[发明专利]一种多孔纳米纤维无纺布的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米新材料领域，具体涉及一种将溶剂挥发相分离成孔技术与熔喷技术相结合制备多孔纳米纤维无纺布的方法，制得的无纺布可应用于高精密气体过滤和水处理领域。

背景技术

超细纤维无纺布，特别是纤维直径在1000nm以下的纳米纤维无纺布，具有比表面积大、克重小、通透性好、孔隙率高、纤维间孔洞小且孔洞结构相互贯通、溶质扩散阻力小等优点，是一种高性能、高附加值的纤维产品。纳米纤维无纺布在污水处理、空气净化、保暖隔热、医疗卫生、隔音材料、电池隔膜等领域应用广泛，全球对其消耗量和需求量正处于爆炸式增长时期。多孔结构材料的最大优势在于在更经济的材料用量下达到更优的使用效果。如果在纳米纤维表面或内部引入多孔结构，就能够进一步增加比表面积，提升产品应用性能，相较致密纤维，多孔纤维表面亲疏水性更易调节，过滤拦截能力更强，吸附能力和吸附选择性更高，用作传感材料则响应性和灵敏度更优等。因此综合纳米纤维无纺布和多孔结构两者的特点，多孔纳米纤维无纺布有望应用于高精细、超精密、高效率的分离吸附过滤领域，如蛋白质亲和分离、雾霾PM2.5粒子过滤、超净水制备等。

目前，在实现纳米纤维无纺布大批量生产方面尚没有成熟的技术，比较有发展前景的制造工艺主要有静电纺丝和熔喷技术两种。但是静电纺丝需要几千伏甚至上万伏直流高压，对溶液导电性要求高，现有静电纺丝中试设备只能进行常温纺丝，这大大限制了其产业化应用。熔喷技术是已实现商业化、最具规模的超细纤维无纺布的制造方法，其依靠高速、高温气流(常接近聚合物熔点)喷吹聚合物熔体使其得到迅速拉伸而一步制备得到无纺布。然而，现有熔喷纤维直径多在2～4μm之间，在制备纳米级纤维上仍存在一定困难，这主要是因为：纯熔体粘度大，射流拉伸/鞭动困难；实验观察发现射流温度在离开模头2cm时温度降幅已超过200℃，射流迅速固化。采用熔喷设备进行聚合物溶液喷射纺丝，可以得到纳米级别纤维无纺布，但是纤维光滑，没有孔洞结构。多孔结构的引入可通过在熔喷聚合物母粒中加入不相容的无机纳米粒子或聚合物，然后通过溶剂溶解或者煅烧的方法来选择性去除成孔；但是此方法会导致纤维机械性能大大下降且存在溶解不完全的问题，纤维直径也在微米级。文献报道通过用非溶剂浴接收纺丝射流的方式来制备多孔纤维，但纤维直径在3～5μm之间甚至更粗；这是因为若纤维直径达到纳米级别，则溶剂挥发速率过快，无法实现溶剂-非溶剂交换导致的相分离而只能得到致密纤维。

发明内容

本发明的目的是克服上述背景技术的不足，提供一种将溶剂挥发相分离成孔技术与熔喷技术相结合，实现多孔纳米纤维无纺布大规模制备的方法。

本发明所采用的技术方案是：一种多孔纳米纤维无纺布的制备方法，按照以下步骤依次进行：

(1)将聚合物与复合稀释剂在25～150℃温度下在反应釜中搅拌溶解均匀,制成质量百分比浓度为10～60％的聚合物溶液；所述复合稀释剂是良溶剂和不良溶剂的混合物，良溶剂与不良溶剂的质量比例在9:1～1:9之间，所述良溶剂沸点低于不良溶剂沸点；

(2)将步骤1中的聚合物溶液用熔喷设备生产得到初生无纺布；

(3)萃取除去步骤2初生无纺布中的复合稀释剂并在初生无纺布中的纤维上成孔，干燥后即得到多孔纳米纤维无纺布。

本发明所使用的聚合物要求成纤性能较优，在常温下能溶解于良溶剂，为聚偏氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、乙烯-乙烯醇共聚物、聚醚砜、聚丙烯腈、聚砜、聚酯、聚苯乙烯、聚氨酯、聚酰胺、聚醚醚酮、聚乙烯醇、聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯缩丁醛、醋酸纤维素、聚氯乙烯中的至少一种。本发明中聚合物在混合物中的初始质量百分比浓度为10～60％：浓度过高，则发生凝胶化分相过程，无法成孔；浓度过低，则在喷丝过程中纤维断裂，无法形成纤维堆砌无纺布结构，而为珠状纤维或小颗粒堆砌形式。

本发明所使用的良溶剂在常温下对所述聚合物有很好溶解度的溶剂，为二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮、丙酮、磷酸三乙酯、环丁砜、二氯甲烷、甲酸、氯仿、三氟乙酸、乙酸乙酯、四氢呋喃、二甲苯中的一种，或者两种以上任意比例的混合。