CN113174701B - 一种基于聚丙烯腈的电纺增强膜材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于聚丙烯腈的电纺增强膜材料的制备方法，该方法以聚丙烯腈为主要纺丝原料，按比例加入聚偏氟乙烯、聚乙烯醇、环氧树脂等，通过静电纺丝制备纳米膜，纳米膜成网后辅以热压，制成强力膜材。本发明中在PAN大分子链间嵌入具有韧性的PVDF线性分子链段，可弥补PAN电纺后的分子链间非极性键作用力的不足；引入含极性基团大分子链段聚乙烯醇，提高分子链间的极性键作用力；引入环氧树脂，静电纺成膜后，环氧树脂在大分子链间形成交联，改善纤维膜网强力。本方法快速、高效、简易，并能有效改善传统纳米纤维膜的韧性低的缺陷，运用该方法可以研制出高效低阻、性能优异的纳米纤维膜材料。
Description
技术领域
本发明属于静电纺纳米纤维膜制备领域，特别是涉及一种基于聚丙烯腈的电纺增强膜材料的制备方法。
背景技术
随着纳米技术的发展，静电纺丝法是目前最常用的制备纳米纤维的技术，它作为一种简便有效的可生产纳米纤维的新型加工技术，在生物医用、过滤、防护材料等领域发挥巨大的作用。许多聚合物可经静电纺丝技术连续生产制备亚微米级和纳米级聚合物纤维而得到广泛的研究。
聚丙烯腈(PAN)是一类由单体丙烯腈经自由基聚合反应而得到的高分子化合物，主要用于聚丙烯腈纤维的制备，具有良好的耐日光性与耐气候性，防霉和防菌性能良好。由聚丙烯腈纤维制成的纳米膜材料被广泛用于口罩过滤芯材，聚丙烯腈聚合物制备纳米纤维具有静电纺丝成丝易，膜层纤维直径小，比表面积大等优点，用于空气过滤具有优异的过滤效率。然而，通过静电纺丝制备的PAN纳米膜存在韧性弱、强力差等问题，在长时间保存过程中会出现易膜裂现象，限制了其使用。目前纳米纤维膜的力学性能差是阻碍它广泛应用的最大因素，仅单用PAN制备的纳米纤维膜韧性较低，易氧化变脆，力学性能显著下降，致使产品性能变差、应用范围变窄。因此纳米纤维过滤膜产品并未实现产业化。
目前的改善PAN膜强力的方法有：共混粒子法，通过纺丝液中加入二氧化钛或二氧化硅无机粒子，改善静电纺丝后纳米纤维膜强力；后处理，在后续的加热、牵伸等后处理方式去改善强力；使用多种材料进行混纺，通过其他材料的性能从而得到强力较好的纳米纤维膜，如PAN静电纺丝中加入PVDF、PU等；采用热轧或平板热粘合后处理方式，改善纤维膜强力等。各类方法在一定程度上可提升纳米膜强力，但效果并不理想，实际应用性欠佳。
发明内容
本发明的目的在于解决当前聚丙烯腈纳米纤维膜久置后韧性降低的缺点，提供一种基于聚丙烯腈的电纺增强膜材料的制备方法，为纳米纤维膜增强材料开发提供一种新的方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于聚丙烯腈的电纺增强膜材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备纺丝液：配制质量浓度为8～15％聚丙烯腈溶液，然后往聚丙烯腈溶液中添加聚偏氟乙烯、聚乙烯醇、环氧树脂，得到纺丝液；
(2)静电纺丝：对上述配制好的纺丝液进行静电纺丝，以PP纺粘无纺布作为接收基材，在上喷式静电纺丝机上进行纺丝，得到纳米膜；
(3)热轧加固：对静电纺丝网进行热轧加固，将纺丝得到的纳米膜通过热轧机，轧机温度控制为80～120℃，热轧线压力0.1～0.5MPa，线速度0.1～0.3m/min。
所述聚丙烯腈溶液采用DMF、丙酮或乙酸乙酯为溶剂进行配制。
所述纺丝液中，聚偏氟乙烯的质量浓度为1.0～8.0％，分子量为80-120W；聚乙烯醇的质量浓度为0.1～8.0％，聚合度为1000-4000；环氧树脂的浓度为0.1～5.0％。
步骤(2)的纺丝条件为纺丝电压20～50kV，接收距离10-15cm，纺丝温度20～25℃，湿度40～60％。
本发明以PAN为主，并与PVDF、聚乙烯醇、环氧树脂混纺制备出具有高效低阻，模量增强的纳米纤维膜材料。该方法以分子量为8万～15万的聚丙烯腈为主要纺丝原料，按比例加入聚偏氟乙烯、聚乙烯醇、环氧树脂等，通过静电纺丝制备纳米增强纤维膜材料，通过调整溶剂、聚合物比例及纺丝工艺参数，成功的实现了混纺，纤维膜成网后辅以热压，制成强力膜材。本方法快速、高效、简易，并能有效改善传统纳米纤维膜的韧性低的缺陷，运用该方法可以研制出高效低阻、性能优异的纳米纤维膜材料。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明中在PAN大分子链间嵌入具有韧性的PVDF线性分子链段，可弥补PAN电纺后的分子链间非极性键作用力的不足；引入含极性基团大分子链段聚乙烯醇，提高分子链间的极性键作用力；引入环氧树脂，静电纺成膜后，环氧树脂在大分子链间形成交联，改善纤维膜网强力。
(2)本发明的PAN电纺增强膜材料的制备方法操作易行，可适用于规模化生产，产品适用于空气/水体过滤、吸音降噪材料领域，有较好的应用前景。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案更加清晰明了，下面通过实例对本发明技术方案进行以下详细说明，但不限于这些实施例。
实施例1
一种基于聚丙烯腈的电纺增强膜材料的制备方法如下：
(1)溶液制备：称取一定质量溶剂DMF于锥形瓶中，加入磁力搅拌子，置于磁力搅拌机中搅拌，称取一定质量的15W分子量的PAN粉末，缓慢加入搅拌的锥形瓶中常温下密封连续搅拌至溶解液澄清透明，添加PVDF、聚乙烯醇、环氧树脂，得到纺丝液；
所述纺丝液中，PAN的质量分数为10％，分子量为80W的PVDF的质量浓度为1.0％，聚合度为2000的聚乙烯醇的质量浓度为2.0％，环氧树脂的浓度为2.0％；
(2)静电纺丝：将上述纺丝液进行静电纺丝，以纺粘PP非织造布作为基布，调整接收距离为15cm，静电纺丝电压20kV，温度25℃，湿度60％，纺丝时间15min；
(3)热轧加固：对静电纺丝网进行热轧加固，将纺丝得到的纳米膜通过热轧机，轧机温度控制在100℃，热轧线压力0.1MPa，线速度0.1m/min。
实施例2
一种基于聚丙烯腈的电纺增强膜材料的制备方法如下：
(1)溶液制备：称取一定质量溶剂DMF于锥形瓶中，加入磁力搅拌子，置于磁力搅拌机中搅拌，称取一定质量的15W分子量的PAN粉末，缓慢加入搅拌的锥形瓶中常温下密封连续搅拌至溶解液澄清透明，添加PVDF、聚乙烯醇、环氧树脂，得到纺丝液；
所述纺丝液中，PAN的质量分数为10％，分子量为80W的PVDF的质量浓度为2.0％，聚合度为2000的聚乙烯醇的质量浓度为2.0％，环氧树脂的浓度为2.0％；
(2)静电纺丝：将上述纺丝液进行静电纺丝，以纺粘PP非织造布作为基布，调整接收距离为15cm，静电纺丝电压20kV，温度25℃，湿度60％，纺丝时间15min；
(3)热轧加固：对静电纺丝网进行热轧加固，将纺丝得到的纳米膜通过热轧机，轧机温度控制在100℃，热轧线压力0.1MPa，线速度0.1m/min。
将实施例1和实施例2得到的样品进行强力测试，测试结果如表1所示：
由表1可知，本发明中在PAN大分子链间嵌入具有韧性的PVDF线性分子链段后，产品的断裂强力明显提高。另外，纤维膜成网后辅以热压，可以进一步增强产品的断裂强力。
实施例3
一种基于聚丙烯腈的电纺增强膜材料的制备方法如下：
(1)制备纺丝液：称取一定质量溶剂DMF于锥形瓶中，加入磁力搅拌子，置于磁力搅拌机中搅拌，称取一定质量的15W分子量的PAN粉末，缓慢加入搅拌的锥形瓶中常温下密封连续搅拌至溶解液澄清透明，添加PVDF、聚乙烯醇、环氧树脂，得到纺丝液；
所述纺丝液中，PAN的质量浓度为8％，分子量为120W的PVDF的质量浓度为3.0％，聚合度为1000的聚乙烯醇的质量浓度为2.0％，环氧树脂的浓度为2.0％；
(2)静电纺丝：对上述配制好的纺丝液进行静电纺丝，以PP纺粘无纺布作为接收基材，在上喷式静电纺丝机上进行纺丝，得到纳米膜；
其中，纺丝电压20kV，接收距离10cm，纺丝温度20℃，湿度40％，纺丝时间15min；
(3)热轧加固：对静电纺丝网进行热轧加固，将纺丝得到的纳米膜通过热轧机，轧机温度控制为80℃，热轧线压力0.1MPa，线速度0.1m/min。
实施例4
一种基于聚丙烯腈的电纺增强膜材料的制备方法如下：
(1)制备纺丝液：称取一定质量溶剂DMF于锥形瓶中，加入磁力搅拌子，置于磁力搅拌机中搅拌，称取一定质量的15W分子量的PAN粉末，缓慢加入搅拌的锥形瓶中常温下密封连续搅拌至溶解液澄清透明，添加PVDF、聚乙烯醇、环氧树脂，得到纺丝液；
所述纺丝液中，PAN的质量浓度为15％，分子量为100W的PVDF的质量浓度为4.0％，聚合度为3000的聚乙烯醇的质量浓度为8.0％，环氧树脂的浓度为5.0％；
(2)静电纺丝：对上述配制好的纺丝液进行静电纺丝，以PP纺粘无纺布作为接收基材，在上喷式静电纺丝机上进行纺丝，得到纳米膜；
其中，纺丝电压50kV，接收距离5cm，纺丝温度25℃，湿度60％，纺丝时间15min；
(3)热轧加固：对静电纺丝网进行热轧加固，将纺丝得到的纳米膜通过热轧机，轧机温度控制为120℃，热轧线压力0.5MPa，线速度0.3m/min。
实施例5
一种基于聚丙烯腈的电纺增强膜材料的制备方法如下：
(1)制备纺丝液：称取一定质量溶剂DMF于锥形瓶中，加入磁力搅拌子，置于磁力搅拌机中搅拌，称取一定质量的8W分子量的PAN粉末，缓慢加入搅拌的锥形瓶中常温下密封连续搅拌至溶解液澄清透明，添加PVDF、聚乙烯醇、环氧树脂，得到纺丝液；
所述纺丝液中，PAN的质量浓度为12％，分子量为100W的PVDF的质量浓度为2.5％，聚合度为4000的聚乙烯醇的质量浓度为2.5％，环氧树脂的浓度为3.5％；
(2)静电纺丝：对上述配制好的纺丝液进行静电纺丝，以PP纺粘无纺布作为接收基材，在上喷式静电纺丝机上进行纺丝，得到纳米膜；
其中，纺丝电压35kV，接收距离12cm，纺丝温度25℃，湿度50％，纺丝时间15min
(3)热轧加固：对静电纺丝网进行热轧加固，将纺丝得到的纳米膜通过热轧机，轧机温度控制为100℃，热轧线压力0.3MPa，线速度0.2m/min。
Claims (2)
1.一种基于聚丙烯腈的电纺增强膜材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）制备纺丝液：配制质量浓度为8~15%聚丙烯腈溶液，所述聚丙烯腈的分子量为8万~15万，然后往聚丙烯腈溶液中添加聚偏氟乙烯、聚乙烯醇、环氧树脂，得到纺丝液；纺丝液中，聚偏氟乙烯的质量浓度为1.0~8.0%，分子量为80-120W；聚乙烯醇的质量浓度为0.1~8.0%，聚合度为1000-4000；环氧树脂的浓度为0.1~5.0%；
（2）静电纺丝：对上述配制好的纺丝液进行静电纺丝，以PP纺粘无纺布作为接收基材，在上喷式静电纺丝机上进行纺丝，得到纳米膜；
纺丝条件为纺丝电压20~50kV，接收距离10-15cm，纺丝温度20~25℃，湿度40~60%；
（3）热轧加固：对静电纺丝网进行热轧加固，将纺丝得到的纳米膜通过热轧机，轧机温度控制为80~120℃，热轧线压力0.1~0.5MPa，线速度0.1~0.3m/min；
在聚丙烯腈大分子链间嵌入具有韧性的聚偏氟乙烯线性分子链段，弥补聚丙烯腈静电纺丝后的分子链间非极性键作用力的不足；引入含极性基团大分子链段聚乙烯醇，提高分子链间的极性键作用力；引入环氧树脂，静电纺丝成膜后，环氧树脂在大分子链间形成交联，改善纳米膜强力。
2.根据权利要求1所述的一种基于聚丙烯腈的电纺增强膜材料的制备方法，其特征在于：所述聚丙烯腈溶液采用DMF、丙酮或乙酸乙酯为溶剂进行配制。
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