步骤4中，将PVDF/PEO纤维毡收集后置于60oC水浴中1h以除去纤维中的PEO。
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