[發明專利]表面活性劑溶液環流同軸電紡制備聚丙烯腈納米纖維的方法

有效

• 申請號: 201110350917.0
• 申請日: 2011-11-08
• 公開（公告）號: CN102517670A
• 公開（公告）日: 2012-06-27
• 發明（設計）人: 余燈廣;王霞;楊俊和;楊光智;廖耀祖;白冠寧
• 申請（專利權）人: 上海理工大學
• 主分類號: D01F6/18
• 分類號: D01F6/18;D01F1/00;D01D5/00
• 代理公司: 上海東創專利代理事務所(普通合伙) 31245
• 代理人: 寧芝華

技術領域

本發明涉及一種表面活性劑溶液環流同軸電紡制備高質量聚丙烯腈納米纖維的方法，涉及聚合物超細纖維制備技術領域。

背景技術

聚丙烯腈(PAN)納米纖維在生物醫學、高吸水樹脂、催化劑載體、離子交換樹脂、污染控制、抗菌消臭、固體高聚物、電解質及過濾與分離等方面有著廣泛的應用。并且以聚丙烯腈PAN原絲為原料，經氧化穩定化、碳化、石墨化和后可以制得PAN基碳纖維。因其含碳量在90％以上且具有類似微晶化的多環芳香族的結構特征，使它成為一種耐熱性好、質量輕、抗拉強度高和楊氏模量高的高性能纖維，但是碳纖維性能主要決定于PAN原絲品質的高低。目前文獻上普遍采用高壓靜電紡絲技術制備PAN納米纖維。

高壓靜電紡絲技術是一種自上而下(top-down)的納米制造技術，通過外加電場力克服噴頭尖端液滴的液體表面張力和粘彈力而形成射流，在靜電斥力、庫侖力和表面張力共同作用下，被霧化后的液體射流被高頻彎曲、拉延、分裂，在幾十毫秒內被牽伸千萬倍，經溶劑揮發或熔體冷卻在接收端得到納米級纖維。該技術工藝過程簡單、操控方便、選擇材料范圍廣泛、可控性強、并且可以通過噴頭設計制備具有微觀結構特征的納米纖維，被認為是最有可能實現連續納米纖維工業化生產的一種方法，應用該技術制備功能納米纖維具有良好的前景。

但是到目前為止，幾乎所有的文獻報道的紡工藝都是在大氣環境下進行納米纖維制備。由于聚合物紡絲液的溶劑在大氣中的快速揮發，常常造成紡絲頭堵塞，中斷紡絲過程、并影響聚合物納米纖維的質量。對于該問題的解決，已有文獻和專利報道采用溶劑環流方法。通過高彈性硅膠管導流有機溶劑對紡絲頭進行環流【(1)DG?Yu，C?Branford-White，NP?Chatterton，K?White，LM?Zhu，XX?Shen，W?Nie.Electrospinning?of?concentrated?polymer?solutions.Macromolecules，2010，43(24)：10743-10746.(2)朱利民，余燈廣，黃麗婭.溶劑環流高壓靜電紡絲工藝制備聚合物纖維的方法.專利申請號：2010110800450690】，獲得一定的效果。雖然對于解決紡絲頭堵塞等具有較好的作用，但是由于單純有機溶劑的理化性能方面原因如表面張力較大，因此對于高質量納米纖維的成形依然存在不足。

發明內容

為克服上述缺點，本發明公開了一種表面活性劑溶液環流同軸電紡制備聚丙烯腈納米纖維的方法，首次將表面活性劑溶液對聚丙烯腈紡絲液進行環流電紡，不僅能夠獲得直徑小、分布均勻的納米纖維，而且使得纖維表面更加光滑、纖維直徑分布更加集中的高質量聚丙烯腈納米纖維。

一種表面活性劑溶液環流同軸電紡制備聚丙烯腈納米纖維的方法，采用自組裝同軸紡絲頭進行電紡，其特點是：同軸電紡的外鞘液為表面活性劑溶液。

所述的表面活性劑包括溶解于N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺或二甲亞砜的陽離子、陰離子以及非離子表面活性劑。

表面活性劑濃度為1％～6％。

最佳的表面活性劑濃度為4％。

本發明方法制備工藝簡單，制備出的聚丙烯腈納米纖維不僅直徑小、分布均勻，而且直徑離散度低、纖維表面光滑，有效克服了現有技術存在的紡絲頭易堵塞，中斷紡絲過程、所生產的聚合物納米纖維質量差等弊端。

附圖說明

圖1為表面活性劑溶液環流同軸電紡制備聚丙烯腈納米纖維的裝置的結構示意圖；

圖2為表面活性劑溶液環流同軸電紡絲過程Taylor錐形成圖；

圖3為普通PAN電紡納米纖維氈場掃描電鏡圖；

圖4為普通PAN電紡納米纖維直徑分布圖；

圖5為Triton?X-100的DMF溶液環流PAN同軸電紡納米纖維掃描電鏡圖；

圖6為Triton?X-100的DMF溶液環流PAN同軸電紡納米纖維直徑統計分布圖。

1、芯液軸流注射泵；2、鞘液軸流注射泵；3、金屬導管；4、高彈性硅膠管；5、高壓電源；6、纖維接受平板。

具體實施方式

以下結合附圖和實施例對本發明進行詳細說明。這些實施例僅用于解釋本發明而不是用于限制本發明。凡采用與本發明相同或相似的方法，或做出的等價修改，均應落入本發明保護范圍。

表面活性劑溶液環流同軸電紡制備聚丙烯腈納米纖維的裝置結構如圖1所示，包括：芯液軸流注射泵1；鞘液軸流注射泵2；金屬導管3；高彈性硅膠管4；高壓電源5；纖維接受平板6。