CN115559021B - 一种具有高电磁屏蔽性能的多糖纳米纤维及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有高电磁屏蔽性能的多糖纳米纤维及其制备方法，其是将热膨胀蛭石加入到饱和氯化钠溶液中并进行球磨，然后加入氯化锂溶液进行水热反应，再经超声、离心洗涤，制得纳米蛭石溶液，将所得纳米蛭石溶液与纳米纤维素溶液混匀后，在其中加入瓜尔胶并进行冷凝回流，然后经超声分散、静电纺丝，制得具有高电磁屏蔽性能的多糖纳米纤维。本发明所得多糖纳米纤维具有优异的电磁屏蔽效能及力学性能。
Description
技术领域
本发明属于纺织纤维领域，具体涉及一种具有高电磁屏蔽性能的多糖纳米纤维及其制备方法。
背景技术
随着科学技术的发展，电子设备给人们的生产、生活带来了极大的便利，但电子设备在工作过程中产生的电磁辐射和干扰也不断影响着人们的生产和生活，使电磁波成为继水、大气、噪音污染之后的又一新污染源。电磁波不仅会影响正常的通讯，还会对人的中枢神经、交感神经、基因组的遗传序列等产生不可逆的伤害。通常通过穿戴衣物可减少电磁波对身体的伤害，然而普通衣物仅有微弱的电磁屏蔽效果。因此，开发具有电磁屏蔽性能的纳米纤维使其达到电磁屏蔽的效果，进而有效保护人体健康刻不容缓。
目前国内外有关电磁屏蔽材料的研究已取得较大进展，在传统电磁屏蔽材料应用日益广泛的同时也加大了新型电磁屏蔽材料的开发。其中，通过化学沉积和层层组装技术将金属颗粒、石墨烯、碳纳米管、高导电聚合物等附着在织物上，能够起到很好的电磁屏蔽效果。但是，由于制作手段的不成熟，制备的电磁屏蔽织物仍然存在电磁屏蔽材料易脱落、手感及透气性差等问题，尤其是石墨烯的颜色，也给织物的染色带来一定的困难。另外，使用真空浸渍法将环氧树脂（EP）灌注到预制的碳纳米管海绵（CNT sponge）中，固化后可得到EP/CNT sponge电磁屏蔽复合材料，然而CNT sponge的制备工艺复杂且成本高昂。
总之，按照目前制备电磁屏蔽材料的方法，不仅服用性能差，而且工艺要求较高且复杂，所制得的电磁屏蔽效能也比较差。因此，开发一种力学性能好、电磁屏蔽效能高、可生物降解的纳米纤维是亟需解决的关键问题，也是当前功能纺织纤维的发展趋势。
发明内容
本发明的目的在于针对现有纳米纤维电磁屏蔽性能及制备方法的不足，提供一种具有高电磁屏蔽性能的多糖纳米纤维及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种具有高电磁屏蔽性能的多糖纳米纤维，其制备方法包括以下步骤：
（1）将热膨胀蛭石加入到饱和氯化钠溶液中，经球磨后加入到3mol/L的氯化锂溶液中进行水热反应，然后经超声处理，离心洗涤去除Cl-及未剥离的蛭石片，所得上层清液即为纳米蛭石溶液；
（2）将所得纳米蛭石溶液与纳米纤维素溶液混匀后，在所得混合溶液中加入瓜尔胶并进行冷凝回流，再经进一步超声分散后，将所得分散液进行静电纺丝，制得具有高电磁屏蔽性能的多糖纳米纤维。
进一步地，步骤（1）中所述球磨的时间为12-24h，转速为300-600rpm。
进一步地，步骤（1）中热膨胀蛭石与饱和氯化钠溶液的用量比为3:50 g/mL，热膨胀蛭石与氯化锂溶液的用量比为1:30-1:100 g/mL。
进一步地，步骤（1）中所述水热反应的温度为100-150℃，时间为10-20h。
进一步地，步骤（1）中所述超声处理的时间为1h。
进一步地，步骤（2）中所用纳米蛭石溶液与纳米纤维素溶液的质量比为1:1.5-1:4，所述纳米纤维素溶液的固含量为0.98%。
进一步地，步骤（2）中瓜尔胶的加入量为混合溶液质量的8%-15%。
进一步地，步骤（2）中所述冷凝回流的温度为90-130℃、时间为1-8h。
本发明通过将瓜尔胶溶于纳米蛭石与纳米纤维素的混合溶液中，利用纳米纤维素作为增强体，以具有本征离子传导特性的二维纳米蛭石作为离子导体，基于纳米蛭石的荷电性及层间纳米通道中的平衡离子，赋予多糖纳米纤维本征离子传导特性；同时，二维纳米蛭石层间可构建长程有序离子通道，有利于实现离子的高效传导，因而可使所得多糖纳米纤维的电磁屏蔽效能获得显著提升。
本发明的显著优点：
（1）本发明方法工艺简单，操作容易，原料来源丰富，成本低廉且无毒，安全性高。
（2）本发明所制备的多糖纳米纤维电磁屏蔽性能好，力学强度高，可生物降解。
附图说明
图1为实施例1所得多糖纳米纤维的扫描电镜图；
图2为对比例1所得多糖纳米纤维的扫描电镜图；
图3为对比例2所得多糖纳米纤维的扫描电镜图。
具体实施方式
一种具有高电磁屏蔽性能的多糖纳米纤维，其制备方法包括以下步骤：
（1）将3g热膨胀蛭石加入到50mL饱和氯化钠溶液中，以300-600rpm的转速球磨12-24h后，将其加入到90-300mL浓度为3mol/L的氯化锂溶液中，于100-150℃水热反应10-20h，然后经超声处理1h后，离心洗涤去除Cl-及未剥离的蛭石片，所得上层清液即为纳米蛭石溶液；
（2）将所得纳米蛭石溶液与固含量为0.98%的纳米纤维素溶液按质量比1:1.5-1:4混匀后，在所得混合溶液中加入其质量8%-15%的瓜尔胶，并于90-130℃冷凝回流1-8h，再经进一步超声分散后，将所得分散液在纺丝电压18kV，纺丝距离14cm，推进速度1.5mL/h的条件下进行静电纺丝，制得具有高电磁屏蔽性能的多糖纳米纤维。
为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。
实施例1
（1）将3g热膨胀蛭石加入到50mL饱和氯化钠溶液中，以300rpm的转速球磨12h后取出样品，将其加入到100mL浓度为3mol/L的氯化锂溶液中，100℃水热反应10h，然后超声处理1h，离心洗涤去除Cl-及未剥离的蛭石片，所得上层清液即为纳米蛭石溶液；
（2）将18g纳米蛭石溶液与28g固含量为0.98%的纳米纤维素溶液混匀后，在所得混合溶液中加入4g瓜尔胶，100℃条件下冷凝回流2h，形成8wt%的瓜尔胶/纳米蛭石/纳米纤维素混合溶液，再经进一步超声分散后，将所得分散液进行静电纺丝，制得具有高电磁屏蔽性能的多糖纳米纤维，其扫描电镜图如图1所示。
实施例2
（1）将3g热膨胀蛭石加入到50mL饱和氯化钠溶液中，以450rpm的转速球磨16h后取出样品，将其加入到150mL浓度为3mol/L的氯化锂溶液中，110℃水热反应12h，然后超声处理1h，离心洗涤去除Cl-及未剥离的蛭石片，所得上层清液即为纳米蛭石溶液；
（2）将20g纳米蛭石溶液与43g固含量为0.98%的纳米纤维素溶液混匀后，在所得混合溶液中加入7g瓜尔胶，110℃条件下冷凝回流3h，形成10wt%的瓜尔胶/纳米蛭石/纳米纤维素混合溶液，再经进一步超声分散后，将所得分散液进行静电纺丝，制得具有高电磁屏蔽性能的多糖纳米纤维。
实施例3
（1）将3g热膨胀蛭石加入到50mL饱和氯化钠溶液中，以500rpm的转速球磨21h后取出样品，将其加入到200mL浓度为3mol/L的氯化锂溶液中，130℃水热反应16h，然后超声处理1h，离心洗涤去除Cl-及未剥离的蛭石片，所得上层清液即为纳米蛭石溶液；
（2）将25g纳米蛭石溶液与62g固含量为0.98%的纳米纤维素溶液混匀后，在所得混合溶液中加入13g瓜尔胶，120℃条件下冷凝回流5h，形成13wt%的瓜尔胶/纳米蛭石/纳米纤维素混合溶液，再经进一步超声分散后，将所得分散液进行静电纺丝，制得具有高电磁屏蔽性能的多糖纳米纤维。
实施例4
（1）将3g热膨胀蛭石加入到50mL饱和氯化钠溶液中，以600rpm的转速球磨24h后取出样品，将其加入到300mL浓度为3mol/L的氯化锂溶液中，150℃水热反应20h，然后超声处理1h，离心洗涤去除Cl-及未剥离的蛭石片，所得上层清液即为纳米蛭石溶液；
（2）将22g纳米蛭石溶液与80g固含量为0.98%的纳米纤维素溶液混匀后，在所得混合溶液中加入18g瓜尔胶，130℃条件下冷凝回流7.5h，形成15wt%的瓜尔胶/纳米蛭石/纳米纤维素混合溶液，再经进一步超声分散后，将所得分散液进行静电纺丝，制得具有高电磁屏蔽性能的多糖纳米纤维。
对比例1
（1）将3g热膨胀蛭石加入到50mL饱和氯化钠溶液中，以300rpm的转速球磨12h后取出样品，将其加入到200mL浓度为3mol/L的氯化锂溶液中，100℃水热反应10h，然后超声处理1h，离心洗涤去除Cl-及未剥离的蛭石片，所得上层清液即为纳米蛭石溶液；
（2）将18g纳米蛭石溶液与28g去离子水混匀后，在所得混合溶液中加入4g瓜尔胶，100℃条件下冷凝回流2h，形成8wt%的瓜尔胶/纳米蛭石混合溶液，再经进一步超声分散后，将所得分散液进行静电纺丝，制得多糖纳米纤维，其扫描电镜图如图2所示。
对比例2
（1）将3g热膨胀蛭石加入到250mL去离子水中，100℃保温10h，然后超声处理1h，获得热膨胀蛭石悬浮液；
（2）将18g热膨胀蛭石悬浮液与28g固含量为0.98%的纳米纤维素溶液混匀后，在所得混合溶液中加入4g瓜尔胶，100℃条件下冷凝回流2h，形成8wt%的瓜尔胶/热膨胀蛭石/纳米纤维素混合溶液，再经进一步超声分散后，将所得分散液进行静电纺丝，制得多糖纳米纤维，其扫描电镜图如图3所示。
对各实施例及对比例制备的多糖纳米纤维进行性能检测，结果见表1。
表1 不同多糖纳米纤维的性能测试结果
由表1可知，实施例所得多糖纳米纤维的电导率显著高于对比例，而优异的导电性是实现高电磁屏蔽的关键。纳米蛭石的荷电性及层间长程有序的离子通道使其具有高离子传导率，赋予多糖纳米纤维高电导率，从而提升了多糖纳米纤维的电磁屏蔽效能，同时纳米纤维素强度高，且与瓜尔胶和纳米蛭石紧密结合在一起（如图1），可有效增强多糖纳米纤维的力学性能。而相较于实施例，对比例1中缺少纳米纤维素，减少了多糖-纳米蛭石插层纳米结构的形成，从而阻碍了多糖纳米纤维的离子调控能力，减弱了多糖纳米纤维的导电性，使其电磁屏蔽效能降低，且没有纳米纤维素的增强作用，多糖纳米纤维的直径增大、分布不均匀（如图2），力学性能变差；而对比例2中热膨胀蛭石不具备纳米蛭石的层间离子通道，其离子传递能力弱，因此多糖纳米纤维的电导率和电磁屏蔽效能低，而且热膨胀蛭石在溶液中的分散性差，导致多糖纳米纤维直径分布不均匀（如图3），力学性能差。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (9)
1.一种具有高电磁屏蔽性能的多糖纳米纤维的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将热膨胀蛭石加入到饱和氯化钠溶液中，经球磨后加入到3mol/L的氯化锂溶液中进行水热反应，然后经超声处理，离心洗涤，取上层清液，获得纳米蛭石溶液；
（2）将所得纳米蛭石溶液与纳米纤维素溶液混匀后，在所得混合溶液中加入瓜尔胶并进行冷凝回流，再经进一步超声分散后，将所得分散液进行静电纺丝，制得具有高电磁屏蔽性能的多糖纳米纤维。
2.根据权利要求1中所述的一种具有高电磁屏蔽性能的多糖纳米纤维的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述球磨的时间为12-24h，转速为300-600rpm。
3. 根据权利要求1中所述的一种具有高电磁屏蔽性能的多糖纳米纤维的制备方法，其特征在于：步骤（1）中热膨胀蛭石与饱和氯化钠溶液的用量比为3:50 g/mL，热膨胀蛭石与氯化锂溶液的用量比为1:30-1:100 g/mL。
4.根据权利要求1中所述的一种具有高电磁屏蔽性能的多糖纳米纤维的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述水热反应的温度为100-150℃，时间为10-20h。
5.根据权利要求1中所述的一种具有高电磁屏蔽性能的多糖纳米纤维的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述超声处理的时间为1h。
6.根据权利要求1中所述的一种具有高电磁屏蔽性能的多糖纳米纤维的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所用纳米蛭石溶液与纳米纤维素溶液的质量比为1:1.5-1:4，所述纳米纤维素溶液的固含量为0.98%。
7.根据权利要求1中所述的一种具有高电磁屏蔽性能的多糖纳米纤维的制备方法，其特征在于：步骤（2）中瓜尔胶的加入量为混合溶液质量的8%-15%。
8.根据权利要求1中所述的一种具有高电磁屏蔽性能的多糖纳米纤维的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述冷凝回流的温度为90-130℃，时间为1-8h。
9.一种如权利要求1-8任一项所述方法制得的高电磁屏蔽性能的多糖纳米纤维。
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