一种多孔聚丙烯腈纳米纤维的制备方法与流程

本发明属于静电纺丝技术领域，涉及一种多孔聚丙烯腈纳米纤维膜的制备方法。

背景技术

静电纺丝技术通过在高压静电场作用下发生流变从而形成射流，经溶剂蒸发或熔体冷却固化，得到纳米纤维。静电纺丝制备的纳米纤维膜与传统的纤维相比，具有高比表面积、高孔隙率的特点。

目前，主要通过快速蒸发溶剂或从聚合物共混物中选择性除去电纺丝纳米纤维的一个组分，基于相分离制备多孔纤维。然而，上述方法通常需要对初纺纤维进行处理，或者需要耗时溶解聚合物。mccann等改变了静电纺丝的接收介质，将接收板浸没于液氮中，纤维在静电纺丝过程中发生热致相分离，形成富溶剂相与富聚合物相，真空除去溶剂即得到多孔超细纤维(mccannjt，etal.jamchemsoc，2006，128(5)：1436～1437)。yu等采用聚丙烯腈/n，n'-二甲基甲酰胺/水三元体系为纺丝液，通过静电纺丝过程中非溶剂诱导聚丙烯腈溶液发生相分离，得到了聚丙烯腈多孔超细纤维。上述两种方法对温度、湿度控制的要求十分严格，且纺丝液体系相容性较差(yuxl，etal.materlett，2010，64(22):2407～2409)。

技术实现要素：

针对现有的多孔聚丙烯腈纳米纤维制备过程中条件严苛、纺丝液体系相容性差的问题，本发明提供了一种多孔聚丙烯腈纳米纤维的制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种多孔聚丙烯腈纳米纤维的制备方法，通过静电纺丝得到掺杂有氧化铁纳米颗粒的聚丙烯腈纳米纤维，然后将氧化铁纳米颗粒溶解在稀硫酸中来获得多孔聚丙烯腈纳米纤维，具体步骤如下：

步骤1，纳米α-fe2o3分散液的制备：

将纳米α-fe2o3加入到n,n-二甲基甲酰胺中，室温下超声处理60～90min后得到浓度为0.03～0.05g/ml的均匀α-fe2o3纳米颗粒分散液；

步骤2，静电纺丝液的制备：

将聚丙烯腈加入到α-fe2o3纳米颗粒分散液中，在室温下搅拌混合均匀，得到聚丙烯腈/α-fe2o3静电纺丝液；

步骤3，多孔聚丙烯腈纳米纤维膜的制备：

将聚丙烯腈/α-fe2o3静电纺丝液进行静电纺丝，采用内径0.5mm的金属针，1～3ml/h的推进速度，14～16kv的纺丝电压，10～15cm的接收距离，制备掺杂有氧化铁的聚丙烯腈纳米纤维膜，将掺杂有氧化铁的聚丙烯腈纳米纤维膜浸入到0.05～0.1mol/l的稀硫酸溶液中，充分反应，水洗至中性，干燥即得多孔聚丙烯腈纳米纤维膜。

优选地，步骤2中，所述的聚丙烯腈占静电纺丝液的质量体积分数为10～15％。

优选地，步骤3中，干燥温度为40～60℃。

与现有技术相比，本发明的优点是：

(1)本发明制得的聚丙烯腈纳米纤维的比表面积、孔隙率显著提高；

(2)本发明方法对温度、湿度控制的要求不高，制得的纳米纤维粗细均匀；

附图说明

图1为多孔聚丙烯腈纳米纤维(a)和不含氧化铁的聚丙烯腈纳米纤维膜(b)的扫描电镜图。

图2为本发明的多孔聚丙烯腈纳米纤维的制备方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详述。

实施例1

(1)将0.09mg的α-fe2o3纳米粉末加入到3mln,n二甲基甲酰胺中，超声80min，制得浓度为0.03g/ml的α-fe2o3均匀分散液。

(2)称取0.45g的聚丙烯腈加入到α-fe2o3分散液中，在25℃下，搅拌至溶液呈均一，1000r/min下离心1min，除去静电纺丝液中的气泡，得到聚丙烯腈/α-fe2o3静电纺丝液。

(3)设置电纺参数：金属内径为0.5mm，1.4ml/h的推进速度，纺丝电压15kv，接收距离12cm，将纳米纤维电纺到铝箔纸上得到掺杂有氧化铁的聚丙烯腈纳米纤维膜。

(4)配置0.05mol/l的稀硫酸溶液，将掺杂有氧化铁的聚丙烯腈纳米纤维膜浸入到稀硫酸溶液中充分反应。将反应后的纳米纤维用去离子冲洗几次，直至洗液成中性，最后在40℃干燥箱中烘干即得多孔聚丙烯腈纳米纤维膜。

实施例2

(1)将0.12mg的α-fe2o3纳米粉末加入到3ml的n,n二甲基甲酰胺中，超声80min，制得浓度为0.04g/ml的α-fe2o3均匀分散液。

(2)称取0.45g的聚丙烯腈加入到α-fe2o3纳米颗粒分散液中，在25℃下，搅拌至溶液呈均一，1000r/min下离心1min，除去静电纺丝液中的气泡，得到聚丙烯腈/α-fe2o3静电纺丝液。

(3)设置电纺参数：金属内径为0.5mm，1.4ml/h的推进速度，纺丝电压15kv，接收距离12cm，将纳米纤维电纺到铝箔纸上得到掺杂有氧化铁的聚丙烯腈纳米纤维膜。

(4)配置0.1mol/l的稀硫酸溶液，将掺杂有氧化铁的聚丙烯腈纳米纤维膜浸入到稀硫酸溶液中充分反应。将反应后的纳米纤维用去离子冲洗几次，直至洗液成中性，最后在40℃干燥箱中烘干即得多孔聚丙烯腈纳米纤维膜。

本发明的多孔聚丙烯腈纳米纤维的制备方法的流程示意图如图2所示。制得的多孔聚丙烯腈纳米纤维膜的sem图如图1(a)所示。从图1(a)可以看出，经过酸溶解后，聚丙烯腈纳米纤维表面凹凸不平，大幅度地增加聚丙烯腈纳米纤维的比表面积、孔隙率。

实施例3

(1)将0.15mg的α-fe2o3纳米粉末加入到3ml的n,n二甲基甲酰胺中，超声80min，制得浓度为0.05g/ml的α-fe2o3均匀分散液。

(2)称取0.45g的聚丙烯腈加入到α-fe2o3纳米颗粒分散液中，在25℃下，搅拌至溶液呈均一，1000r/min下离心1min，除去静电纺丝液中的气泡，得到聚丙烯腈/α-fe2o3静电纺丝液。

(3)设置电纺参数：金属内径为0.51mm，1.4ml/h的推进速度，纺丝电压15kv，接收距离12cm，将纳米纤维电纺到铝箔纸上得到掺杂有氧化铁的聚丙烯腈纳米纤维膜。

(4)配置0.1mol/l的稀硫酸溶液，将掺杂有氧化铁的聚丙烯腈纳米纤维膜浸入到稀硫酸溶液中充分反应。将反应后的纳米纤维用去离子冲洗几次，直至洗液成中性，最后在40～60℃干燥箱中烘干即得多孔聚丙烯腈纳米纤维膜。

对比例1

本对比例与实施例1基本相同，唯一不同的是α-fe2o3分散液的浓度为0g/ml，得到聚丙烯腈纳米纤维膜，其扫描电镜如图1(b)所示。从图1(b)可以看到纤维表面光滑平整，粗细均匀无任何串珠现象发生。

对比例2

本对比例与实施例1基本相同，唯一不同的是α-fe2o3分散液的浓度为0.06g/ml。该浓度下无法通过静电纺丝制备聚丙烯腈纳米纤维。

通过实施例和对比例可知，α-fe2o3分散液的浓度影响多孔聚丙烯腈纳米纤维膜的制备，只有α-fe2o3分散液的浓度在0.03～0.05g/ml，才能实现多孔聚丙烯腈纳米纤维膜的静电纺丝。