[发明专利]原位疏水改性芳纶纳米气凝胶纤维及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种原位疏水改性芳纶纳米气凝胶纤维及其制备方法与应用。所述制备方法包括：提供芳纶纳米纺丝溶液；采用纺丝技术制备疏水改性芳纶纳米凝胶纤维，所述纺丝技术采用的凝固浴包括第一有机溶剂和卤代试剂，所述卤代试剂包括一溴代烷烃、一氯代烷烃、二溴代烷烃、二氯代烷烃、三氯代烷烃等；再进行干燥处理，获得原位疏水改性芳纶纳米气凝胶纤维。本发明制备的原位疏水改性芳纶纳米气凝胶纤维具有独特的三维多孔网络结构、较低的热导率、较高孔隙率、较高的拉伸强度和断裂伸长率，一定的可纺性和结构稳定性，可应用于纺织领域，用该疏水纤维编织的织物具有自清洁能力，还可制作疏水芳纶纳米气凝胶纤维絮片，表现出良好疏水性能。

技术领域

本发明涉及一种新型的功能性纤维及其改性制备方法，尤其涉及一种在纺丝过程中原位疏水改性的芳纶纳米气凝胶纤维及其制备方法与应用，属于纳米多孔材料及功能纤维技术领域。

背景技术

随着科技的发展，气凝胶材料已经在很多方面得到应用，它是由胶体粒子或高聚物分子相互聚积成网络结构的纳米多孔性固体材料，其分散介质为气体。一般气凝胶材料具有极低的表观密度、较大的比表面积、高孔隙率和低热导率。最重要的是气凝胶材料具有丰富的介孔结构，孔径为2-50nm的介孔是理想的功能化材料载体，但也正是由于多孔结构的存在，气凝胶的力学性能一般较差且脆性大，目前最常见的气凝胶形态为块状，获取连续纤维状的气凝胶(也就是气凝胶纤维)在技术上难度很大。

前期已经报道过芳纶纳米气凝胶纤维，它是由芳纶纳米纤维堆积成三维网络结构，芳纶纳米纤维是一类由纳米级别聚对苯二甲酰胺(PPTA)组成的一维有机纳米材料，是最强的高分子材料之一。它们不仅具有特征的纳米结构，具有大的纵横比和比表面积，而且还保持了由PPTA纤维衍生的优异的机械、化学和耐热性能，这使得它们在构建先进复合材料方面发挥着重要的“积木”作用，具有巨大的潜力。芳纶纳米气凝胶纤维具有相对优秀的力学性能，同时具有较高的比表面积和大的孔隙率，是目前最接近实际应用的气凝胶纤维。但是由于芳纶结构中大量酰胺键的存在，该气凝胶纤维是亲水的，一般接触角约为67°，必须保证在干燥无水的环境中使用，否则气凝胶的多孔结构在常温常压下很容易吸水造成骨架收缩坍塌，因此很有必要对芳纶纳米气凝胶纤维进行疏水改性。

目前报道过使用氟碳对纤维表面疏水改性，但是在使用过程中氟碳易脱落造成性能不持久，而且属于后处理工艺，造成制备比较复杂。因此，在不破坏多孔材料本体性能的情况下，原位实现多孔材料的疏水改性具有一定挑战。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种在纺丝过程中原位疏水改性芳纶纳米气凝胶纤维及其制备方法，以克服现有技术中的不足。

本发明的另一目的还在于提供所述原位疏水改性芳纶纳米气凝胶纤维的应用。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种原位疏水改性芳纶纳米气凝胶纤维的制备方法，其包括：

提供芳纶纳米纺丝溶液；

采用纺丝技术制备疏水改性芳纶纳米凝胶纤维，所述纺丝技术采用的凝固浴包括第一有机溶剂和卤代试剂的组合，所述卤代试剂包括一溴代烷烃、一氯代烷烃、二溴代烷烃、二氯代烷烃、三氯代烷烃中的任意一种或两种以上的组合；

对所述疏水改性芳纶纳米凝胶纤维进行干燥处理，获得原位疏水改性芳纶纳米气凝胶纤维。

在一些实施例中，所述卤代试剂与第一有机溶剂的体积比为20:1～1:20。

本发明实施例还提供了由前述方法制备的原位疏水改性芳纶纳米气凝胶纤维，它具有连通的三维多孔网络结构，所述三维多孔网络结构由接枝改性的芳纶纳米结构搭接而成，所述芳纶纳米结构的尺寸为8nm～300nm。

进一步地，所述原位疏水改性芳纶纳米气凝胶纤维的热导率低于50mW/(m·K)。