[發明專利]一種粉末組裝的復合微納纖維及其制備方法

有效

• 申請號: 202210904220.1
• 申請日: 2022-07-29
• 公開（公告）號: CN115262011B
• 公開（公告）日: 2023-06-23
• 發明（設計）人: 王漢偉;孫慶豐;王超;李瑩瑩
• 申請（專利權）人: 浙江農林大學
• 主分類號: D01F2/00
• 分類號: D01F2/00;D01F1/10
• 代理公司: 南京源點知識產權代理有限公司 32545
• 代理人: 陳彩霞;王佳妹

本發明提供一種粉末組裝的復合微納纖維及其制備方法，所述制備方法包括以下步驟：(1)將纖維素原料制成二維纖維素；(2)將二維纖維素和粉末材料分散在溶劑中形成混合懸浮液；和(3)將所述混合懸浮液冷凍干燥得到所述粉末組裝的復合微納纖維，其中，在所述冷凍干燥的冷凍過程中控制所述混合懸浮液在垂直方向的兩端溫度差為10～100℃。本發明構建了從初級顆粒到宏觀應用的全新無損加工路徑，為基礎研究和技術應用提供了豐富的材料平臺和無限的可能性。該技術將在能源、醫用材料、環境、保護、催化、光電、食品工程、日用品等廣闊領域發揮巨大的作用。

技術領域

本發明屬于微納米纖維制備技術領域，具體涉及將粉末材料轉化為復合微納纖維的方法和由該方法制備的微納纖維。

背景技術

寫于背景技術下的內容僅為提供有益理解本申請的技術方案的背景信息，不當然構成評價本發明是否具備創造性的現有技術。當前工業條件下生產獲得的第一手材料以粉體形式占絕對主導地位。然而，在粉體材料的使用過程中，由于團聚、缺乏結構力學性能等問題而不得不將其制成塊材、膜材或依附于力學結構體使用。與此同時，各式各樣的粉體材料在成型過程中通常難以保持其精密結構、多樣化特性以及納米尺度優勢，導致型材性能劣化。如果能將粉體預制成纖維，既在微觀尺度上保持一次材料的性能，又在宏觀尺度上在塊材和膜材的成型方向上預留了成型空間，因為它在長度方向上具有長程連續的力學結構，在內部和寬度上維持了納米尺度上的優勢和良好的分散性。

常用的制備方法如氣相或液相生長法、模板法和自組裝法等已被開發用于合成具有各種結構、形貌和尺寸的一維微納米材料。然而，大部分情況下制備的纖維材料由于其長徑比不足，通常以粉末形式存在，同時極少具有復雜的纖維內次級結構與不同組分功能單元協同，并且對合成設備、反應條件和廢棄物處理能力有著較高的需求。

化學蒸汽滲透/沉積法是在特定條件下，例如高溫或特殊氣氛下，前驅物蒸汽在晶種表面逐漸反應和沉積生長形成纖維狀材料，所形成的纖維結構均一且不具備二級微納結構，參照圖1。液相生長法是指單晶從液固平衡系統中生長，所生長出來的纖維多為單晶，大多適用于單質或氧化物晶體，參照圖2。模板法合成纖維是通過物理或化學的方法將相關材料沉積到模板的孔中或表面而后移去模板、或使用模板自身的特性，得到具有模板規范形貌與尺寸的纖維材料，參照圖3。自組裝法是將特定或預處理過的前驅體基元，通過化學或是物理的方法組裝成纖維的方法，所使用的前驅體基元通常需要對磁、電、光、熱等外加條件有一定的響應性，參照圖4。通過對實驗精密的設計和調控以及對設備使用條件的匹配，這些技術都能夠很好的制備出特定種類的纖維。

然而，這些合成技術普遍要求以犧牲前驅體的結構和性能為代價，借助復雜、昂貴的化學品和設備來獲得纖維制品。這些方法所合成的纖維通常結構和種類單一，如需獲得特定的二次微納結構，則需要額外附加大量的改性和加工工藝來制造相應的結構和功能纖維，因此無法作為粉末材料的通用成型技術。

另外，紡絲、擠出共混和三維打印是制造聚合物基質纖維最廣泛使用的技術，它們可以輕易地將微納米客體材料附加到纖維內部以獲得多種組分、尺寸、形貌的納米有機、無機或有機/無機雜化微納米纖維結構材料。紡絲包括濕法紡絲和靜電紡絲，都是以聚合物基質為骨架制備的微納米纖維。濕法紡絲獲得的纖維大多為數十個到數百微米粗細，無法獲得納米級或亞微米級纖維，參照圖5。靜電紡絲所獲纖維在納米尺寸到微米尺寸，獲得的最終纖維材料大多互相黏連，參照圖6。擠出共混是指兩種或兩種以上聚合物經混合制成宏觀均勻材料的過程各組分間主要是物理結合，也是制備纖維的一種漸變的方法，所獲得的纖維粗細大多在微米尺寸以上，參照圖7。三維打印是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術，這種技術所獲得的纖維粗細大多為數十個微米以上，參照圖8。