一种三支化表面形貌的层级纤维膜及其制备方法和应用与流程

[0001]
本发明属于静电纺丝微纳米纤维领域，尤其涉及一种三支化表面形貌的层级纤维膜及其制备方法和应用。


背景技术：

[0002]
高分子材料由于其来源广泛，绿色环保的特点得到了飞速发展。高分子材料都有着较大的分子量，种类繁多，性能各不相同，可以满足不同场合的需要，如何得到高分子材料的微纳米纤维成为了科学家关注的重点。
[0003]
静电纺丝技术为简单且高效地制备微层级纤维膜提供了一种有效途径。典型的静电纺丝装置由高压电源，推进器和接收装置组成。其中，推进器将溶液以一定速度推出，高压电源产生电场力并作用于带电液滴上，带电液滴在电场力和表面张力等相互作用下形成taylor锥，随后被拉伸成纤维落于接收器上形成无纺布状的层级纤维膜。
[0004]
作为生命之本的水资源正以惊人的速度减少。为了改变这种状况，人们开发了一些技术，从可利用的自然资源中回收淡水，如雨水收集、海水淡化等。除了现有的水资源外，雾也是一种潜在的水源，收集雾气能使包括人类在内的许多物种有更高的生存机会。经过数百万年的自然选择和物种竞争，许多生物进化出独特的结构来帮助它们收集雾。例如，沙漠甲虫通过在背部使用微米大小的亲水/疏水纹理从雾中收集水。从空气中可以捕捉到蜘蛛丝上的水分。仙人掌刺表面的沟槽赋予了抗旱植物优良的集雾和输水能力。这些有趣的结构-功能关系启发了研究人员生产具有雾收集能力的膜。其中，微米级的亲水/疏水交替织构对雾的收集起着重要作用。为了获得这种微观结构，静电纺丝是一个理想的选择。
[0005]
因此，目前亟待寻找一种利用静电纺丝制得的微观结构，以应用于水雾收集领域中。


技术实现要素：

[0006]
本发明实施例的目的在于提供一种三支化表面形貌的层级纤维膜的制备方法，旨在解决背景技术中提出的问题。
[0007]
本发明实施例是这样实现的，一种三支化表面形貌的层级纤维膜的制备方法，其包括以下步骤：将两种不同的高分子材料分别置于不同或相同的溶剂中进行搅拌溶解，或者分别加热至熔融状态，以得到两种纺丝前驱液；用滚筒作为接收装置，对其中一种纺丝前驱液进行静电纺丝，得到第一纤维膜；将第一纤维膜剪成方形后，再作为接收装置，对另一种纺丝前驱液进行静电纺丝，得到所述层级纤维膜。
[0008]
作为本发明实施例的一个优选方案，所述溶剂独立地为水、乙醇、丙酮、氯仿、甲苯、二甲苯、甲乙酮、多聚甲醛、二甲基亚砜、四氢化二氟、二甲基酰胺、氯化锂、二甲基乙酰胺、氢氧化钠、尿素、离子液体、1-丁基-3-甲基咪唑氯盐、氨基化合物盐、硫氰酸钾、硫氰酸
钠、硫氰酸锂中的一种或几种。
[0009]
作为本发明实施例的另一个优选方案，所述高分子材料独立地为聚乳酸、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯、聚砜、聚苯乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯酸、聚乙烯醇缩丁醛、聚芳酯、聚丙烯酸丁酯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯、纤维素及其衍生物、透明质酸、海藻酸钠、明胶、壳聚糖、甲壳素、木质素中的一种或几种。
[0010]
作为本发明实施例的另一个优选方案，两种不同的高分子材料分别为聚乳酸和聚乙烯醇；所述层级纤维膜的制备方法具体包括以下步骤：将聚乳酸与氯仿和丙酮的共溶剂进行混合均匀，得到聚乳酸纺丝前驱液；将聚乙烯醇与去离子水置于85~95℃的温度下进行混合均匀，得到聚乙烯醇纺丝前驱液；用滚筒作为接收装置，对聚乳酸纺丝前驱液进行静电纺丝，得到第一纤维膜；将第一纤维膜剪成方形后，再作为接收装置，对聚乙烯醇纺丝前驱液进行静电纺丝，得到所述层级纤维膜。
[0011]
作为本发明实施例的另一个优选方案，聚乳酸与氯仿和丙酮的共溶剂的质量比为(1~12):(88~99)；聚乙烯醇与去离子水的质量比为(1~12):(88~99)。
[0012]
作为本发明实施例的另一个优选方案，所述氯仿和丙酮的共溶剂中，氯仿和丙酮的体积比为(2~4):1。
[0013]
作为本发明实施例的另一个优选方案，所述步骤中，在静电纺丝时，滚筒的转速为800~2000rpm。
[0014]
本发明实施例的另一目的在于提供一种上述制备方法制得的三支化表面形貌的层级纤维膜。
[0015]
作为本发明实施例的另一个优选方案，所述层级纤维膜的形貌为“菱角状”的三支化结构。
[0016]
本发明实施例的另一目的在于提供一种上述的层级纤维膜在收集气雾中的应用。
[0017]
在我们的工作中，我们希望遵循自然界观察到的原理设计，用于物理搭建有效的疏水/亲水表面，而不进行任何化学修饰。
[0018]
本发明实施例提供的一种三支化表面形貌的层级纤维膜的制备方法，受自然界物种对水收集的启发，利用静电纺丝技术制得了一种具有亲水/疏水杂化表面的复合膜，不进行任何化学修饰，其表层为菱角状的亲水性高分子材料，下层为取向疏水性高分子材料；通过调控电纺前驱液的浓度及选择低挥发性的溶剂，能够延长液滴在重力方向的流动时间，制备得到“菱角状”的微粒。在雾收集过程中，菱角状颗粒的锐角可以更快地凝结水滴，定向聚乳酸可以输送收集到的水。利用两个区域的协同作用，表面可实现集水，集水效率高达45mg
·
cm-2
·
h-1
。这种功能性复合膜的研发可以为解决全球缺水问题提供新思路。
附图说明
[0019]
图1为本发明实施例提供的一种三支化表面形貌的层级纤维膜的制备方法的流程示意图。
[0020]
图2为本发明实施例1提供的层级纤维膜的扫描电镜图。
[0021]
图3为本发明实施例2提供的层级纤维膜的扫描电镜图。
[0022]
图4为本发明实施例3提供的层级纤维膜的扫描电镜图。
[0023]
图5为本发明实施例4提供的层级纤维膜的扫描电镜图。
[0024]
图6为本发明实施例5提供的层级纤维膜的扫描电镜图。
[0025]
图7为本发明实施例提供的集雾设备的原理结构图。
[0026]
图8为本发明实施例1~5提供的层级纤维膜的气雾收集效率对比图。
[0027]
图中：1-滚筒、2-平板、3-注射器、4-高压电源、5-喷雾装置、6-集雾装置、7-层级纤维膜。
具体实施方式
[0028]
为下面将结合本发明实施例中，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0029]
实施例1该实施例提供了一种三支化表面形貌的层级纤维膜的制备方法，其包括以下步骤：s1、将8g的聚乳酸（pla）与92g的氯仿和丙酮的共溶剂置于烧杯中，并在磁力搅拌器上搅拌2小时，得到澄清且均匀的聚乳酸纺丝前驱液；其中，氯仿和丙酮的体积比为3:1。
[0030]
s2、将2g的聚乙烯醇（pva）与98g的去离子水置于烧杯中，并在90℃的温度下进行搅拌混合均匀，得到聚乙烯醇纺丝前驱液。
[0031]
s3、如附图1所示，量取2.5ml的上述聚乳酸纺丝前驱液，将聚乳酸纺丝前驱液注入到注射器3中，再将注射器3固定在推进泵上，用滚筒1作为接收装置，调整滚筒的转速为1000rpm，高压电源4正极连接在针头上，负极连接在接收装置上，对聚乳酸纺丝前驱液进行静电纺丝，得到第一纤维膜；其中，该步骤的高压电源4电压为15kv，注射器3与滚筒1的距离为15cm，推进泵的推进速度为0.6ml/h，同时控制环境温度为20℃，湿度为30%。
[0032]
s4、将上述第一纤维膜剪成5
×
5cm2的正方形后，再置于平板2上作为接收装置，接着，量取2.5ml上述的聚乙烯醇纺丝前驱液，将聚乙烯醇纺丝前驱液注入到另一注射器3中，高压电源4正极连接在针头上，负极连接在接收装置上，对聚乙烯醇纺丝前驱液进行静电纺丝，即可得到具有“菱角状”三支化结构的层级纤维膜。其中，该步骤的高压电源4电压为15kv，注射器3与平板2的距离为15cm，推进泵的推进速度为0.2ml/h，同时控制环境温度为20℃，湿度为30%。
[0033]
实施例2该实施例提供了一种三支化表面形貌的层级纤维膜的制备方法，其包括以下步骤：s1、将8g的聚乳酸（pla）与92g的氯仿和丙酮的共溶剂置于烧杯中，并在磁力搅拌器上搅拌2小时，得到澄清且均匀的聚乳酸纺丝前驱液；其中，氯仿和丙酮的体积比为3:1。
[0034]
s2、将3g的聚乙烯醇（pva）与97g的去离子水置于烧杯中，并在90℃的温度下进行搅拌混合均匀，得到聚乙烯醇纺丝前驱液。
[0035]
s3、如附图1所示，量取2.5ml的上述聚乳酸纺丝前驱液，将聚乳酸纺丝前驱液注入到注射器3中，再将注射器3固定在推进泵上，用滚筒1作为接收装置，调整滚筒的转速为
1000rpm，高压电源4正极连接在针头上，负极连接在接收装置上，对聚乳酸纺丝前驱液进行静电纺丝，得到第一纤维膜；其中，该步骤的高压电源4电压为15kv，注射器3与滚筒1的距离为15cm，推进泵的推进速度为0.6ml/h，同时控制环境温度为20℃，湿度为30%。
[0036]
s4、将上述第一纤维膜剪成5
×
5cm2的正方形后，再置于平板2上作为接收装置，接着，量取2.5ml上述的聚乙烯醇纺丝前驱液，将聚乙烯醇纺丝前驱液注入到另一注射器3中，高压电源4正极连接在针头上，负极连接在接收装置上，对聚乙烯醇纺丝前驱液进行静电纺丝，即可得到具有“菱角状”三支化结构的层级纤维膜。其中，该步骤的高压电源4电压为15kv，注射器3与平板2的距离为15cm，推进泵的推进速度为0.4ml/h，同时控制环境温度为20℃，湿度为30%。
[0037]
实施例3该实施例提供了一种三支化表面形貌的层级纤维膜的制备方法，其包括以下步骤：s1、将8g的聚乳酸（pla）与92g的氯仿和丙酮的共溶剂置于烧杯中，并在磁力搅拌器上搅拌2小时，得到澄清且均匀的聚乳酸纺丝前驱液；其中，氯仿和丙酮的体积比为3:1。
[0038]
s2、将5g的聚乙烯醇（pva）与955g的去离子水置于烧杯中，并在90℃的温度下进行搅拌混合均匀，得到聚乙烯醇纺丝前驱液。
[0039]
s3、如附图1所示，量取2.5ml的上述聚乳酸纺丝前驱液，将聚乳酸纺丝前驱液注入到注射器3中，再将注射器3固定在推进泵上，用滚筒1作为接收装置，调整滚筒的转速为1000rpm，高压电源4正极连接在针头上，负极连接在接收装置上，对聚乳酸纺丝前驱液进行静电纺丝，得到第一纤维膜；其中，该步骤的高压电源4电压为15kv，注射器3与滚筒1的距离为15cm，推进泵的推进速度为0.6ml/h，同时控制环境温度为20℃，湿度为30%。
[0040]
s4、将上述第一纤维膜剪成5
×
5cm2的正方形后，再置于平板2上作为接收装置，接着，量取2.5ml上述的聚乙烯醇纺丝前驱液，将聚乙烯醇纺丝前驱液注入到另一注射器3中，高压电源4正极连接在针头上，负极连接在接收装置上，对聚乙烯醇纺丝前驱液进行静电纺丝，即可得到具有“菱角状”三支化结构的层级纤维膜。其中，该步骤的高压电源4电压为15kv，注射器3与平板2的距离为15cm，推进泵的推进速度为0.6ml/h，同时控制环境温度为20℃，湿度为30%。
[0041]
实施例4该实施例提供了一种三支化表面形貌的层级纤维膜的制备方法，其包括以下步骤：s1、将8g的聚乳酸（pla）与92g的氯仿和丙酮的共溶剂置于烧杯中，并在磁力搅拌器上搅拌2小时，得到澄清且均匀的聚乳酸纺丝前驱液；其中，氯仿和丙酮的体积比为3:1。
[0042]
s2、将7g的聚乙烯醇（pva）与93g的去离子水置于烧杯中，并在90℃的温度下进行搅拌混合均匀，得到聚乙烯醇纺丝前驱液。
[0043]
s3、如附图1所示，量取2.5ml的上述聚乳酸纺丝前驱液，将聚乳酸纺丝前驱液注入到注射器3中，再将注射器3固定在推进泵上，用滚筒1作为接收装置，调整滚筒的转速为1000rpm，高压电源4正极连接在针头上，负极连接在接收装置上，对聚乳酸纺丝前驱液进行静电纺丝，得到第一纤维膜；其中，该步骤的高压电源4电压为15kv，注射器3与滚筒1的距离为15cm，推进泵的推进速度为0.6ml/h，同时控制环境温度为20℃，湿度为30%。
[0044]
s4、将上述第一纤维膜剪成5
×
5cm2的正方形后，再置于平板2上作为接收装置，接着，量取2.5ml上述的聚乙烯醇纺丝前驱液，将聚乙烯醇纺丝前驱液注入到另一注射器3中，
高压电源4正极连接在针头上，负极连接在接收装置上，对聚乙烯醇纺丝前驱液进行静电纺丝，即可得到具有“菱角状”三支化结构的层级纤维膜。其中，该步骤的高压电源4电压为15kv，注射器3与平板2的距离为15cm，推进泵的推进速度为0.8ml/h，同时控制环境温度为20℃，湿度为30%。
[0045]
实施例5该实施例提供了一种三支化表面形貌的层级纤维膜的制备方法，其包括以下步骤：s1、将8g的聚乳酸（pla）与92g的氯仿和丙酮的共溶剂置于烧杯中，并在磁力搅拌器上搅拌2小时，得到澄清且均匀的聚乳酸纺丝前驱液；其中，氯仿和丙酮的体积比为3:1。
[0046]
s2、将10g的聚乙烯醇（pva）与90g的去离子水置于烧杯中，并在90℃的温度下进行搅拌混合均匀，得到聚乙烯醇纺丝前驱液。
[0047]
s3、如附图1所示，量取2.5ml的上述聚乳酸纺丝前驱液，将聚乳酸纺丝前驱液注入到注射器3中，再将注射器3固定在推进泵上，用滚筒1作为接收装置，调整滚筒的转速为1000rpm，高压电源4正极连接在针头上，负极连接在接收装置上，对聚乳酸纺丝前驱液进行静电纺丝，得到第一纤维膜；其中，该步骤的高压电源4电压为15kv，注射器3与滚筒1的距离为15cm，推进泵的推进速度为0.6ml/h，同时控制环境温度为20℃，湿度为30%。
[0048]
s4、将上述第一纤维膜剪成5
×
5cm2的正方形后，再置于平板2上作为接收装置，接着，量取2.5ml上述的聚乙烯醇纺丝前驱液，将聚乙烯醇纺丝前驱液注入到另一注射器3中，高压电源4正极连接在针头上，负极连接在接收装置上，对聚乙烯醇纺丝前驱液进行静电纺丝，即可得到具有“菱角状”三支化结构的层级纤维膜。其中，该步骤的高压电源4电压为15kv，注射器3与平板2的距离为15cm，推进泵的推进速度为1.0ml/h，同时控制环境温度为20℃，湿度为30%。
[0049]
实施例6该实施例提供了一种三支化表面形貌的层级纤维膜的制备方法，其包括以下步骤：s1、将1g的聚乳酸（pla）与99g的氯仿和丙酮的共溶剂置于烧杯中，并在磁力搅拌器上搅拌2小时，得到澄清且均匀的聚乳酸纺丝前驱液；其中，氯仿和丙酮的体积比为2:1。
[0050]
s2、将12g的聚乙烯醇（pva）与88g的去离子水置于烧杯中，并在85℃的温度下进行搅拌混合均匀，得到聚乙烯醇纺丝前驱液。
[0051]
s3、如附图1所示，量取2ml的上述聚乳酸纺丝前驱液，将聚乳酸纺丝前驱液注入到注射器3中，再将注射器3固定在推进泵上，用滚筒1作为接收装置，调整滚筒的转速为800rpm，高压电源4正极连接在针头上，负极连接在接收装置上，对聚乳酸纺丝前驱液进行静电纺丝，得到第一纤维膜；其中，该步骤的高压电源4电压为5kv，注射器3与滚筒1的距离为15cm，推进泵的推进速度为0.6ml/h，同时控制环境温度为10℃，湿度为10%。
[0052]
s4、将上述第一纤维膜剪成5
×
5cm2的正方形后，再置于平板2上作为接收装置，接着，量取2ml上述的聚乙烯醇纺丝前驱液，将聚乙烯醇纺丝前驱液注入到另一注射器3中，高压电源4正极连接在针头上，负极连接在接收装置上，对聚乙烯醇纺丝前驱液进行静电纺丝，即可得到具有“菱角状”三支化结构的层级纤维膜。其中，该步骤的高压电源4电压为5kv，注射器3与平板2的距离为15cm，推进泵的推进速度为0.2ml/h，同时控制环境温度为10℃，湿度为10%。
[0053]
实施例7
该实施例提供了一种三支化表面形貌的层级纤维膜的制备方法，其包括以下步骤：s1、将12g的聚乳酸（pla）与88g的氯仿和丙酮的共溶剂置于烧杯中，并在磁力搅拌器上搅拌2小时，得到澄清且均匀的聚乳酸纺丝前驱液；其中，氯仿和丙酮的体积比为4:1。
[0054]
s2、将1g的聚乙烯醇（pva）与99g的去离子水置于烧杯中，并在95℃的温度下进行搅拌混合均匀，得到聚乙烯醇纺丝前驱液。
[0055]
s3、如附图1所示，量取3ml的上述聚乳酸纺丝前驱液，将聚乳酸纺丝前驱液注入到注射器3中，再将注射器3固定在推进泵上，用滚筒1作为接收装置，调整滚筒的转速为2000rpm，高压电源4正极连接在针头上，负极连接在接收装置上，对聚乳酸纺丝前驱液进行静电纺丝，得到第一纤维膜；其中，该步骤的高压电源4电压为20kv，注射器3与滚筒1的距离为15cm，推进泵的推进速度为0.6ml/h，同时控制环境温度为30℃，湿度为50%。
[0056]
s4、将上述第一纤维膜剪成5
×
5cm2的正方形后，再置于平板2上作为接收装置，接着，量取3ml上述的聚乙烯醇纺丝前驱液，将聚乙烯醇纺丝前驱液注入到另一注射器3中，高压电源4正极连接在针头上，负极连接在接收装置上，对聚乙烯醇纺丝前驱液进行静电纺丝，即可得到具有“菱角状”三支化结构的层级纤维膜。其中，该步骤的高压电源4电压为20kv，注射器3与平板2的距离为15cm，推进泵的推进速度为0.2ml/h，同时控制环境温度为30℃，湿度为50%。
[0057]
本发明实施例使用静电纺丝法制备疏水性聚乳酸（pla）和亲水性聚乙烯醇（pva）的层状结构层级纤维膜。pla来源于天然植物，熔点低，力学性能好，在普通溶剂中溶解性好，是静电纺丝的良好基体。本发明采用旋转鼓作为收集装置，静电纺丝法制备了聚乳酸（pla）取向纳米纤维，并将其作为疏水层用于水的输送。聚乙烯醇（pva）是一种可生物降解的环保材料。聚乙烯醇是非离子的，半结晶的，其具有可加工性和极好的可纺性。在实际应用领域，它常被用作过滤和吸附膜材料。本发明通过控制静电纺丝过程中溶液的质量分数，制备了具有“菱角状”结构的纳米微粒。将电纺聚乙烯醇纳米纤维沉积在聚乳酸纳米纤维上。利用“菱角状”微粒较大的表面积从空气中收集水，通过取向性的pla纤维将收集到的水及时输送到指定容器中，从而使得复合纤维膜可以源源不断地从空气中收集水。因此，本发明提供的层级纤维膜在雾收集和水传输领域具有巨大的潜力。
[0058]
具体的，在静电纺丝过程中，低浓度聚乙烯醇溶液形成的液滴在电场力和重力的作用下被牵引。由于电场力远大于重力，溶液在电场力方向上流动较快，形成湍流。由于水的挥发性较差，液滴在重力方向继续流动，出现弧状的边缘，形成“菱角状”颗粒。以滚筒静电纺丝制备了取向聚乳酸纤维（pla）作为纤维膜的底层与上层的聚乙烯醇（pva）形成复合纤维膜。在层级膜上，聚乙烯醇（pva）粒子为亲水区，聚乳酸纤维（pla）为疏水区，利用“菱角状”微粒较大的表面积，使得水滴更容易在亲水区聚集，且由取向性pla纤维快速输送，使纤维膜可以源源不断地收集水。本申请公开的这种层级的具有特殊形貌的亲水/疏水膜为制备集雾剂提供了一种新的思路，在集雾领域具有巨大的潜力。
[0059]
实验例：一、上述实施例1~5制得的层级纤维膜的扫描电镜图分别如附图2~6所示，从图中可以看出，本发明实施例提供的层级纤维膜的表层为菱角状聚乙烯醇颗粒，下层为取向聚乳酸纤维。利用“菱角状”微粒较大的表面积从空气中收集水，通过取向性的pla纤维将收集到的水及时输送到指定容器中，从而使得层级纤维膜可以源源不断地从空气中收集水。
[0060]
二、将上述实施例1~5制得的层级纤维膜分别采用如附图7所示的集雾设备进行集雾测试，具体的，通过喷雾装置5对层级纤维膜7进行喷雾，然后通过集雾装置6进行气雾收集，并对气雾收集效率进行测定，其测定结果如附图8所示。从图8中可以看出，本发明实施例提供的具有“菱角状”表面形貌的层级纤维膜在雾收集和水传输领域具有巨大的潜力。
[0061]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。