本發(fā)明涉及一種靜電紡絲制備納米纖維的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種電紡納米纖維膜的原位粘結(jié)方法。

背景技術(shù)：

靜電紡絲技術(shù)(電紡)是一種由“自上而下”的納米材料制備技術(shù)，可以單步有效、直接經(jīng)濟地制備納米纖維。常規(guī)電紡納米纖維一般以無定形方式收集，形成各項異性的納米纖維膜。這些纖維膜具有一系列的特點：呈三維網(wǎng)狀立體結(jié)構(gòu)、纖維直徑小、總表面積大以及纖維膜孔隙率高等。這些特點使得電紡納米纖維膜可應(yīng)用于生物醫(yī)藥、分離提純、能源、環(huán)保、催化反應(yīng)等眾多領(lǐng)域。

在電紡納米纖維膜的應(yīng)用中，存在明顯的不足：一般的電紡納米纖維膜的整體力學和機械性能較差，其主要原因是電紡納米纖維膜不同層上的納米纖維容易相對滑動、錯開。為此前人進行了大量的嘗試性研究，文獻報道了對電紡納米纖維膜進行熱處理、化學交聯(lián)后處理、采用γ-射線或紫外線照射進行交聯(lián)后處理。[PeresinMS,VesterinenA-H,HabibiY,et al.J.Appl.Polym.Sci.2014,131,40334.//ZhangJ,DengH,WuB,et al.Mater.Lett.2012,79,222–224.//ChenHB,LiuB,HuangW,et al.ACSAppl.Mater.Interfaces 2014,6,16227-16236.]。但是這些后處理工藝仍然存在很大的局限性：(1)僅適用于某種具有特定官能團的單一聚合物；(2)增加的后處理工藝耗時且成本高；(3)采用的化學或物理后處理工藝涉及一些極端條件(如γ-射線)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了彌補上述不足而進行的，目的在于提供一種電紡納米纖維膜的原位粘結(jié)方法。

本發(fā)明提供了一種電紡納米纖維膜的原位粘結(jié)方法，是基于同軸電紡工藝進行的，具有這樣的特征，包括以下步驟：步驟一，將聚丙烯腈加入N，N-二甲基乙酰胺中，充分攪拌得到聚丙烯腈溶液，將聚丙烯腈溶液作為同軸電紡的芯液；步驟二，制備丙酮和N,N-二甲基乙酰胺的混合液，將膠粘劑加入混合液中，充分攪拌得到膠粘劑溶液，將膠粘劑溶液作為同軸電紡的鞘液；步驟三，將芯液和鞘液對應(yīng)加入靜電紡絲裝置中，在外加電壓為18KV、接收距離為20cm條件下，制備得到同軸電紡聚丙烯腈納米纖維膜。

在本發(fā)明提供的一種電紡納米纖維膜的原位粘結(jié)方法中，還可以具有這樣的特征：其中，在鞘液中，丙酮和N,N-二甲基乙酰胺的體積比為7:3。

在本發(fā)明提供的一種電紡納米纖維膜的原位粘結(jié)方法中，還可以具有這樣的特征：其中，膠粘劑為α-氰基丙烯酸乙酯膠粘劑、環(huán)氧樹脂膠粘劑、改性酚醛膠粘劑和聚氨酯膠粘劑中的任意一種。

在本發(fā)明提供的一種電紡納米纖維膜的原位粘結(jié)方法中，還可以具有這樣的特征：其中，膠粘劑在膠粘劑溶液中的質(zhì)量分數(shù)為5％～10％。

在本發(fā)明提供的一種電紡納米纖維膜的原位粘結(jié)方法中，還可以具有這樣的特征：其中，鞘液與芯液的流量比為(0.2～0.5)：2。

發(fā)明的作用與效果

本發(fā)明所涉及的一種電紡納米纖維膜的原位粘結(jié)方法，因為同軸電紡的鞘液為膠粘劑溶液，所以本發(fā)明在聚丙烯腈納米纖維膜的電紡制備過程中，使得聚丙烯腈納米纖維在原位進行表面的直接粘結(jié)，形成結(jié)構(gòu)完整、具有良好機械性能和力學性能的聚丙烯腈納米纖維膜產(chǎn)品且無需后處理。本發(fā)明的方法簡單實用，也適用于其他種類的聚合物纖維的制備，且易于進行工業(yè)化的擴大生產(chǎn)。

附圖說明

圖1是靜電紡絲裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的實施一中制備PAN納米纖維膜過程中的拍攝圖；

圖3是本發(fā)明的實施例一制備的PAN納米纖維膜的掃描電鏡圖；

圖4是本發(fā)明的實施例二制備的PAN納米纖維膜的掃描電鏡圖；

圖5是本發(fā)明的對照實驗中制備的PAN納米纖維膜的掃描電鏡圖；

圖6是本發(fā)明的實施例二和對照實驗制備的PAN納米纖維膜的標準載荷-標稱應(yīng)變圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，以下實施例結(jié)合附圖對本發(fā)明一種電紡納米纖維膜的原位粘結(jié)方法作具體闡述。

圖1是靜電紡絲裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖1所示，靜電紡絲裝置包括：高壓靜電發(fā)生器1、鞘液軸流注射泵2、芯液軸流注射泵3、纖維膜接收板4、同軸紡絲頭5、金屬導(dǎo)管6、高彈性軟膠管7。鞘液軸流注射泵2和芯液軸流注射泵3上分別安裝有注射器，金屬導(dǎo)管6連接鞘液軸流注射泵2上的注射器，高彈性軟膠管7連接芯液軸流注射泵3上的注射器。鞘芯流速可通過鞘液軸流注射泵2和芯液軸流注射泵3調(diào)控。高壓靜電發(fā)生器1與同軸紡絲頭5通過導(dǎo)線以鱷魚鉗相連。纖維膜接收板4為鋁箔包裹的紙板，用于接收所制備的納米纖維膜。

<實施例一>

步驟1：將15.0g的PAN粉末加入85.0g N，N-二甲基乙酰胺之中，在80℃條件下攪拌24小時后，得到PAN質(zhì)量分數(shù)為15％的均勻的黃褐色PAN溶液。

步驟2：將丙酮與N,N-二甲基乙酰胺體按照積比為7:3混合得到混合液，取93.0g混合液，將7.0g市售膠粘劑502(主要成分為α-氰基丙烯酸乙酯)加93.0g混合液中，在21℃條件下攪拌，形成得到膠粘劑質(zhì)量分數(shù)為7％的膠粘劑溶液。

步驟3：環(huán)境溫度20℃，相對濕度RH為65％。在如圖1所示的裝置中，將步驟1所得的PAN溶液加入芯液軸流注射泵3上的注射器，將步驟2所得的膠粘劑溶液加入鞘液軸流注射泵2上的注射器，同時開啟鞘液軸流注射泵2和芯液軸流注射泵3，鞘液流速為0.2ml/h，芯液流速為2.0ml/h。

步驟4：當有液滴從同軸紡絲頭5流出時，開啟高壓靜電發(fā)生器1，外加電壓為18kv，接收距離為20cm，收集所制備的PAN納米纖維膜。

圖2是本發(fā)明的實施一制備PAN納米纖維膜過程中的拍攝圖。

如圖2所示，采用數(shù)碼相機在放大11倍的情況下觀察到：同軸電紡過程的泰勒錐、直線射流和隨后的高頻拉伸彎曲三個階段明顯。

圖3是本發(fā)明的實施例一制備的PAN納米纖維膜的掃描電鏡圖。

如圖3所示，實施例一制備的PAN納米纖維膜的纖維與纖維之間交叉點的粘結(jié)明顯，直徑較小，且尺寸分布相對均勻。

<實施例二>

步驟1：將15.0g的PAN粉末加入85.0g N，N-二甲基乙酰胺之中，在80℃條件下攪拌24小時后，得到PAN質(zhì)量分數(shù)為15％的均勻的黃褐色PAN溶液。

步驟2：將丙酮與N,N-二甲基乙酰胺體按照積比為7:3混合得到混合液，取93.0g混合液，將7.0g市售膠粘劑502(主要成分為α-氰基丙烯酸乙酯)加93.0g混合液中，在21℃條件下攪拌，形成得到膠粘劑質(zhì)量分數(shù)為7％的膠粘劑溶液。

步驟3：環(huán)境溫度20℃，相對濕度RH為65％。在如圖1所示的裝置中，將步驟1所得的PAN溶液加入芯液軸流注射泵3上的注射器，將步驟2所得的膠粘劑溶液加入鞘液軸流注射泵2上的注射器，同時開啟鞘液軸流注射泵2和芯液軸流注射泵3，鞘液流速為0.5ml/h，芯液流速為2.0ml/h。

步驟4：當有液滴從同軸紡絲頭5流出時，開啟高壓靜電發(fā)生器1，外加電壓為18kv，接收距離為20cm，收集所制備的PAN納米纖維膜。

圖4是本發(fā)明的實施例二制備的PAN納米纖維膜的掃描電鏡圖。

如圖4所示，相較于實施例一制備的PAN納米纖維膜，實施例二制備的PAN納米纖維膜的纖維與纖維之間交叉點之間的的粘結(jié)更加明顯，并且出現(xiàn)一些由粘結(jié)劑形成的團塊現(xiàn)象，纖維直徑更小，而尺寸分布相對更加均勻。

<對照實驗>

步驟1：將15.0g的PAN粉末加入85.0g N，N-二甲基乙酰胺之中，在80℃條件下攪拌24小時后，得到PAN質(zhì)量分數(shù)為15％的均勻的黃褐色PAN溶液。

步驟2：將丙酮與N,N-二甲基乙酰胺體按照積比為7:3混合得到混合液，取93g混合液中，在21℃條件下攪拌。

步驟3：環(huán)境溫度20℃，相對濕度RH為65％。在如圖1所示的裝置中，將步驟1所得的PAN溶液加入芯液軸流注射泵3上的注射器，將步驟2所得的混合液加入鞘液軸流注射泵2上的注射器，同時開啟鞘液軸流注射泵2和芯液軸流注射泵3，鞘液流速為0.5ml/h，芯液流速為2.0ml/h。

步驟4：當有液滴從同軸紡絲頭5流出時，開啟高壓靜電發(fā)生器1，外加電壓為18kv，接收距離為20cm，收集所制備的PAN納米纖維膜。

圖5是本發(fā)明的對照實驗中制備的PAN納米纖維膜的掃描電鏡圖。

如圖5所示，對照實驗制備的PAN納米纖維直徑分布比較寬散，纖維與纖維之間沒有連接，保持松散的接觸形式。

<實施例三>

步驟1：將15.0g的PAN粉末加入85.0g N，N-二甲基乙酰胺之中，在80℃條件下攪拌24小時后，得到PAN質(zhì)量分數(shù)為15％的均勻的黃褐色PAN溶液。

步驟2：將丙酮與N,N-二甲基乙酰胺體按照積比為7:3混合得到混合液，取95.0g混合液，將5.0g市售膠粘劑502(主要成分為α-氰基丙烯酸乙酯)加95.0g混合液中，在21℃條件下攪拌，形成得到膠粘劑質(zhì)量分數(shù)為5％的膠粘劑溶液。

步驟3：環(huán)境溫度20℃，相對濕度RH為65％。在如圖1所示的裝置中，將步驟1所得的PAN溶液加入芯液軸流注射泵3上的注射器，將步驟2所得的膠粘劑溶液加入鞘液軸流注射泵2上的注射器，同時開啟鞘液軸流注射泵2和芯液軸流注射泵3，鞘液流速為0.3ml/h，芯液流速為2.0ml/h。

步驟4：當有液滴從同軸紡絲頭5流出時，開啟高壓靜電發(fā)生器1，外加電壓為18kv，接收距離為20cm，收集所制備的PAN納米纖維膜。

<實施例四>

步驟1：將15.0g的PAN粉末加入85.0g N，N-二甲基乙酰胺之中，在80℃條件下攪拌24小時后，得到PAN質(zhì)量分數(shù)為15％的均勻的黃褐色PAN溶液。

步驟2：將丙酮與N,N-二甲基乙酰胺體按照積比為7:3混合得到混合液，取90.0g混合液，將10.0g市售膠粘劑502(主要成分為α-氰基丙烯酸乙酯)加90.0g混合液中，在21℃條件下攪拌，形成得到膠粘劑質(zhì)量分數(shù)為10％的膠粘劑溶液。

步驟3：環(huán)境溫度20℃，相對濕度RH為65％。在如圖1所示的裝置中，將步驟1所得的PAN溶液加入芯液軸流注射泵3上的注射器，將步驟2所得的膠粘劑溶液加入鞘液軸流注射泵2上的注射器，同時開啟鞘液軸流注射泵2和芯液軸流注射泵3，鞘液流速為0.4ml/h，芯液流速為2.0ml/h。

步驟4：當有液滴從同軸紡絲頭5流出時，開啟高壓靜電發(fā)生器1，外加電壓為18kv，接收距離為20cm，收集所制備的PAN納米纖維膜。

<性能測試實驗>

采用上述實施例二和對照實驗制備的PAN納米纖維膜進行力學與機械性能測試。

圖6是本發(fā)明的實施例二和對照實驗制備的PAN納米纖維膜的標準載荷-標稱應(yīng)變圖。

如圖6所示，曲線1表示實施例二制備的PAN納米纖維膜，曲線2實施例1中表示對照實驗制備的PAN納米纖維膜。從圖6中看出，施加等量的標準載荷下，在達到極限值之前，曲線1比曲線2的標稱應(yīng)變更小，而且曲線1比曲線2的所能承受的標準載荷的極限值更大，說明實施例二制備的PAN納米纖維膜比對照實驗制備的PAN納米纖維膜具有更好的延伸性以及更好的抗拉斷性能。由此可知，采用本發(fā)明所涉及的一種電紡納米纖維膜的原位粘結(jié)方法制備的PAN納米纖維膜具有更好的力學性能和機械性能。

實施例的作用與效果

根據(jù)本實施例所涉及的一種電紡納米纖維膜的原位粘結(jié)方法，因為同軸電紡的鞘液為膠粘劑溶液，所以本實施例在聚丙烯腈納米纖維膜的電紡制備過程中，使的內(nèi)芯聚丙烯腈納米纖維在原位進行表面的直接粘結(jié)，從而形成結(jié)構(gòu)完整、具有良好機械性能和力學性能的聚丙烯腈納米纖維膜產(chǎn)品且無需后處理。本實施例的方法簡單實用，也適用于其他種類的聚合物纖維的制備，且易于進行工業(yè)化的擴大生產(chǎn)。

上述實施方式為本發(fā)明的優(yōu)選案例，并不用來限制本發(fā)明的保護范圍。