[发明专利]一种电纺珠串纤维的自组装制备方法

说明书

技术领域

本发明属于化学、材料技术领域，应用静电纺丝的方法，制备一种具有集水特性的自组装珠串纤维。

背景技术

目前水资源危机已经成为人类发展的障碍之一，各个国家都在不断为收集淡水付出努力。地球上的水，尽管数量巨大，而能直接被人们生产和生活利用的，却少得可怜。首先，海水不能饮用，不能浇地，也难以用于工业。其次，地球的淡水资源仅占其总水量的2.5%，而在这极少的淡水资源中，又有70%以上被冻结在南极和北极的冰盖中，加上难以利用的高山冰川和永冻积雪，有87%的淡水资源难以利用。人类真正能够利用的淡水资源是江河湖泊和地下水中的一部分，约占地球总水量的0.26%。全球淡水资源不仅短缺而且地区分布极不平衡。目前，全球80多个国家的约15亿人口面临淡水不足，其中26个国家的3亿人口完全生活在缺水状态。预计到2025年，全世界将有30亿人口缺水，涉及的国家和地区达40多个。21世纪水资源正在变成一种宝贵的稀缺资源，水资源问题已不仅仅是资源问题，更成为关系到国家经济、社会可持续发展和长治久安的重大战略问题。

众所周知，蜘蛛丝具有非凡的机械性能。然而，最近的研究表明，某些蜘蛛的捕获丝除了具有超强的韧性之外，还具备在清晨收集露珠的能力。这一特性为淡水收集及液体定向传输提供了新的方向，而且无论在基础研究还是工业实践中，都具有很强的指导意义。人们经过研究发现，这种捕获丝能够收集露珠的原因在于它能够在湿环境下进行结构重组：将原本“泡芙”状的结构收缩成类似珍珠项链的“珠串”形结构，而这种形状如同纺锤体的节具有表面能量梯度和曲率梯度的协同效应，从而驱使水滴从纺锤体的光滑边缘定向滑至粗糙的中间部位。受这种特殊结构的启发，人们采用了多种方法制备人工“珠串”纤维，以期实现雾气的收集或者用肉体的定向传输。其中，申请号为201110223679.7的专利申请文件通过利用提拉的方法，在所述人造丝的表面构造出粗糙结构，进而制备了类似蜘蛛丝结构的集水聚合物丝；申请号为201210004686.2的专利申请文件进一步实现了制备所得的纤维表面的突起节的高度从小到大均匀可控，从而增加了空气水滴的碰撞几率和铺展速度，使得集水的效率得以提高。然而上述两种方法的着眼点都在于直接形成蜘蛛丝重组后的“珠串结构”而忽略了蜘蛛丝本身的自组装性能，因此，集水和定向传输效果有限。

发明内容

针对蜘蛛丝可在湿环境下自组装的特点，本发明提供一种全新的人造纤维的制备方法，目的在于实现高分子纳米颗粒在纤维表面的自组装，达到制备“珠串”结构的目的，并最终实现高效集水。本发明受到蜘蛛丝在湿环境下能够自组装成纺锤结构的启发，利用静电纺丝设备制备一种人造纤维，并用铝支架接收，形成人造纤维表面附着有纳米颗粒的结构，再进一步使所述的人造纤维在湿环境下自组装成微米级“珠串”结构。本发明提供的湿环境下电纺珠串纤维的自组装制备方法，包括以下步骤：

第一步，静电纺丝原料的准备：

将纯度为99%以上的N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和纯度为99%以上的有机高分子聚合物按比例均匀混合，在20～50℃水浴中搅拌24～96h，得到无色透明的粘稠液体混合物。当所述的有机高分子聚合物为聚偏二氟乙烯（PVDF）、聚苯乙烯（PS）、聚乙酸乙烯酯（PVAc）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）或聚乙二醇（PEG）中的任意一种时，有机高分子聚合物的质量分数为5～20%，进一步优选为17%；当所述有机高分子聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）时，有机高分子聚合物的质量分数为2～10%。

第二步，人造纤维的制备：

将接收支架放置于静电纺丝装置内，用注射器吸取适量第一步所得的混合物置于注射泵上，以1～10mL/h的流速，在10kV～20kV的直流电压下电纺，所得产物用支架接收，纺丝期间，针头在支架上方以1～18mm·s^-1水平移动，约10s后，将支架取出，得到人造纤维。使用扫描电子显微镜（SEM,Quanta FEG250,FEI）在10kV下观察，在所述人造纤维表面具有纳米颗粒。所述支架为金属导体支架，优选为铝制支架。所述的静电纺丝平均流速优选为2～5mL/h。所述静电纺丝平均针头移动速度优选为5mm·s^-1～16mm·s^-1，进一步优选为8mm·s^-1。一般流速越高，纤维越粗。

第三步，自组装“珠串”纤维的制备：