一种芳纶纳米纤维气凝胶的制备方法

摘要

一种芳纶纳米纤维气凝胶的制备方法，它涉及一种气凝胶的制备方法。本发明的目的是要解决现有气凝胶的力学强度差和耐热差的问题。方法：一、抽提；二、制备暗红色芳纶纳米纤维溶液；三、制备芳纶纳米纤维水凝胶；四、真空抽滤，清洗；五、冷冻干燥，得到芳纶纳米纤维气凝胶。本发明制备的芳纶纳米纤维气凝胶初始分解温度在500℃，可在200℃～500℃温度区间内长时间使用；本发明制备的芳纶纳米纤维气凝胶的拉伸强度达到230MPa。本发明可获得一种芳纶纳米纤维气凝胶的制备方法。

权利要求

1.一种芳纶纳米纤维气凝胶的制备方法，其特征在于该方法具体是按以下步骤完成的：一、抽提：采用丙酮为抽提溶剂，利用索氏抽提器对芳纶纤维抽提处理48h～72h，得到抽提后的芳纶纤维；再将抽提后的芳纶纤维在温度为40℃～90℃的真空干燥箱中真空干燥

12h～72h，得到干燥的芳纶纤维；

步骤一中所述的抽提处理的温度为50℃～130℃；

步骤一中所述的芳纶纤维为50旦～1600旦的Kevlar纤维中的一种或其中几种的混合纤维；

二、使用氮气对干燥的三口瓶吹扫20min～30min，再向三口瓶中加入二甲基亚砜、氢氧化钾和干燥的芳纶纤维，再在搅拌速度为500r/min～1300r/min下搅拌反应3天～10天，得到暗红色芳纶纳米纤维溶液；

步骤二中所述的干燥的芳纶纤维的质量与二甲基亚砜的体积比为(0.5g～2g):500mL；

步骤二中所述的氢氧化钾的质量与二甲基亚砜的体积比为(0.5g～1.5g):500mL；

三、制备芳纶纳米纤维水凝胶：

在搅拌速度为800r/min～1500r/min下向步骤二中得到的暗红色芳纶纳米纤维溶液中滴加无水乙醇，再在搅拌速度为800r/min～1500r/min下搅拌反应1h～4h，得到芳纶纳米纤维水凝胶；

步骤三中所述的暗红色芳纶纳米纤维溶液与无水乙醇的体积比为500:(1～10)；

四、将步骤三中得到的芳纶纳米纤维水凝胶倒在布氏漏斗的滤纸上，再进行真空抽滤，真空抽滤过程中向布氏漏斗的滤纸上加入无水乙醇冲洗3-5次，得到清洗后的芳纶纳米纤维水凝胶；

五、冷冻干燥：将清洗后的芳纶纳米纤维水凝胶置于液氮中进行冷却，再放入温度为-

50℃～-80℃的冷冻干燥机中冷冻干燥24h～72h，得到芳纶纳米纤维气凝胶。

2.根据权利要求1所述的一种芳纶纳米纤维气凝胶的制备方法，其特征在于步骤二中所述的干燥的芳纶纤维的质量与二甲基亚砜的体积比为(0.5g～1g):500mL。

3.根据权利要求1所述的一种芳纶纳米纤维气凝胶的制备方法，其特征在于步骤二中所述的干燥的芳纶纤维的质量与二甲基亚砜的体积比为(1g～2g):500mL。

4.根据权利要求1所述的一种芳纶纳米纤维气凝胶的制备方法，其特征在于步骤二中所述的氢氧化钾的质量与二甲基亚砜的体积比为(0.5g～1g):500mL。

5.根据权利要求1所述的一种芳纶纳米纤维气凝胶的制备方法，其特征在于步骤二中所述的氢氧化钾的质量与二甲基亚砜的体积比为(1g～1.5g):500mL。

6.根据权利要求1所述的一种芳纶纳米纤维气凝胶的制备方法，其特征在于步骤三中所述的暗红色芳纶纳米纤维溶液与无水乙醇的体积比为500:(1～5)。

7.根据权利要求1所述的一种芳纶纳米纤维气凝胶的制备方法，其特征在于步骤三中所述的暗红色芳纶纳米纤维溶液与无水乙醇的体积比为500:(5～10)。

8.根据权利要求1所述的一种芳纶纳米纤维气凝胶的制备方法，其特征在于步骤五中将清洗后的芳纶纳米纤维水凝胶置于液氮中进行冷却，再放入温度为-50℃～-60℃的冷冻干燥机中冷冻干燥24h～48h，得到芳纶纳米纤维气凝胶。

说明书

一种芳纶纳米纤维气凝胶的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种气凝胶的制备方法。

背景技术

[0002] Kevlar纤维是美国杜邦公司研制的高性能对位芳纶纤维，化学名称为聚对苯二甲酸对苯二胺(PPTA)。Kevlar纤维是高性能连接的苯酰胺，酰胺键与苯环基团形成共轭结构，分子排列规整，取向度和纤维洁净度高，链段排列规则，存在很强的分子间氢键，综合以上因素赋予纤维高强度、高模量、耐高温特性等优良特性。

[0003] 气凝胶是目前已知的密度最低的合成材料之一，因其极小的表观密度和热导率，高的孔隙率和比表面积，引起了广泛的关注。然而，气凝胶的多孔结构和极低密度导致其力学强度差，耐热性能不理想。因此制备出力学性能优异且耐热性能良好的气凝胶材料对扩展其应用具有重要意义。

发明内容

[0004] 本发明的目的是要解决现有气凝胶的力学强度差和耐热差的问题，而提供一种芳纶纳米纤维气凝胶的制备方法。

[0005] 一种芳纶纳米纤维气凝胶的制备方法，具体是按以下步骤完成的：

[0006] 一、抽提：采用丙酮为抽提溶剂，利用索氏抽提器对芳纶纤维抽提处理48h～72h，得到抽提后的芳纶纤维；再将抽提后的芳纶纤维在温度为40℃～90℃的真空干燥箱中真空干燥12h～72h，得到干燥的芳纶纤维；

[0007] 二、使用氮气对干燥的三口瓶吹扫20min～30min，再向三口瓶中加入二甲基亚砜、氢氧化钾和干燥的芳纶纤维，再在搅拌速度为500r/min～1300r/min下搅拌反应3天～10天，得到暗红色芳纶纳米纤维溶液；

[0008] 步骤二中所述的干燥的芳纶纤维的质量与二甲基亚砜的体积比为(0.5g～2g):500mL；

[0009] 步骤二中所述的氢氧化钾的质量与二甲基亚砜的体积比为(0.5g～1.5g):500mL；

[0010] 三、制备芳纶纳米纤维水凝胶：

[0011] 在搅拌速度为800r/min～1500r/min下向步骤二中得到的暗红色芳纶纳米纤维溶液中滴加无水乙醇，再在搅拌速度为800r/min～1500r/min下搅拌反应1h～4h，得到芳纶纳米纤维水凝胶；

[0012] 步骤三中所述的暗红色芳纶纳米纤维溶液与无水乙醇的体积比为500:(1～10)；

[0013] 四、将步骤三中得到的芳纶纳米纤维水凝胶倒在布氏漏斗的滤纸上，再进行真空抽滤，真空抽滤过程中向布氏漏斗的滤纸上加入无水乙醇冲洗3-5次，得到清洗后的芳纶纳米纤维水凝胶；

[0014] 五、冷冻干燥：将清洗后的芳纶纳米纤维水凝胶置于液氮中进行冷却，再放入温度为-50℃～-80℃的冷冻干燥机中冷冻干燥24h～72h，得到芳纶纳米纤维气凝胶。

[0015] 本发明的原理及优点：

[0016] 一、芳纶纳米纤维是一种新的纳米构筑模块，而在芳纶纳米线的制备中，主要采用了top-down的方法，利用宏观的Kevlar纤维来制备芳纶纳米纤维。本发明用氢氧化钾在二甲基亚砜中对凯夫拉纤维的去质子化过程，通过对酰胺键上的氢吸附，使凯夫拉纳米纤维在静电斥力和切向力的共同作用下彼此分散，制备出尺寸长度在5μm～10μm，管径在5nm～15nm的一维管状大分子，即为芳纶纳米纤维。该方法中生成的氮负离子之间的静电斥力与分子间的氢键作用力和π-π共轭作用力形成平衡，从而使芳纶纳米纤维维持在纳米级，不能进一步溶解为分子；芳纶纳米纤维具有很强的隔热和抗氧化效果，可抵御外层摄氏300度高温；本发明通过制备不同浓度的芳纶纳米纤维溶液，可以控制该纳米纤维溶液的含量及气凝胶的孔隙率；向芳纶纳米纤维溶液中滴加无水乙醇可以使其再次质子化而形成凝胶；对该凝胶材料进行不同的处理，可以获得不同的材料，以进行应用研究。比如进行真空抽滤可得一种芳纶纳米纤维超薄膜，利用冷冻干燥技术可以获得气凝胶。

[0017] 二、本发明利用高性能芳纶纤维的高强度、高模量、耐高温特性等优良特性，来制备一种力学强度及耐热性能更加理想的芳纶纳米纤维气凝胶材料。在保证气凝胶材料高的孔隙率和比表面积的条件下，提高其力学性能及耐高温性能，进而拓宽气凝胶材料的应用领域；

[0018] 三、本发明制备过程简单，材料表面易于功能化，可进一步进行衍生功能材料的研究，对气凝胶材料的应用范围拓展有重要的意义，例如在隔热层材料、吸附材料等领域获得更大的研究潜力；

[0019] 四、本发明制备的芳纶纳米纤维气凝胶初始分解温度在500℃，可在200℃～500℃温度区间内长时间使用；

[0020] 五、本发明制备的芳纶纳米纤维气凝胶的拉伸强度达到230MPa。

[0021] 本发明可获得一种芳纶纳米纤维气凝胶的制备方法。

附图说明

[0022] 图1为实施例一步骤五中得到的芳纶纳米纤维气凝胶的SEM图；

[0023] 图2为实施例一步骤五中得到的芳纶纳米纤维气凝胶的热重曲线。

具体实施方式

[0024] 具体实施方式一：本实施方式是一种芳纶纳米纤维气凝胶的制备方法，具体是按以下步骤完成的：

[0025] 一、抽提：采用丙酮为抽提溶剂，利用索氏抽提器对芳纶纤维抽提处理48h～72h，得到抽提后的芳纶纤维；再将抽提后的芳纶纤维在温度为40℃～90℃的真空干燥箱中真空干燥12h～72h，得到干燥的芳纶纤维；

[0026] 二、使用氮气对干燥的三口瓶吹扫20min～30min，再向三口瓶中加入二甲基亚砜、氢氧化钾和干燥的芳纶纤维，再在搅拌速度为500r/min～1300r/min下搅拌反应3天～10天，得到暗红色芳纶纳米纤维溶液；

[0027] 步骤二中所述的干燥的芳纶纤维的质量与二甲基亚砜的体积比为(0.5g～2g):500mL；

[0028] 步骤二中所述的氢氧化钾的质量与二甲基亚砜的体积比为(0.5g～1.5g):500mL；

[0029] 三、制备芳纶纳米纤维水凝胶：

[0030] 在搅拌速度为800r/min～1500r/min下向步骤二中得到的暗红色芳纶纳米纤维溶液中滴加无水乙醇，再在搅拌速度为800r/min～1500r/min下搅拌反应1h～4h，得到芳纶纳米纤维水凝胶；

[0031] 步骤三中所述的暗红色芳纶纳米纤维溶液与无水乙醇的体积比为500:(1～10)；

[0032] 四、将步骤三中得到的芳纶纳米纤维水凝胶倒在布氏漏斗的滤纸上，再进行真空抽滤，真空抽滤过程中向布氏漏斗的滤纸上加入无水乙醇冲洗3-5次，得到清洗后的芳纶纳米纤维水凝胶；

[0033] 五、冷冻干燥：将清洗后的芳纶纳米纤维水凝胶置于液氮中进行冷却，再放入温度为-50℃～-80℃的冷冻干燥机中冷冻干燥24h～72h，得到芳纶纳米纤维气凝胶。

[0034] 本实施方式的原理及优点：

[0035] 一、芳纶纳米纤维是一种新的纳米构筑模块，而在芳纶纳米线的制备中，主要采用了top-down的方法，利用宏观的Kevlar纤维来制备芳纶纳米纤维。本实施方式用氢氧化钾在二甲基亚砜中对凯夫拉纤维的去质子化过程，通过对酰胺键上的氢吸附，使凯夫拉纳米纤维在静电斥力和切向力的共同作用下彼此分散，制备出尺寸长度在5μm～10μm，管径在5nm～15nm的一维管状大分子，即为芳纶纳米纤维。该方法中生成的氮负离子之间的静电斥力与分子间的氢键作用力和π-π共轭作用力形成平衡，从而使芳纶纳米纤维维持在纳米级，不能进一步溶解为分子；芳纶纳米纤维具有很强的隔热和抗氧化效果，可抵御外层摄氏300度高温；本实施方式通过制备不同浓度的芳纶纳米纤维溶液，可以控制该纳米纤维溶液的含量及气凝胶的孔隙率；向芳纶纳米纤维溶液中滴加无水乙醇可以使其再次质子化而形成凝胶；对该凝胶材料进行不同的处理，可以获得不同的材料，以进行应用研究。比如进行真空抽滤可得一种芳纶纳米纤维超薄膜，利用冷冻干燥技术可以获得气凝胶。

[0036] 二、本实施方式利用高性能芳纶纤维的高强度、高模量、耐高温特性等优良特性，来制备一种力学强度及耐热性能更加理想的芳纶纳米纤维气凝胶材料。在保证气凝胶材料高的孔隙率和比表面积的条件下，提高其力学性能及耐高温性能，进而拓宽气凝胶材料的应用领域；

[0037] 三、本实施方式制备过程简单，材料表面易于功能化，可进一步进行衍生功能材料的研究，对气凝胶材料的应用范围拓展有重要的意义，例如在隔热层材料、吸附材料等领域获得更大的研究潜力；

[0038] 四、本实施方式制备的芳纶纳米纤维气凝胶初始分解温度在500℃，可在200℃～500℃温度区间内长时间使用；

[0039] 五、本实施方式制备的芳纶纳米纤维气凝胶的拉伸强度达到230MPa。

[0040] 本实施方式可获得一种芳纶纳米纤维气凝胶的制备方法。

[0041] 具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：步骤一中所述的抽提处理的温度为50℃～130℃。其他步骤与具体实施方式一相同。

[0042] 具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：步骤一中所述的芳纶纤维为50旦～1600旦的Kevlar纤维中的一种或其中几种的混合纤维。其他步骤与具体实施方式一或二相同。

[0043] 具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：步骤二中所述的干燥的芳纶纤维的质量与二甲基亚砜的体积比为(0.5g～1g):500mL。其他步骤与具体实施方式一至三相同。

[0044] 具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：步骤二中所述的干燥的芳纶纤维的质量与二甲基亚砜的体积比为(1g～2g):500mL。其他步骤与具体实施方式一至四相同。

[0045] 具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：步骤二中所述的氢氧化钾的质量与二甲基亚砜的体积比为(0.5g～1g):500mL。其他步骤与具体实施方式一至五相同。

[0046] 具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：步骤二中所述的氢氧化钾的质量与二甲基亚砜的体积比为(1g～1.5g):500mL。其他步骤与具体实施方式一至六相同。

[0047] 具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是：步骤三中所述的暗红色芳纶纳米纤维溶液与无水乙醇的体积比为500:(1～5)。其他步骤与具体实施方式一至七相同。

[0048] 具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同点是：步骤三中所述的暗红色芳纶纳米纤维溶液与无水乙醇的体积比为500:(5～10)。其他步骤与具体实施方式一至八相同。

[0049] 具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同点是：步骤五中将清洗后的芳纶纳米纤维水凝胶置于液氮中进行冷却，再放入温度为-50℃～-60℃的冷冻干燥机中冷冻干燥24h～48h，得到芳纶纳米纤维气凝胶。其他步骤与具体实施方式一至九相同。

[0050] 采用以下实施方式验证本发明的有益效果：

[0051] 一种芳纶纳米纤维气凝胶的制备方法，具体是按以下步骤完成的：

[0052] 一、抽提：采用丙酮为抽提溶剂，利用索氏抽提器对芳纶纤维抽提处理48h，得到抽提后的芳纶纤维；再将抽提后的芳纶纤维在温度为90℃的真空干燥箱中真空干燥24h，得到干燥的芳纶纤维；

[0053] 步骤一中所述的抽提处理的温度为70℃；

[0054] 步骤一中所述的芳纶纤维为130旦的Kevlar-29；

[0055] 二、使用氮气对干燥的三口瓶吹扫30min，再向三口瓶中加入二甲基亚砜、氢氧化钾和干燥的芳纶纤维，再在搅拌速度为1000r/min下搅拌反应7天，得到暗红色芳纶纳米纤维溶液；

[0056] 步骤二中所述的干燥的芳纶纤维的质量与二甲基亚砜的体积比为2g:500mL；

[0057] 步骤二中所述的氢氧化钾的质量与二甲基亚砜的体积比为1.5g:500mL；

[0058] 三、制备芳纶纳米纤维水凝胶：

[0059] 在搅拌速度为1000r/min下向步骤二中得到的暗红色芳纶纳米纤维溶液中滴加无水乙醇，再在搅拌速度为1000r/min下搅拌反应2h，得到芳纶纳米纤维水凝胶；

[0060] 步骤三中所述的暗红色芳纶纳米纤维溶液与无水乙醇的体积比为500:4；

[0061] 四、将步骤三中得到的芳纶纳米纤维水凝胶倒在布氏漏斗的滤纸上，再进行真空抽滤，真空抽滤过程中向布氏漏斗的滤纸上加入无水乙醇冲洗4次，得到清洗后的芳纶纳米纤维水凝胶；

[0062] 五、冷冻干燥：将清洗后的芳纶纳米纤维水凝胶置于液氮中进行冷却，再放入温度为-80℃的冷冻干燥机中冷冻干燥72h，得到芳纶纳米纤维气凝胶。

[0063] 图1为实施例一步骤五中得到的芳纶纳米纤维气凝胶的SEM图；

[0064] 从图1可知，实施例一步骤五中得到的芳纶纳米纤维气凝胶气凝胶内部呈多孔结构，纤维长度在5μm～10μm。

[0065] 图2为实施例一步骤五中得到的芳纶纳米纤维气凝胶的热重曲线；

[0066] 从图2可知，实施例一步骤五中得到的芳纶纳米纤维气凝胶初始分解温度在500℃，可在200℃～500℃温度区间内长时间使用。