一种纳米颗粒/纤维复合膜的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于膜材料的制备领域，特别涉及一种纳米颗粒/纤维复合膜的制备方法。
【背景技术】
[0002]纤维材料以其比表面积大、孔隙率高等优势而被广泛应用于空气过滤、液体过滤、电池隔膜、能源存储等领域。近些年来，将具有高比表面积、高机械强度、易于修饰的纳米颗粒与纤维材料复合制备成高性能的复合膜材料是目前研究的热点。将纳米颗粒与纤维材料复合最常用的方法包括混合纺丝法、浸渍法和表面涂覆法。混纺法制备复合膜的过程中，要考虑纳米颗粒在聚合物纺丝液中的分散性，且纳米颗粒大多包埋在纤维基体中，很难发挥纳米颗粒的高比表面积和独特的性能优势。表面涂覆和浸渍法制备复合膜的过程中，纳米颗粒与纤维材料之间的表面结合力差，导致纳米颗粒易团聚，易脱落。
[0003]随着静电纺技术的发展，静电喷涂法逐渐被应用到纳米颗粒/纤维复合膜的制备领域。静电喷涂是对低聚合物溶液施加电场，使溶液在电场的作用下产生高度带电的雾状液滴，在喷射的过程中溶剂蒸发，液滴体积逐渐减小，产生完全脱溶剂的粒子。静电喷涂法简便易行，但纳米颗粒与纤维之间靠静电吸附作用结合，容易从纤维表面脱落，影响纳米颗粒/纤维复合膜综合性能的提高。
【发明内容】
[0004]针对现有技术存在的问题，本发明以纤维材料为基底，通过静电喷涂法将分散在粘合剂中的纳米颗粒喷涂在纤维材料表面，制备负载纳米颗粒的纤维复合膜。该制备过程借助粘合剂的粘结作用，将纳米颗粒牢牢负载在纤维表面，充分发挥纳米颗粒的高比表面积及独特的结构优势，同时可以有效抑制纳米颗粒在纤维表面的团聚。本发明制备的纳米颗粒/纤维复合膜包括以下内容:
[0005]1.一种静电喷涂法制备的纤维复合膜，其特征在于:所述的复合膜是以纤维材料为基底支撑层，将纳米颗粒均匀分散在粘合剂中制备成喷涂液，借助静电喷涂法以及粘合剂的粘结作用将纳米颗粒喷涂并锚固在纤维表面。
[0006]2.所述的纤维基底材料为熔喷、静电纺或其他工艺生产的非织造材料，或织物。
[0007]3.所述的静电喷涂法包含以下步骤:将纳米颗粒分散在溶剂中，超声处理一段时间，与粘合剂均匀混合后超声处理，配制成喷涂液；采用静电纺丝装置及工艺进行静电喷涂，将分散纳米颗粒的喷涂液喷涂到纤维膜表面。
[0008]4.所述的纳米颗粒为碳纳米管、石墨稀、二氧化娃纳米颗粒、二氧化钛纳米颗粒、金属纳米颗粒等；所述的溶剂为水、丙酮、乙醇、三氯甲烧、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二氯甲烷等；所述的静电喷涂液中纳米颗粒的浓度为0.l_10wt%。
[0009]5.所述的粘合剂为水溶性或溶剂型粘合剂，如水性聚氨酯，聚乙烯醇，丙烯酸酯等能够在水中或者上述溶剂中溶解的粘合剂；所述的粘合剂的质量分数为0.l_5wt%。
[0010]有益效果
[0011]本发明通过静电喷涂法将分散在粘合剂中的纳米颗粒喷涂在纤维材料支撑层上，借助粘合剂的粘结作用将纳米颗粒牢牢锚固在纤维表面，充分发挥了纳米颗粒超高的比表面积优势和独特的结构优势，同时能够精确的控制纳米颗粒在纤维表面的负载量及均匀度，抑制了纳米颗粒的团聚，解决了纳米颗粒与纤维材料复合过程中易脱落、易团聚、分散不匀等难题。
【具体实施方式】
[0012]实施例1
[0013]将0.5g氧化碳纳米管分散在50ml水中超声30min，然后与50ml水性聚氨酯混合均匀，超声30min，制成分散均匀的碳纳米管/聚氨酯喷涂液。将熔喷的丙纶非织造材料置于接收辊筒上，下方衬垫一层铝箔纸，将配制好的喷涂液转移到注射器中，与注射栗相连，设定挤出速度10ml/h，注射器的金属针头与高压电源的正极相连，设定电压25kv，针头与接收辊筒的距离设定为10cm，启动电源，静电喷涂装置开始喷涂，喷涂30min后关闭电源，将制得的膜置于温度为60°C的烘箱中干燥3h，即得到碳纳米管/丙纶纤维复合膜。
[0014]实例1制备的复合膜与不添加粘合剂的碳纳米管/丙纶复合膜相比，其纤维表面的碳纳米管负载量和分散均匀度明显提高。实例1制备的膜可用于空气过滤，该膜对0.5 μ m的氯化钠气溶胶过滤效率可达85.7%。
[0015]实施例2
[0016]将2g聚乙烯醇粉末溶解在48ml水中机械搅拌12h，然后将0.05g 二氧化钛分散在50ml水中超声60min。将聚乙稀醇与二氧化钛溶液混合均勾，超声30min，制成分散均勾的二氧化钛/聚乙烯醇静电喷涂液。在90ml 二甲基甲酰胺中加入10g聚丙烯腈，磁力搅拌8h制成聚合物纺丝液。将纺丝液加入静电纺丝装置中，同时将配制好的静电喷涂液转移到注射器中，连接注射栗，注射器的金属针头与高压电源的正极相连，同时开启静电纺丝和静电喷涂装置的电源，同步静电纺丝和静电喷涂二氧化钛30min，设定纺丝液挤出速度20ml/h，电压25kv，静电喷涂液的挤出速度15ml/h，电压20kv，针头与接收辊筒的距离设定均为15cm，最后将组装二氧化钛的聚丙烯腈纤维复合膜置于烘箱中50°C干燥24h。
[0017]实例2制备的复合膜与不添加粘合剂的二氧化钛/聚丙烯腈纤维膜相比，二氧化钛在纤维表面的负载量明显提高，且二氧化钛在纤维表面分布比较均匀。在0.02MPa的恒定压力下，该复合膜的纯水通量为2400L/m2h，对靛蓝染料废液的过滤效率可达89%。
[0018]实施例3
[0019]将lg聚丙烯酸酯粉末溶解在50ml丙酮中，机械搅拌12h，然后将0.lg石墨烯分散在50ml丙酮中超声90min，将聚丙稀酸酯与石墨稀溶液混合均勾，超声60min，制成分散均匀的石墨烯/聚丙烯酸酯喷涂液。将针刺的聚酯非织造材料置于接收辊筒上，下方衬垫一层铝箔纸，将配制好的静电喷涂液转移到注射器中，连接注射栗，注射器的金属针头与高压电源的正极相连，设定挤出速度25ml/h，电压15kv，针头与接收棍筒的距离15cm，启动电源，静电喷涂装置开始喷涂，喷涂lh后关闭电源，将组装石墨烯/聚酯纤维复合膜置于烘箱中60°C干燥6h。
[0020]实例3制备的复合膜与不添加粘合剂的石墨烯/聚酯纤维复合膜相比，石墨烯在聚酯纤维表面的负载量和分散均匀度明显提高。该膜对1 ym的氯化钾气溶胶的过滤效率可达80.9%o
【主权项】
1.一种静电喷涂法制备的纳米颗粒/纤维复合膜，其特征在于:所述的复合膜是以纤维材料为基底支撑层，将纳米颗粒均匀分散在粘合剂中制备成喷涂液，借助静电喷涂法以及粘合剂的粘结作用将纳米颗粒喷涂并锚固在纤维表面。2.根据权利要求1所述的纳米颗粒/纤维复合膜，其特征在于:所述的纤维基底材料为熔喷、静电纺或其他工艺生产的非织造材料，或织物。3.根据权利要求1所述的纳米颗粒/纤维复合膜，其特征在于:所述的静电喷涂法包含以下步骤: 1)将纳米颗粒分散在溶剂中，超声处理一段时间，与粘合剂均匀混合后超声处理，配制成喷涂溶液； 2)采用静电纺丝装置及工艺进行静电喷涂，将分散纳米颗粒的喷涂液喷涂到纤维膜表面。4.根据权利要求3所述的纳米颗粒/纤维复合膜，其特征在于:所述的纳米颗粒为碳纳米管、石墨稀、二氧化娃纳米颗粒、二氧化钛纳米颗粒、金属纳米颗粒等；所述的溶剂为水、丙酮、乙醇、三氯甲烧、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二氯甲烷等；所述的静电喷涂液中纳米颗粒的浓度为0.l_10wt%。5.根据权利要求3所述的纳米颗粒/纤维复合膜，其特征在于:所述的粘合剂为水溶性或溶剂型粘合剂，如水性聚氨酯，聚乙烯醇，丙烯酸酯等能够在水中或者上述溶剂中溶解的粘合剂；所述的粘合剂的质量分数为0.l-5wt%。
【专利摘要】本发明涉及制备负载纳米颗粒的纤维复合膜，其是通过静电喷涂法将分散在粘合剂中的纳米颗粒喷涂在纤维材料基底上，借助粘合剂的粘结作用将纳米颗粒牢牢锚固在纤维表面，制备出负载纳米颗粒的纤维复合膜。本发明提供的方法将纳米颗粒锚固在纤维表面，充分发挥了纳米颗粒的高比表面积及独特的结构优势，同时抑制了纳米颗粒的团聚，解决了纳米颗粒与纤维材料复合过程中易脱落、易团聚、分散不匀等难题。本发明制备的纳米颗粒/纤维复合膜能够在空气过滤、液体过滤、污染物吸附等领域取得良好的应用前景。
【IPC分类】B01D67/00, B01D71/02, B01D69/12, B01D71/26, B05D7/24, B01D71/48, B05D1/04
【公开号】CN105251376
【申请号】CN201510644665
【发明人】焦昆艳, 吴腾飞, 倪亚, 徐志伟, 焦亚男
【申请人】天津工业大学
【公开日】2016年1月20日
【申请日】2015年9月25日