[发明专利]一种高强度聚酰亚胺纳米纤维多孔膜及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及聚酰亚胺纳米纤维多孔膜及其制备技术领域，具体涉及一种高压静电纺丝工艺制备的高强度聚酰亚胺纳米纤维多孔膜及其在材料领域中的应用。

背景技术

聚酰亚胺具有优异的耐高温性、尺寸稳定性、耐化学性、机械性能和电性能等，广泛应用于航空航天、汽车、微电子、纳米、分离膜、医用器具、餐具、生物等领域，其产品形式多种多样，有树脂、模塑粉、复合材料、薄膜、纤维、泡沫等。聚酰亚胺在结构材料和绝缘材料领域的应用已经得到人们的认可，而且在功能材料领域也崭露头角并迅速发展，如聚酰亚胺纤维作为高温介质及放射性物质的过滤材料和防弹、防火织物，以及聚酰亚胺多孔材料作为电子产品的隔膜材料、气体的分离膜、渗透蒸发膜、超滤膜及生物领域的催化载体等成为研究热点。例如美国杜邦公司通过聚酰亚胺和纤维制备的分离膜提高了电池的安全性能，使电池的容量提高了15～30%，寿命延长了20%，并减少了电池数量，该纤维隔膜的出现推进了锂离子电池向高性能、高安全向发展。目前关于聚酰亚胺多孔膜及制备方法已有众多报道，如：高等学校化学学报（Vol.27，No.1，2006）、比亚迪的CN200610000611.1及CN101000951A报道在聚酰亚胺基体中加入不稳定聚合物或成孔物质，通过热不稳定聚合物及成孔物质的逸出来获得聚酰亚胺膜上的微孔，但是该途径获得的多孔膜会由于成孔物质的难除或孔的塌陷及分布不均等缺陷导致膜的力学性能较差，其中适合高等学校化学学报及CN200610000611.1报道方法的可供选择的PI种类也有限。另外CN101000951A公开的方法还需要后续拉伸，所以工艺也比较复杂；同时比亚迪公司（CN101412817A）及日本宇部UBE公司公开了不采用成孔物质而是通过相转化方法制备多孔膜的方案，即将聚酰胺酸溶液制备的膜浸渍在一种能够溶解聚酰胺酸溶液中的溶剂，但不溶解聚酰胺酸的凝固液中，然后通过溶剂的扩散得到多孔聚酰胺酸膜，然后亚胺化得到耐热性能很好，孔径相对分布均一的多孔聚酰亚胺膜，但该工艺中需要大量的凝固液且凝固时间过长可能导致聚酰胺酸降解致使最终多孔膜力学性能较差。这些专利存在着工艺条件复杂，产品成本高，难以商业化应用的问题。专利CN201285773Y公开了聚酰亚胺复合膜的制备，即由聚酰亚胺膜及普通多孔隔膜各自成膜后叠合的复合层组成，该类复合膜的耐热性能较普通多孔隔膜略有提高，但对于高性能多孔膜应用来讲其力学性能及耐热性能仍需提高。

关于聚酰亚胺多孔膜的制备工艺还有电吹、电纺、熔吹等，综合以上制备聚酰亚胺多孔膜方法的优劣、聚酰亚胺本身特性、多孔膜材料的性能需求以及工业化可行性的前景，其中采用聚酰亚胺前驱体进行静电纺丝制备纤维多孔膜是一个易操作可行、低成本的工艺手段。采用该工艺制备的聚酰亚胺纤维多孔膜提高了传统多孔膜的耐热性能、孔隙率、尺寸稳定性能等，同时可通过调节工艺参数实现对纤维膜纤维直径、孔隙率等性能的调控，而且所得纤维多孔膜具有各向同性。但是高压静电纺丝技术所制备的纤维多孔膜由于纤维间相互作用力小使得纤维膜的力学性能较差，很难在实际中得到应用。若是在纺丝过程中使纤维通过外加磁场、电场或是特殊的机械装置发生高度取向，则可以制备得到高力学性能的纤维膜，但是得到的这种纤维膜尺寸较小也很难大规模生产。因此可大规模制备较高力学性能聚酰亚胺纤维多孔膜并将其投入多孔材料如电池隔膜、空气过滤、超滤膜、生物催化等领域广泛应用成为目前研究热点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高强度聚酰亚胺纳米纤维多孔膜，从分子结构角度出发，提供一种高强度、低尺寸变化率、高孔隙率、良好热性能的聚酰亚胺纳米纤维多孔膜。

本发明解决的第二个技术问题是提供上述高强度聚酰亚胺纳米纤维多孔膜的制备方法，以克服现有制备聚酰亚胺多孔膜方法中由于添加成孔物质或是使用大量凝固液导致聚酰亚胺多孔膜耐热性能差和机械性强度低的缺点，同时改善现在采用静电纺丝技术制备的多孔膜力学性能低或是实验室中可获得高取向的纤维膜但尺寸较小的问题。

本发明解决的第三个技术问题是上述高强度聚酰亚胺纳米纤维多孔膜在电池隔膜、电容器隔膜、低介电材料、空气净化、污水处理、酶催化中的应用。