[发明专利]一种微/纳交替纤维集合体的制备方法

说明书

本发明专利公开一种微/纳交替纤维集合体的制备方法，其特征包括1)聚合物共混，2)熔融挤出，3)牵伸细化和4)纤维收集四大步骤。所述的微/纳交替纤维是由粗的微米级纤维段与细的纳米级纤维段相互交替连接而成。本发明制备方法是在常规熔体纺丝技术基础上的发展，具有生产效率高，过程环保，易于产业化实施，产品可广泛运用于纺织面料、医疗卫生材料、保暖材料、过滤材料、吸油材料、吸音材料等领域。

技术领域

本发明涉及一种微/纳交替纤维集合体的制备方法，属于纤维材料制备技术领域。

背景技术

纳米纤维是通常指纤维直径小于1000纳米的超细纤维，具有极高的比表面积和表面吸附性能，此外由纳米纤维构成的纤网、薄膜或非织造布又具有极小的孔隙尺寸和极高的孔隙率(低空气阻力)及静电驻留性，使得纳米纤维具有广泛地运用前景(分离过滤、生物医疗、能源材料、聚合物增强、光电传感等领域)。目前，制备纳米纤维的常见方法主要包括拉伸法、模板合成法、微相分离法、自组装法和静电纺丝法等等。其中，静电纺丝法由于其工艺流程短、操作简便和适用范围广等优点而深受科研者们的青睐。然而纳米纤维单丝抗拉强度低，由其组成的纤维集合体整体力学性能偏低，很大程度上制约了纳米纤维集合体材料的应用推广。

近年来，构建多级结构的微/纳纤维或将微米纤维与纳米纤维混杂使用，在一定程度上有利于缓解上述缺点。由于该类纤维综合了两种尺度的纤维直径，利用微米纤维的骨架力学作用和纳米纤维高比表面积，其广泛运用于医疗卫生材料、保暖材料、空气过滤材料、催化、吸油吸音材料等等。Li等人首次采用静电纺丝法制备了壳聚糖/聚乳酸共混微/纳米纤维膜，所制备的纤维膜的直径分布在300nm～1.2um之间，该产品在组织工程中具有广阔的应用前景[Xu J，Zhang J，Gao W，et al.Preparation of chitosan/PLA blendmicro/nanofibers by electrospinning[J].Materials Letters，2009，63(8)：658-660.]。Liu等人设计了一种新的三维结构：在静电纺纳米纤维表面生长刺，旨在增强工程复合材料中的纤维-基体粘合，其中膜中纤维的直径的分布也是介于微米和纳米之间的，生长的刺可以束缚分子并与周围的环氧树脂连锁，与纯纤维增强环氧树脂和未处理环氧树脂相比，刺状纤维增强复合材料的弯曲性能也进一步提高。因此，这种功能性纤维可以用作聚合物树脂的有效复合增强[Meng F，Zhao R，Zhan Y，et al.Design of thom-like micro/nanofibers：fabrication and controlled morphology for engineered compositematerials applications[J].Journal of Materials Chemistry，2011，21(41)：16385]。He等人利用气泡静电纺技术制备了微/纳纤维膜，该膜中纤维的直径分布在200nm～1.6um之间，这样纤维膜的断裂强力得到一定地改善[Zhong-Fu Ren，Ji-Huan He.SinglePolymeric Bubble for the Preparation of Multiple Micro/Nano Fibers[J].Journalof Applied Polymer Science，2010，119(2)：1161-1165]。Ding等人制备了杂合的PAN/SiO₂隔膜，其中PAN作为细纤维，PAN@SiO₂作为粗纤维，该膜具有两种较为明显的纤维直径分布，膜的过滤效率(99.989％)和低压降(117Pa)可以被实现[N.Wang，Y.S.Si，N.Wang，G.Sun，M.El-Newehy，S.S.Al-Deyab，B.Ding，Multilevel structuredpolyacrylonitrile/silica nanofibrous membranes for high-performance air filtration.Sep.Purif.Technol.126(2014)44-51]。Pan等人制备了多孔串珠聚乳酸电纺纳米纤维空气过滤膜(串珠为粗纤维，串珠为细纤维)，该膜具有优良的过滤效率(99.997％)和低压降(165.3Pa)[Z.Wang，C.C.Zhao，Z.J.Pan，Porous bead-on-string poly(lacticacid)fibrous membranes for air filtration.Colloid Interf.Sci.441(2015)121-129]。申请人采用一步法静电纺丝法制备新型聚偏氟乙烯树状纳米纤维膜，用于空气过滤。粗干纤维作为骨架支撑，细支纤维作为连接支柱，减小孔径。该膜可获得较高的过滤效率(99.999％)和低压降(124.2Pa)。一般来说，由于上述非织造布含有多尺度的微/纳米结构，纳米纤维的体积密度大大降低，同时过滤阻力也大大降低。(Z.J.Li，Y.H.Xu，L.L.Fan，W.M.Kang*，B.W.Cheng*.Fabrication of a polyvinylidene fluoride tree-likenanofiber web for ultra-high performance air filtration.RSC Advances，2016，6(94)：91243-91249.)中国发明专利CN106245165A公开了一种纳米静电纺丝与短纤维涡流纺纱一体化成纱的方法，提出纳米纤维网与途经接收器的接收面上方的短纤维须条混合，形成微/纳纤维须条，微/纳纤维须条在摩擦纺纱机上一对摩擦辊筒内部的内胆负压吸风作用下，沿摩擦辊筒外壁面进入到该对摩擦辊筒之间，运行的微/纳纤维须条在摩擦辊筒顺时针高速转动作用下加捻形成纱线，加捻形成的纱线依次经引纱罗拉、导纱器、卷绕槽筒，最终卷绕到筒管上，这样就制备了微/纳纤维纱线。尽管上述方法可以制备微/纳纤维或纤维集合体，但是静电纺丝技术生产效率低，仍然很难满足高的生产效率。而且目前可工业化静电纺丝技术主要是溶液电纺为主，其生产过程中大量的有机溶剂会带来环境污染的问题。尽管熔体电纺近年来得到了快速发展，且生产效率有了一定改善，但与常规的熔体纺丝相比，其生产效率还有较大差距。此外，迄今为止还鲜有采用熔体电纺制备多级结构微/纳纤维的报道。