一种防水透湿可调温的智能纳米纤维膜的制备方法与流程

本发明涉及智能纳米材料生产技术领域，特别涉及一种防水透湿可调温的智能纳米纤维膜的制备方法。

背景技术：

防水透湿膜作为人体的“第二皮肤”，能在抵挡外部水珠渗透的同时，使人体的汗液挥发出去，避免了由于汗液的累积而带来的不适感。目前已被广泛应用在了防护服装、建筑以及分离膜等领域。

相变材料是指温度不变的情况下而改变物质状态并能提供潜热的物质。目前已经被应用于太阳能储能、纺织服装、食品包装、建筑等领域。相变材料包括无机、有机化合物和有机与无机的混合物。然而，无机的相变材料受到过冷、相分离和腐蚀电位等缺陷的限制。正十八烷具有高潜热、过冷度低的优点，是一种很好的蓄热材料，但与其他固液相变材料一样，相变过程中不可避免的泄漏，阻碍了其在蓄热领域的应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种防水透湿可调温的智能纳米纤维膜的制备方法，工艺流程简单，制得的智能纳米纤维膜无毒，防水透湿性能优良，相变潜热适中，力学强度高。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种防水透湿可调温的智能纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：

（1）将碳纳米管和氯化钠加入到n,n-二甲基乙酰胺与丙酮的混合溶剂中，超声分散，然后加入聚偏二氟乙烯和聚乙烯醇缩丁醛，在40～50℃水浴中搅拌8～24小时后得到壳层溶液；

（2）将十八烷放入煤油中，混合均匀，得到芯层溶；

（3）控制环境温度为35～45℃，将壳层溶液和芯层溶液分别移至注射器的针管中，并将注射器固定于进样器上，将针管与同轴针头连接，同轴针头与高压直流电源的正极连接，包裹着铝箔的接收滚筒与连接高压直流电源的负极连接，调节接收滚筒与针头的距离，调节壳层溶液和芯层溶液的进样速度，提供电压后在铝箔上形成智能纳米纤维膜。喷丝头（针头）喷出来的是纳米纤维，最后纳米纤维在铝箔上累积堆积成智能纳米纤维膜。

作为能够成功制备皮芯结构纤维的溶剂中，十八烷在煤油中溶解度最高，且毒性较小。因此选择煤油为溶剂。

所述壳层溶液中碳纳米管浓度为0.25wt%～0.75wt％，氯化钠浓度为0.01wt%～0.015wt%。

n,n-二甲基乙酰胺与丙酮的质量比为9：1～1：1。优选n,n-二甲基乙酰胺与丙酮的质量比为1：1。

聚偏二氟乙烯和聚乙烯醇缩丁醛的质量比为7：3～4：1。优选聚偏二氟乙烯和聚乙烯醇缩丁醛的质量比为4：1。

所述壳层溶液总浓度为17wt％～25wt％。

所述芯层溶液中十八烷浓度为28～32wt%。优选所述芯层溶液中十八烷浓度为30wt%。

所述壳层溶液的进样速度为1.4ml/h～1.5ml/h，芯层溶液的进样速率为0.2ml/h～0.3ml/h。优选所述壳层溶液的进样速度为1.5ml/h，芯层溶液的进样速率为0.25ml/h。

所述电压为33～35kv。

所述接收滚筒与针头的距离为23～26cm。优选所述接收滚筒与针头的距离为25cm。

静电纺丝是获得超细纤维的一种简便易行的方法，制得的纤维具有重量轻、直径小、比表面积高等优点。为了获得具有调温性能的防水透湿膜，本发明采用同轴静电纺丝技术，使用同轴针头将相变材料负载到纤维内部，赋予材料调温功能，且热稳定性良好。同时调控参数，赋予材料优良的防水透湿性能。

十八烷相变材料作为一种小分子物质，将其负载到纤维的内部会降低整体材料的力学强度，碳纳米管作为一种性能优良的纳米填充剂，将其负载到纤维中可以很好的改善力学性能，用于弥补十八烷加入后力学强度不足的问题。如果不加氯化钠，纤维呈串珠纺锤状结构，而不是柱状结构，串珠纺锤状结构的纤维力学性能比柱状的差很多，因此氯化钠可以提高纤维膜的力学强度。聚偏二氟乙烯比表面能高，是一种很好的疏水材料，主要起到防水作用，聚乙烯醇缩丁醛用来调控溶液性质以更好的制备纤维，还能提高纤维膜的韧性。

本发明的有益效果是：

1)利用同轴静电纺丝技术制备防水透湿可调温的智能纳米纤维膜；

2)制备工艺流程简单，无毒，对环境友好；

3)所制备的智能纳米纤维膜防水透湿性能良好，相变潜热适中，且力学强度较高。

附图说明

图1是本发明在不同聚合物壳层浓度下的防水透湿可调温智能纳米纤维膜的扫描电镜照片，a:17%;b:19%;c:21%;d:23%;e:25%;f:不同浓度获得纤维的直径。

图2是本发明在不同聚合物壳层浓度下的防水透湿可调温智能纳米纤维膜的防水性能。

图3是本发明在不同聚合物壳层浓度下的防水透湿可调温智能纳米纤维膜的透湿性能。

图4是本发明在不同聚合物壳层浓度下的防水透湿可调温智能纳米纤维膜的力学性能。

图5是本发明负载碳纳米管的防水透湿可调温智能纳米纤维膜的透射电镜图。

图6是本发明负载不同碳纳米管浓度的防水透湿可调温智能纳米纤维膜的力学性能。

图7是本发明负载碳纳米管的防水透湿可调温智能纳米纤维膜的防水透湿以及潜热性能数据图。

图中各英文含义如下：concentration聚合物溶液浓度；meandiameter：纤维平均直径；hydrostaticpressuer：耐静水压（衡量防水性）；wvtr：水蒸气透过率（衡量透湿性）；elongationrate：断裂伸长率；tensilestrength：拉伸强度；temperature：温度；heatflowup：热流；hydrostaticpressure：耐静水压；latentheat：相变潜热值。

具体实施方式

下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。

本发明中，若非特指，所采用的原料和设备等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。

实施例1：

取0.003g氯化钠和0.15g碳纳米管放入8.0235gn,n-二甲基乙酰胺和8.0235g丙酮的混合液中，随后超声2小时，再称取3.04g聚偏二氟乙烯和0.76g聚乙烯醇缩丁醛放入上述溶液中，使用磁力搅拌机在50℃水浴中搅拌24小时至混合均匀得到壳层溶液。取1.2g十八烷放入2.8g煤油中，混合均匀，得到芯层溶液。控制环境温度为40℃，将壳层溶液和芯层别移至10ml注射器的针管中，并将注射器固定于进样器上，将针管与同轴针头连接，同轴针头与高压直流电源的正极连接，包裹着铝箔的接收滚筒与连接高压直流电源的负极连接，调节接收滚筒与针头的距离为25cm，调节壳层溶液进样速率为1.5ml/h，芯层溶液的进样速率为0.25ml/h，调节正压为33.1kv，负压为-1.9kv，即可在铝箔上收集到纳米智能纤维膜。

实施例2：

取0.003g氯化钠和0.1g碳纳米管放入8.0485gn,n-二甲基乙酰胺和8.0485g丙酮的混合液中，随后超声2小时，再称取3.04g聚偏二氟乙烯和0.76g聚乙烯醇缩丁醛放入上述溶液中，使用磁力搅拌机在50℃水浴中搅拌24小时至混合均匀得到壳层溶液。取1.2g十八烷放入2.8g煤油中，混合均匀，得到芯层溶液。控制环境温度为40℃，将壳层溶液和芯层别移至10ml注射器的针管中，并将注射器固定于进样器上，将针管与同轴针头连接，同轴针头与高压直流电源的正极连接，包裹着铝箔的接收滚筒与连接高压直流电源的负极连接，调节接收滚筒与针头的距离为25cm，调节壳层溶液进样速率为1.5ml/h，芯层溶液的进样速率为0.2ml/h，调节正压为33.1kv，负压为-1.9kv，即可在铝箔上收集到纳米智能纤维膜。

实施例3：

取0.003g氯化钠和0.05g碳纳米管放入8.0735gn,n-二甲基乙酰胺和8.0735g丙酮的混合液中，随后超声2小时，再称取3.04g聚偏二氟乙烯和0.76g聚乙烯醇缩丁醛放入上述溶液中，使用磁力搅拌机在50℃水浴中搅拌24小时至混合均匀得到壳层溶液。取1.2g十八烷放入2.8g煤油中，混合均匀，得到芯层溶液。控制环境温度为40℃，将壳层溶液和芯层别移至10ml注射器的针管中，并将注射器固定于进样器上，将针管与同轴针头连接，同轴针头与高压直流电源的正极连接，包裹着铝箔的接收滚筒与连接高压直流电源的负极连接，调节接收滚筒与针头的距离为25cm，调节壳层溶液进样速率为1.5ml/h，芯层溶液的进样速率为0.3ml/h，调节正压为33.1kv，负压为-1.9kv，即可在铝箔上收集到纳米智能纤维膜。

实施例1的样品性能检测：智能纤维膜的耐静水压为59.2kpa。智能纤维膜的水蒸气透过率为7.837kgm⁻²d⁻¹。智能纤维膜的力学拉伸强度为20.2mpa。智能纤维膜的相变潜热值为50.1jg^-1。

图1显示了随着聚合物溶液浓度从17%升至25%，纤维形貌的变化过程，17%时具有纺锤串珠状结构，19%，21%，23%时形貌为良好的柱状结构，25%时存在块状聚合物，有些聚合物未被拉伸成纤维，f显示出随着浓度的增大，纤维的直径逐渐增加。

图2说明了随着聚合物溶液浓度的增加，纤维膜的防水性能逐渐下降，当聚合物溶液浓度为19%时，纤维膜的水接触角为131.4°，显示了其疏水性能。

图3说明了随着聚合物溶液浓度的增加，纤维膜的透湿性能逐渐下降。

图4说明了随着聚合物溶液浓度的增加，纤维膜的拉伸强度逐渐下降。

图5显示了纤维的内部中空结构，证明十八烷被成功负载（里面本来负载的是十八烷，但是测试的时候要把里面的十八烷用溶剂洗掉，所以成中空结构了）。

图6显示了随着碳纳米管浓度的增大，纤维膜的力学强度逐渐变强。

图7展示了最佳样品的良好综合性能。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。