CN101838888A - 静电纺间位芳纶纳米纤维的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种既保持了间位芳纶原有的一些优良性能同时又具有纳米纤维材料的特殊功能的静电纺间位芳纶纳米纤维的制备方法，包括：间位芳纶纤维材料溶解和间位芳纶纤维溶液静电纺丝两个方面，间位芳纶材料的溶解体系是由卤盐和可与卤盐形成络合大阳离子的极性氧基团的溶剂组成，首先，将间位芳纶材料溶解于溶解体系中，得到质量百分比为0.01％～30％的间位芳纶纤维溶液，然后，在高电压纺丝条件下喷射形成纤维直径为50nm～5μm、无纺布平均厚度为0.01μm～5mm、孔隙率为60％～90％、拉伸强度为0.2～3MPa、弹性伸长率为4～15％的间位芳纶纳米纤维无纺布。
Description
技术领域
本发明属于纳米材料领域，尤其涉及一种静电纺间位芳纶纳米纤维的制备方法。
背景技术
静电纺纳米纤维的制备和应用研究是当前纳米材料研究领域的热点，目前已有上百种天然材料和高分子聚合物被成功静电纺成纳米纤维。近年来，静电纺无机纳米纤维材料的制备也不断获得新的突破。静电纺纳米纤维材料因其特有的性能在医用生物材料、高性能过滤材料、电池隔膜、传感器、防护服以及太能电池等众多领域具有广泛的应用前景。世界各国非常重视静电纺丝技术和静电纺纳米纤维材料的研究，其中韩国政府将静电纺纳米纤维材料确定为未来新兴材料，对相关技术和应用研究进行大力扶持。随着多喷头和无喷头静电纺丝技术的突破，静电纺纳米纤维的产业化障碍已被跨越，当前研究的重点是新型静电纺丝溶液的制备和静电纺纳米纤维材料的产业化应用。
芳纶纤维、碳纤维和高强高模聚乙烯纤维被认为是当前最重要的三种高性能纤维。其中，芳纶纤维中的对位芳纶和间位芳纶具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻等优良特性，被用于军工、宇航等高尖领域。但到目前为止芳纶纤维的良溶剂非常少，对位芳纶纤维只溶于浓度90％以上的浓硫酸，间位芳纶纤维只溶于少数含卤化盐的溶解体系中。如论文“Structure andmorphology of small diameter electrospun aramid fibers”中将对位芳纶纤维溶解于95～98％的浓硫酸中，溶液浓度在2～3％之间。在30kv高压下进行静电纺丝，水浴凝固后形成直径为40nm左右的纳米纤维，该对位芳纶纳米纤维在400℃下任具有良好的热稳定性能。此文章在1994年发表，此后无相关后续研究，主要是由于高浓度硫酸具有高危险性，且难挥发，需用凝固浴析出形成纳米纤维而不利于静电纺丝。当前对间位芳纶纤维的研究主要集中在间位芳纶纤维复合材料的制备与性能研究上。静电纺间位芳纶纳米纤维方面的研究较少，一方面由于可用来直接溶解间位芳纶纤维的溶剂很少，另外，间位芳纶纤维大分子与极性溶剂之间相互作用使溶液粘度和表面张力增大而难以进行静电纺丝。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种既保持了间位芳纶原有的一些优良性能同时又具有纳米纤维材料的特殊功能的静电纺间位芳纶纳米纤维的制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：静电纺间位芳纶纳米纤维的制备方法，包括：间位芳纶纤维材料(聚间苯二甲酰间苯二胺)溶解和间位芳纶纤维溶液静电纺丝两个方面，间位芳纶材料的溶解体系是由卤盐和可与卤盐形成络合大阳离子的极性氧基团的溶剂组成，首先，将间位芳纶材料溶解于溶解体系中，得到质量百分比为0.01％～30％的间位芳纶纤维溶液，然后，在高电压纺丝条件下喷射形成纤维直径为50nm～5μm、无纺布平均厚度为0.01μm～5mm、孔隙率为60％～90％、拉伸强度为0.2～3Mpa、弹性伸长率为4～15％的间位芳纶纳米纤维无纺布。
为了更好地解决上述技术问题，本发明的进一步技术方案为：所述的溶剂为：二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基乙酰胺(DMAc)、二甲基亚砜(DMSO)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)或1.3-二甲基2-咪唑烷酮(DMI)。
为了更好地解决上述技术问题，本发明的进一步技术方案为：所述的卤盐为：氯化锂(LiCl)、氯化钙(CaCl2)、氯化镁(MgCl2)溴化锂(LiBr)或溴化钙(CaBr2)。
为了更好地解决上述技术问题，本发明的进一步技术方案为：所述高压静电纺丝条件为：电压10～40kv，温度-10～30℃，相对湿度40～70％，泰勒锥至纳米纤维无纺布接收装置的距离5～30cm，纺丝液流量0.2～2ml/h。
本发明的优点是：
1、含有极性氧基团溶剂与卤盐形成的溶解体系可以在较低温度下溶解间位芳纶纤维，间位芳纶纤维大分子在溶解过程中降解不明显，配制的溶液性能稳定；
2、溶解体系中卤盐的加入有利于间位芳纶静电纺丝溶液导电性能的提高，在纺丝过程中易纺得直径均匀的间位芳纶纳米纤维；
3、使用的溶剂挥发性弱，且低毒，在间位芳纶纤维溶解和静电纺丝过程中操作安全；
4、制备的间位芳纶纳米纤维无纺布的既保持了间位芳纶原有的一些优良性能，同时具有纳米纤维材料的特殊功能。
这种间位芳纶纳米纤维无纺布可广泛应用于高温过滤材料、防护服、锂电池隔膜等领域中。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述：
在本发明专利中，间位芳纶纤维材料包括：间位芳纶短纤、长丝及回收间位芳纶材料，回收间位芳纶材料溶解前须经过清洗、干燥等处理。具体实施时，可以通过改变间位芳纶纤维溶液浓度、溶解体系、卤盐浓度以及静电纺丝条件来控制间位芳纶纳米纤维无纺布的各项性能。
实施例1：
1、将2g干燥后的间位芳纶短纤维浸渍于30ml二甲基乙酰胺中，100℃条件下搅拌5h，然后加入1.5g溴化锂，使溴化锂在溶剂中的质量百分含量为8％。继续搅拌至完全溶解，获得质量百分数为15％的间位芳纶纤维淡黄色透明溶液。
2、将配制好的间位芳纶纤维溶液在高压条件下进行静电纺丝，静电纺丝条件为：室温，电压25kv，纺丝液流量0.5ml/h，接收距离15cm，纺丝时间5h。得到的无纺布纤维的平均直径分别为90nm，无纺布的厚度在0.1～0.15mm之间。
实施例2：
1、将1.1g干燥后的间位芳纶短纤维浸渍于10ml二甲基亚砜中，100℃条件下搅拌5h，然后加入0.2g氯化镁，使氯化镁在溶剂中的质量百分含量为2％。继续搅拌至完全溶解，获得淡黄色透明的间位芳纶纤维溶液。
2、将配制好的间位芳纶纤维溶液在高压条件下进行静电纺丝，静电纺丝条件为：室温，电压25kv，纺丝液流量0.5ml/h，接收距离15cm，纺丝时间5h。得到的无纺布纤维的平均直径分别为180nm，无纺布的厚度在0.1～0.15mm之间。
实施例3：
1、将5g干燥后的间位芳纶短纤维浸渍于30ml二甲基甲酰胺中，100℃条件下搅拌5h，然后加入2.6g氯化锂，使氯化锂在溶剂中的质量百分含量为8％。继续搅拌至完全溶解，获得质量百分数为15％的间位芳纶纤维淡黄色透明溶液。
2、将配制好的间位芳纶纤维溶液在高压条件下进行静电纺丝，静电纺丝条件为：室温，电压25kv，纺丝液流量0.5ml/h，接收距离15cm，纺丝时间5h。得到的无纺布纤维的平均直径分别为2.5μm，无纺布的厚度在0.1～0.15mm之间。
Claims (4)
1.静电纺间位芳纶纳米纤维的制备方法，其特征在于：包括：间位芳纶纤维材料(聚间苯二甲酰间苯二胺)溶解和间位芳纶纤维溶液静电纺丝两个方面，间位芳纶材料的溶解体系是由卤盐和可与卤盐形成络合大阳离子的极性氧基团的溶剂组成，首先，将间位芳纶材料溶解于溶解体系中，得到质量百分比为0.01％～30％的间位芳纶纤维溶液，然后，在高电压纺丝条件下喷射形成纤维直径为50nm～5μm、无纺布平均厚度为0.01μm～5mm、孔隙率为60％～90％、拉伸强度为0.2～3Mpa、弹性伸长率为4～15％的间位芳纶纳米纤维无纺布。
2.根据权利要求1所述的静电纺间位芳纶纳米纤维的制备方法，其特征在于：所述的溶剂为：二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基乙酰胺(DMAc)、二甲基亚砜(DMSO)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)或1.3-二甲基2-咪唑烷酮(DMI)。
3.根据权利要求1所述的静电纺间位芳纶纳米纤维的制备方法，其特征在于：所述的卤盐为：氯化锂(LiCl)、氯化钙(CaCl2)、氯化镁(MgCl2)溴化锂(LiBr)或溴化钙(CaBr2)。
4.根据权利要求1或2或3所述的静电纺间位芳纶纳米纤维的制备方法，其特征在于：所述高压静电纺丝条件为：电压10～40kv，温度-10～30℃，相对湿度40～70％，泰勒锥至纳米纤维无纺布接收装置的距离5～30cm，纺丝液流量0.2～2ml/h。
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