一種多孔結(jié)構(gòu)靜電紡絲納米纖維的制備方法
【專(zhuān)利摘要】一種多孔結(jié)構(gòu)靜電紡絲納米纖維的制備方法，屬于納米纖維的制備【技術(shù)領(lǐng)域】。先將聚合物溶解在有機(jī)溶劑中，然后加入無(wú)機(jī)納米粒子，超聲分散制得靜電紡絲溶液；再將靜電紡絲溶液在靜電紡絲儀上進(jìn)行紡絲，即得納米粒子和聚合物的復(fù)合納米纖維；最后將納米粒子和聚合物的復(fù)合納米纖維浸泡在造孔液中去除納米粒子后干燥，得多孔結(jié)構(gòu)靜電紡絲納米纖維。所獲得的多孔納米纖維，相比較普通電紡纖維，擁有更大的比表面積和活性位點(diǎn)，可以提高其負(fù)載和吸附能力，有望在物質(zhì)的分離與富集、催化劑載體、醫(yī)用生物材料、離子吸附、廢水處理等技術(shù)上有所應(yīng)用。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種多孔結(jié)構(gòu)靜電紡絲納米纖維的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于納米纖維的制備【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]靜電紡絲技術(shù)就是較高粘度的非牛頓流體在高壓電場(chǎng)下，經(jīng)過(guò)細(xì)小的孔徑，噴射形成聚合物微小射流，最終固化成纖維的一種紡絲技術(shù)。
[0003]通過(guò)靜電紡絲技術(shù)制備納米纖維材料是近十幾年來(lái)世界材料科學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】的最重要的學(xué)術(shù)與技術(shù)活動(dòng)之一。靜電紡絲并以其制造裝置簡(jiǎn)單、紡絲成本低廉、可紡物質(zhì)種類(lèi)繁多、工藝可控等優(yōu)點(diǎn)，已成為有效制備納米纖維材料的主要途徑之一。靜電紡絲技術(shù)已經(jīng)制備了種類(lèi)豐富的納米纖維，包括有機(jī)、有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合和無(wú)機(jī)納米纖維。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，靜電紡絲作為一種簡(jiǎn)便有效的可生產(chǎn)納米纖維的新型加工技術(shù)，將在生物醫(yī)用材料、過(guò)濾及防護(hù)、催化、能源、光電、食品工程、化妝品等領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用。然而，利用靜電紡絲技術(shù)制備納米纖維還面臨一些需要解決的問(wèn)題。如何制備出適合需要的、高性能、多功能的納米纖維是研究的關(guān)鍵。
[0004]通常靜電紡絲所紡出的納米纖維為實(shí)心結(jié)構(gòu)，大量的聚合物或功能性基團(tuán)處于纖維的內(nèi)部，對(duì)聚合物材料是一種浪費(fèi)。此外,納米纖維的性能主要取決于其活性位點(diǎn)數(shù)和比表面積，而多孔結(jié)構(gòu)的納米纖維可以有效的提高纖維的活性位點(diǎn)數(shù)和比表面積。擁有更大的比表面積和活性位點(diǎn)的多孔納米纖維，可以提高其負(fù)載和吸附能力，有望在物質(zhì)的分離與富集、催化劑載體、醫(yī)用生物材料、離子吸附、廢水處理等技術(shù)上有所應(yīng)用。因此，多孔結(jié)構(gòu)的納米纖維的制備，不但具有較強(qiáng)的理論研究?jī)r(jià)值，而且也具有較好的潛在應(yīng)用價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提出一種多孔結(jié)構(gòu)靜電紡絲納米纖維的制備方法。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
D先將聚合物溶解在有機(jī)溶劑中，然后加入無(wú)機(jī)納米粒子，超聲分散制得靜電紡絲溶
液；
2)將靜電紡絲溶液在靜電紡絲儀上進(jìn)行紡絲，即得納米粒子和聚合物的復(fù)合納米纖
維；
3)將納米粒子和聚合物的復(fù)合納米纖維浸泡在造孔液中去除納米粒子后，取出，經(jīng)干燥，得多孔結(jié)構(gòu)靜電紡絲納米纖維。
[0007]本發(fā)明以聚合物為靜電紡絲基材，以無(wú)機(jī)納米粒子為填充劑或制孔劑，采用的溶劑自身具有一定的揮發(fā)性，不與無(wú)機(jī)納米粒子反應(yīng)。所獲得的多孔納米纖維，相比較普通電紡纖維，擁有更大的比表面積和活性位點(diǎn)，可以提高其負(fù)載和吸附能力，有望在物質(zhì)的分離與富集、催化劑載體、醫(yī)用生物材料、離子吸附、廢水處理等技術(shù)上有所應(yīng)用。
[0008]該方法制備的多孔納米纖維直徑均一，纖維表面的孔徑大小可以通過(guò)所摻雜的納米粒子的大小來(lái)調(diào)節(jié)，孔徑分布可以通過(guò)納米粒子的摻雜量來(lái)調(diào)節(jié)。該方法工藝簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，制備條件易控，易于工業(yè)化生產(chǎn)。
[0009]另外，本發(fā)明所述聚合物為聚丙烯腈、聚苯乙烯或聚乳酸中的任意一種。即凡是可以進(jìn)行靜電紡絲的聚合物，均可選擇。
[0010]所述無(wú)機(jī)納米粒子為Fe203、CuO或SiO2中的任意一種。
[0011]所述無(wú)機(jī)納米粒子與聚合物的投料質(zhì)量比為I?20: 100。
[0012]如無(wú)機(jī)納米粒子與聚合物的投料質(zhì)量比低于1: 100時(shí)，造孔劑含量過(guò)低，也不能獲得多孔納米纖維。
[0013]如無(wú)機(jī)納米粒子與聚合物的投料質(zhì)量比高于20: 100時(shí)，無(wú)機(jī)納米粒子含量過(guò)高，可能不能通過(guò)靜電紡絲技術(shù)獲得納米纖維。即使獲得纖維，經(jīng)造孔液腐蝕后的納米纖維，聚合物含量下降，納米纖維機(jī)械強(qiáng)度下降，影響后續(xù)應(yīng)用。
[0014]所述造孔液為HCl水溶液、H2SO4水溶液、HF水溶液或NaOH水溶液。
[0015]例如:以Fe2O3為制孔劑，可以選用鹽酸為造孔液；以SiO2S制孔劑，可以選用氫氟酸為造孔液。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1為實(shí)施例一所采用的原料Fe2O3納米粒子的透射電鏡圖。
[0017]圖2為沒(méi)有摻雜的PAN納米纖維的掃描電鏡照片。
[0018]圖3為實(shí)施例一摻雜Fe2O3納米粒子后的纖維的透射電鏡照片。
[0019]圖4為實(shí)施例一摻雜Fe2O3納米粒子后的纖維的掃描電鏡的照片。
[0020]圖5為以Fe2O3制孔劑，本發(fā)明最終產(chǎn)品的多孔納米纖維的透射電鏡圖片。
[0021]圖6為以Fe2O3制孔劑，本發(fā)明最終產(chǎn)品的多孔納米纖維的掃描電鏡的圖片。
[0022]圖7為實(shí)施例二所采用的原料SiO2納米粒子的透射電鏡圖。
[0023]圖8為本發(fā)明實(shí)施例二摻雜SiO2納米粒子后的纖維的掃描電鏡的照片。
[0024]圖9是以SiO2為制孔劑，本發(fā)明最終產(chǎn)品的多孔納米纖維的透射電鏡圖片。
[0025]圖10是以SiO2為制孔劑，本發(fā)明最終產(chǎn)品的多孔納米纖維的掃描電鏡的圖片。
【具體實(shí)施方式】
[0026]例一:
1、稱取2 g聚丙烯腈于50 ml潔凈的錐形瓶中，加入20 ml N，N-二甲基甲酰胺混合均勻并充分溶解作為母液。再依次稱取不同質(zhì)量的直徑在50nm左右的Fe2O3納米粒子，F(xiàn)e2O3納米粒子與聚丙烯腈的質(zhì)量比為I?20:100，超聲溶解均勻后密封備用。
[0027]圖1為采用的Fe2O3納米粒子，直徑在50nm左右。
[0028]2、電紡絲條件:針頭內(nèi)徑，0.2?I mm ;針頭到接收板的間距，10?20 cm;電壓，15?20 kV ;溶液流量，0.5?2 ml/h ;電紡時(shí)間，10?30 min。
[0029]圖3、4為本例摻雜Fe2O3納米粒子后的纖維的透射電鏡和掃描電鏡的照片，從圖3、4上可以清晰的看到Fe2O3納米粒子覆蓋在纖維的表面。
[0030]3、復(fù)合納米纖維在稀鹽酸水溶液中(濃度5%?20%)浸泡5?24小時(shí)，除去摻雜到納米纖維中的Fe2O3納米粒子，獲得多孔納米纖維。
[0031]從圖5、6可以觀察到經(jīng)過(guò)鹽酸處理后，F(xiàn)e2O3納米粒子已經(jīng)被完全腐蝕、消失，纖維表面留下了小孔，形成了多孔納米纖維。
[0032]例二:
1、稱取2 g聚乳酸于50 ml潔凈的錐形瓶中，加入30 ml氯仿混合均勻并充分溶解作為母液。再依次稱取不同質(zhì)量的直徑在40nm左右的SiO2納米粒子，SiO2納米粒子與聚丙烯腈的質(zhì)量比為I?20:100，超聲溶解均勻后密封備用。
[0033]如圖7所示，采用的SiO2納米粒子直徑在40nm左右。
[0034]2、電紡絲條件:針頭內(nèi)徑，0.2?I mm ;針頭到接收板的間距，10?20 cm;電壓，15?20 kV ;溶液流量，0.5?2 ml/h ;電紡時(shí)間，15?30 min。
[0035]圖8為本例摻雜SiO2納米粒子后的纖維的掃描電鏡的照片，從圖3、4上可以清晰的看到SiO2納米粒子覆蓋在纖維的表面。
[0036]3、復(fù)合納米纖維在稀氫氟酸水溶液中(濃度5%?15%)浸泡5?24小時(shí)，除去摻雜到納米纖維中的SiO2納米粒子，獲得多孔納米纖維。
[0037]從圖9、10可以觀察到經(jīng)過(guò)HF處理后，SiO2納米粒子已經(jīng)被完全腐蝕、消失，纖維表面留下了小孔，形成了多孔納米纖維。
[0038]例三:
1、稱取2 g聚丙烯腈于50 ml潔凈的錐形瓶中，加入20 ml N，N-二甲基甲酰胺混合均勻并充分溶解作為母液。再依次稱取不同質(zhì)量的直徑在40nm左右的SiO2納米粒子，SiO2納米粒子與聚丙烯腈的質(zhì)量比為I?20:100，超聲溶解均勻后密封備用。
[0039]2、電紡絲條件:針頭內(nèi)徑，0.2?I mm ;針頭到接收板的間距，10?20 cm ;電壓，15?20 kV ;溶液流量，0.5?2 ml/h ;電紡時(shí)間，15?30 min。
[0040]3、復(fù)合納米纖維在濃NaOH溶液中(濃度20%?60%)浸泡12?24小時(shí)，除去摻雜到納米纖維中的SiO2納米粒子，獲得多孔納米纖維。
[0041]例四:
1、稱取2 g聚苯乙烯于50 ml潔凈的錐形瓶中，加入30 ml氯仿混合均勻并充分溶解作為母液。再依次稱取不同質(zhì)量的直徑在20nm左右的CuO納米粒子，CuO納米粒子與聚苯乙烯的質(zhì)量比為I?20:100，超聲溶解均勻后密封備用。
[0042]2、電紡絲條件:針頭內(nèi)徑，0.2?I mm ;針頭到接收板的間距，10?20 cm;電壓，15?20 kV ;溶液流量，0.5?2 ml/h ;電紡時(shí)間，15?30 min。
[0043]3、復(fù)合納米纖維在稀硫酸水溶液中(濃度5%?20%)浸泡5?24小時(shí)，除去摻雜到納米纖維中的CuO納米粒子，獲得多孔納米纖維。
[0044]對(duì)比實(shí)例:
1、稱取2 g聚丙烯腈于50 ml潔凈的錐形瓶中，加入20 ml N，N-二甲基甲酰胺混合均勻并充分溶解作為母液。將母液超聲溶解均勻后密封備用。
[0045]2、電紡絲條件:針頭內(nèi)徑,0.2?I mm ;針頭到接收板的間距，10?20 cm;電壓，15?20 kV ;溶液流量，0.5?2 ml/h ;電紡時(shí)間，10?30 min。
[0046]3、復(fù)合納米纖維在稀鹽酸水溶液中(濃度5%?20%)浸泡5?24小時(shí)，獲得PAN納米纖維。
[0047]從圖2可見(jiàn)，沒(méi)有摻雜的PAN納米纖維，表面光滑，纖維直徑均一。
【權(quán)利要求】
1.一種多孔結(jié)構(gòu)靜電紡絲納米纖維的制備方法，其特征在于包括以下步驟: 1)先將聚合物溶解在有機(jī)溶劑中，然后加入無(wú)機(jī)納米粒子，超聲分散制得靜電紡絲溶液； 2)將靜電紡絲溶液在靜電紡絲儀上進(jìn)行紡絲，即得納米粒子和聚合物的復(fù)合納米纖維； 3)將納米粒子和聚合物的復(fù)合納米纖維浸泡在造孔液中去除納米粒子后，取出，經(jīng)干燥，得多孔結(jié)構(gòu)靜電紡絲納米纖維。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述聚合物為聚丙烯腈、聚苯乙烯或聚乳酸中的任意一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述無(wú)機(jī)納米粒子為Fe2O3XuO或SiO2中的任意一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的制備方法，其特征在于所述無(wú)機(jī)納米粒子與聚合物的投料質(zhì)量比為I?20: 100。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述造孔液為HCl水溶液、H2SO4水溶液、HF水溶液或NaOH水溶液。
【文檔編號(hào)】D01F11/06GK103590132SQ201310600984
【公開(kāi)日】2014年2月19日 申請(qǐng)日期:2013年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月25日
【發(fā)明者】陳銘, 刁國(guó)旺, 査斌彬, 張旺, 李偉, 任文吉 申請(qǐng)人:揚(yáng)州大學(xué)