[发明专利]一种梯度结构聚合物纳米复合材料及其制备方法与应用

权利要求书

1.一种梯度结构聚合物纳米复合材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）制备具有梯度结构的复合无纺布；所述复合无纺布由两种聚合物纳米复合纤维组成，或一种聚合物纳米纤维和一种聚合物纳米复合纤维组成；其中，所述聚合物纳米复合纤维是以聚合物为主体纤维骨架，纳米填料分散在所述主体纤维骨架中；

（2）对所述复合无纺布依次进行热压和热处理，即得到所述梯度结构聚合物纳米复合材料；

步骤（1）中，所述梯度结构包括：正式梯度结构，反式梯度结构和互穿式梯度结构；

所述正式梯度结构是由聚合物纳米纤维A和聚合物纳米复合纤维B组成，且沿无纺布厚度方向从中心向两侧，所述聚合物纳米纤维A的体积占比由0线性递增到100%，而聚合物纳米复合纤维B的体积占比由100%线性递减到0；

所述反式梯度结构是由聚合物纳米纤维A和聚合物纳米复合纤维C组成，且沿无纺布厚度方向从中心向两侧，所述聚合物纳米纤维A的体积占比由100%线性递减到0，而聚合物纳米复合纤维C的体积占比由0线性递增到100%；

所述互穿式梯度结构是由聚合物纳米复合纤维D和聚合物纳米复合纤维E组成，沿无纺布厚度方向从中心向两侧，所述聚合物纳米复合纤维D的体积占比由0线性递增到100%，而所述聚合物纳米复合纤维E的体积占比由100%线性递减到0；

所述聚合物纳米复合纤维B、C、D相同或不同；所述聚合物纳米复合纤维B、C、E相同或不同；

但所述聚合物纳米复合纤维D和E中的纳米填料的体积含量和/或纳米填料的种类不同；

所述聚合物纳米复合纤维中，所述纳米填料的体积分数为0%~90%，但不为0%；

所述纳米填料为陶瓷纳米填料或导电纳米填料；所述陶瓷纳米填料包括：钛酸钡、氧化钛、氧化硅、氧化铝、氧化锆、锆钛酸钡、锆钛酸铅、钛酸锶钡和钛酸铜钙中的任一种；所述导电纳米填料包括金、银和导电碳材料中的任一种；

所述纳米填料为0维纳米颗粒、1维纳米纤维或2维纳米片；

所述0维纳米颗粒的直径为10 nm~1μm；所述的0维纳米颗粒包括单相0维纳米颗粒和核壳纳米颗粒；所述的单相0维纳米颗粒仅由单一组分组成；所述的核壳纳米颗粒由两种及以上的组分组成并形成0维核壳结构；

所述1维纳米纤维的直径为100 nm~1 μm，长度为1μm~1 mm；所述1维纳米纤维包括单相1维纳米纤维、同轴纳米纤维、0-1型纳米纤维中的任一种；所述的单相1维纳米纤维仅由单一组分组成；所述的同轴纳米纤维由两种及以上的组分组成并形成1维核壳结构；所述的0-1型纳米纤维是所述0维纳米颗粒填充在单相1维纳米纤维组成的复合纳米纤维；

所述2维纳米片的横向尺寸为1 μm~1mm，厚度为1 nm~1μm；所述2维纳米片包括规则片层和不规则片层，所述规则片层包括圆形、正方形、长方形、椭圆形中的任一种；

所述聚合物纳米纤维和聚合物纳米复合纤维中的聚合物包括聚偏氟乙烯、环氧树脂、聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二酯和聚酰亚胺中的至少一种；

所述聚合物的分子量为5~100万；

所述步骤（1）中，所述具有梯度结构的复合无纺布是采用改进静电纺丝法进行制备的；

所述改进静电纺丝法的步骤具体如下：将制备所述复合无纺布中的一种聚合物纳米纤维的前驱体溶胶和一种聚合物纳米复合纤维的前驱体溶胶分别加入注射器A和B中，或将制备所述复合无纺布中两种聚合物复合纳米纤维的前驱体溶胶分别加入注射器A和B中；并将A、B两个注射器垂直并列放置，进行静电纺丝；所述A、B注射器的推注速度根据不同梯度结构采用不同的线性变化模式；

具体制备方法如下：

制备所述正式梯度结构复合无纺布：将聚合物纳米纤维的前驱体加入注射器A中，A的推注速度在5min~10h内从0.05 mL/h-3mL/h线性递减到0 mL/h，随后在5min~10h内从0 mL/h线性递增到0.05 mL/h-3mL/h；其中，前后两个阶段注射器A推注的时间和推注的最大速度是相同的；将聚合物纳米复合纤维的前驱体加入注射器B中，B的推注速度在5min~10h内从0mL/h线性递增到0.05 mL/h-3mL/h，随后在5min~10h内从0.05 mL/h-3mL/h线性递减到0mL/h，前后两个阶段注射器B推注的时间和推注的最大速度是相同的；

制备所述反式梯度结构复合无纺布：将聚合物纳米复合纤维的前驱体加入注射器A中，A的推注速度在5min~10h内从0.05 mL/h-3mL/h线性递减到0 mL/h，随后在5min~10h内从0mL/h线性递增到0.05 mL/h-3mL/h；其中，前后两个阶段注射器A推注的时间和推注的最大速度是相同的；将聚合物纳米纤维的前驱体加入注射器B中，B的推注速度在5min~10h内从0mL/h线性递增到0.05 mL/h-3mL/h，随后在5min~10h内从0.05 mL/h-3mL/h线性递减到0mL/h，前后两个阶段注射器B推注的时间和推注的最大速度是相同的；

制备所述互穿式梯度结构复合无纺布：将一种聚合物纳米复合纤维的前驱体加入注射器A中，A的推注速度在5min~10h内从0.05 mL/h-3mL/h线性递减到0 mL/h，随后在5min~10h内从0 mL/h线性递增到0.05 mL/h-3mL/h，其中，前后两个阶段注射器A推注的时间和推注的速度是相同的；将另一种聚合物纳米复合纤维的前驱体加入注射器B中，B的推注速度在5min~10h内从0 mL/h线性递增到0.05 mL/h-3mL/h，随后在5min~10h内从0.05 mL/h-3mL/h线性递减到0 mL/h，其中，前后两个阶段注射器B推注的时间和推注的最大速度是相同的；

所述步骤（2）中，所述热压的温度为100~400℃；压强为10~30MPa；时间为0.5~10 h；

所述热处理的温度为100~250℃；时间为7~30min。