一种形貌均匀的纳米复合导电纤维膜及其制备方法和应用转让专利
申请号 : CN202011165231.X
文献号 : CN112251913B
文献日 : 2021-11-19
发明人 : 刘忠柱 , 杨锦辉 , 潘玮 , 秦琦 , 李玉南 , 米立伟
申请人 : 中原工学院
摘要 :
权利要求 :
1.一种纳米复合导电纤维膜的制备方法,其特征在于,步骤如下:(1)按比例称取PVDF和PAN,加入到溶剂中,然后再放入一个磁子并用保鲜膜封口,经恒温磁力搅拌至PVDF和PAN完全溶解,再常温搅拌,最后经静置真空脱泡,得PVDF/PAN纺丝液;
所述步骤(1)中PVDF和PAN的质量比为(6‑7):(1‑2),溶剂为N,N‑二甲基甲酰胺与丙酮的混合溶剂,其中N,N‑二甲基甲酰胺与丙酮的体积比为8:2;PVDF/PAN纺丝液的浓度为10‑
15wt%;
(2)将步骤(1)制备的PVDF/PAN纺丝液吸入注射器中,排除内部气泡后固定于注射泵上,进行静电纺丝,纺丝结束后经真空干燥,制得PVDF/PAN复合纳米纤维膜;
(3)按比例称取石墨烯和表面活性剂,加入到蒸馏水中,密封后进行超声,得石墨烯水溶液;
(4)剪取步骤(2)制备的PVDF/PAN复合纳米纤维膜固定于铜网框上,然后将固定好PVDF/PAN复合纳米纤维膜的铜网框浸泡于步骤(3)制备的石墨烯水溶液中,经超声吸附后,取出石墨烯的PVDF/PAN复合纳米纤维膜,经蒸馏水清洗后烘干,得GR@PVDF/PAN复合纳米纤维膜即纳米复合导电纤维膜。
2.根据权利要求1所述的纳米复合导电纤维膜的制备方法,其特征在于:所述步骤(1)中恒温磁力搅拌的温度为60‑80 ℃,时间为90‑100min;常温搅拌的时间为12‑16h。
3.根据权利要求1所述的纳米复合导电纤维膜的制备方法,其特征在于,所述步骤(2)中静电纺丝的参数为:纺丝电压为16‑18 kV、接收距离为15‑20 cm、注射速率为0.6‑1.2 mL/h、纺丝时间为5‑6 h;真空干燥的时间为3.5‑4.5h。
4.根据权利要求1所述的纳米复合导电纤维膜的制备方法,其特征在于,所述步骤(3)中石墨烯与表面活性剂的质量比为1:(5‑7);表面活性剂为十二烷基磺酸钠,石墨烯水溶液中石墨烯的浓度为0.1wt%。
5.根据权利要求1所述的纳米复合导电纤维膜的制备方法,其特征在于,所述步骤(3)中超声的时间为1‑1.2h。
6.根据权利要求1所述的纳米复合导电纤维膜的制备方法,其特征在于,所述步骤(4)中超声吸附的时间为30‑120min;烘干的温度为60 ℃。
7.权利要求1‑6任一项方法所制备的纳米复合导电纤维膜。
8.权利要求7所述的纳米复合导电纤维膜在制备电子皮肤、健康监测和人体活动的传感器中的应用。
说明书 :
一种形貌均匀的纳米复合导电纤维膜及其制备方法和应用
技术领域
背景技术
复合材料中逾渗阈值很低,同时它们还具有很好的机械性能。然而,在上述几种导电填料
中,石墨烯的表面积和长径比比碳纳米管还要大,且其导电性能更加优异,被认为是制备高
导电复合材料的理想填料。石墨烯复合导电纤维及纺织品有很大的发展空间,尤其是在储
能器件和传感器件领域。
纺纤维膜具有孔隙率高和比表面积大等优点,被广泛应用于过滤材料、复合材料增强等领
域。
外,电纺制备的PVDF纤维具有纳米结构、质轻、高孔隙率、优异的铁电性和压电性等特点,使
其在制备高性能导电织物等方面也将发挥巨大作用。
而聚丙烯腈纤维(腈纶)拥有巨大的商业使用价值,被广泛应用于纺织品被广泛地用于服
装、装饰、产业等领域。
发明内容
维膜形貌均匀且具有良好导电性能等。
丝液;
取出石墨烯的PVDF/PAN复合纳米纤维膜,经蒸馏水清洗后烘干,得GR@PVDF/PAN复合纳米纤
维膜即纳米复合导电纤维膜。
纺丝液的浓度为10‑15wt%。
避免石墨烯团聚现象。同时,利用该方法所制备的GR@PVDF/PAN复合纳米电纺膜具有良好的
柔韧性及可裁剪成不同尺寸的薄膜等优点。另外,对GR@PVDF/PAN复合纳米纤维膜进行形貌
测试表征,发现随着吸附时间的增加,其表面石墨烯量显著增多并均匀地附着于PVDF/PAN
纤维膜上。同时,电性能测试结果表明复合纳米纤维膜的电导率随着吸附时间的增加而明
显增大。
附图说明
发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以
根据这些附图获得其他的附图。
具体实施方式
本领域普通技术人员在没有付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。
保鲜膜封口,并将其置于恒温磁力搅拌器中搅拌90 min,使PVDF和PAN完全溶解。将上述溶
液移至常温六联磁力搅拌器上再常温搅拌12 h,配置出浓度为12 %的均匀纺丝液。最后,将
上述均匀的纺丝液在真空环境中静置一段时间,脱去纺丝液中的气泡。
kV,纺丝间距为20 cm条件下进行静电纺丝6 h。纺丝结束后,收集PVDF/PAN复合纳米纤维
膜,在真空干燥箱中将其干燥4 h,以使溶剂完全挥发,保存待用。
瓶口密封起来,接下来将烧杯放入超声波仪器中超声1 h,使石墨烯得到均匀分散,最后得
到石墨烯水溶液。
框分别置于三组石墨烯水溶液中,使得PVDF/PAN膜完全浸泡于石墨烯水溶液中,然后分别
进行超声吸附30min,60 min和120 min,所得样品分别命名为GR@PVDF/PAN‑30min, GR@
PVDF/PAN‑60min和GR@PVDF/PAN‑120min。随后,将吸附了石墨烯的PVDF/PAN复合纳米纤维
膜取出,用蒸馏水重复清洗两次,再将清洗过的纤维膜放入60 ℃烘箱中进行烘干,最后得
到GR@PVDF/PAN复合纳米纤维膜,保存待测。
120min。从图中可以直观看出,不同的吸附时间所制备的GR@PVDF/PAN复合纳米纤维的形貌
存在较大差异。随着吸附时间的增加,可以明显观察到PVDF/PAN纤维膜表面的石墨烯含量
也随之增多。对于GR@PVDF/PAN‑30min来说,其纤维表面零星分布着一些石墨烯片,而绝大
多数的纤维还是裸漏在外。对于GR@PVDF/PAN‑60 min来说,其表面石墨烯量明显增多,但是
还可以观察到诸多未吸附上石墨烯的裸漏纤维区域。而GR@PVDF/PAN‑120 min复合纳米纤
维膜表面石墨烯量更多,表面光滑且孔径均匀的纤维网络基本完全被石墨烯覆盖,几乎看
不到有较大区域裸漏的纤维。
也不导电。从图2中可以观察到,GR@PVDF/PAN‑30min和GR@PVDF/PAN‑60min复合纳米纤维膜
的导电率分别约为0.4490 S/cm和0.6632 S/cm。然而,随着吸附时间的持续增加(120
min),GR@PVDF/PAN纤维膜的电导率将近达到了5.1461 S/cm,与吸附时间为30 min和60
min复合纳米纤维膜相比,其电导率大大提高。由于石墨烯本身具有优异的导电性能,从而
使得PVDF/PAN纤维膜的电导率有了急剧的提升。
保鲜膜封口,并将其置于恒温磁力搅拌器中搅拌90 min,使PVDF和PAN完全溶解。将上述溶
液移至常温六联磁力搅拌器上再常温搅拌12 h,配置出浓度为10 %的均匀纺丝液。最后,将
上述均匀的纺丝液在真空环境中静置一段时间,脱去纺丝液中的气泡。
kV,纺丝间距为20 cm条件下进行静电纺丝6 h。纺丝结束后,收集PVDF/PAN复合纳米纤维
膜,在真空干燥箱中将其干燥4 h,以使溶剂完全挥发,保存待用。
瓶口密封起来,接下来将烧杯放入超声波仪器中超声1 h,使石墨烯得到均匀分散,最后得
到石墨烯水溶液。
于石墨烯水溶液中,使得PVDF/PAN膜完全浸泡于石墨烯水溶液中,然后进行超声吸附
30min,60 min和120 min。随后,将吸附了石墨烯的PVDF/PAN复合纳米纤维膜取出,用蒸馏
水重复清洗两次,再将清洗过的纤维膜放入60 ℃烘箱中进行烘干,最后得到GR@PVDF/PAN
复合纳米纤维膜,保存待测。
保鲜膜封口,并将其置于恒温磁力搅拌器中搅拌90 min,使PVDF和PAN完全溶解。将上述溶
液移至常温六联磁力搅拌器上再常温搅拌12 h,配置出浓度为12 %的均匀纺丝液。最后,将
上述均匀的纺丝液在真空环境中静置一段时间,脱去纺丝液中的气泡。
kV,纺丝间距为20 cm条件下进行静电纺丝6 h。纺丝结束后,收集PVDF/PAN复合纳米纤维
膜,在真空干燥箱中将其干燥4 h,以使溶剂完全挥发,保存待用。
瓶口密封起来,接下来将烧杯放入超声波仪器中超声1 h,使石墨烯得到均匀分散,最后得
到石墨烯水溶液。
于石墨烯水溶液中,使得PVDF/PAN膜完全浸泡于石墨烯水溶液中,然后进行超声吸附
30min,60 min和120 min。随后,将吸附了石墨烯的PVDF/PAN复合纳米纤维膜取出,用蒸馏
水重复清洗两次,再将清洗过的纤维膜放入60 ℃烘箱中进行烘干,最后得到GR@PVDF/PAN
复合纳米纤维膜,保存待测。
保鲜膜封口,并将其置于恒温磁力搅拌器中搅拌90 min,使PVDF和PAN完全溶解。将上述溶
液移至常温六联磁力搅拌器上再常温搅拌12 h,配置出浓度为12 %的均匀纺丝液。最后,将
上述均匀的纺丝液在真空环境中静置一段时间,脱去纺丝液中的气泡。
kV,纺丝间距为20 cm条件下进行静电纺丝6 h。纺丝结束后,收集PVDF/PAN复合纳米纤维
膜,在真空干燥箱中将其干燥4 h,以使溶剂完全挥发,保存待用。
瓶口密封起来,接下来将烧杯放入超声波仪器中超声1 h,使石墨烯得到均匀分散,最后得
到石墨烯水溶液。
于石墨烯水溶液中,使得PVDF/PAN膜完全浸泡于石墨烯水溶液中,然后进行超声吸附
30min,60 min和120 min。随后,将吸附了石墨烯的PVDF/PAN复合纳米纤维膜取出,用蒸馏
水重复清洗两次,再将清洗过的纤维膜放入60 ℃烘箱中进行烘干,最后得到GR@PVDF/PAN
复合纳米纤维膜,保存待测。
保鲜膜封口,并将其置于恒温磁力搅拌器中搅拌90 min,使PVDF和PAN完全溶解。将上述溶
液移至常温六联磁力搅拌器上再常温搅拌12 h,配置出浓度为12 %的均匀纺丝液。最后,将
上述均匀的纺丝液在真空环境中静置一段时间,脱去纺丝液中的气泡。
kV,纺丝间距为15 cm条件下进行静电纺丝6 h。纺丝结束后,收集PVDF/PAN复合纳米纤维
膜,在真空干燥箱中将其干燥4 h,以使溶剂完全挥发,保存待用。
瓶口密封起来,接下来将烧杯放入超声波仪器中超声1 h,使石墨烯得到均匀分散,最后得
到石墨烯水溶液。
于石墨烯水溶液中,使得PVDF/PAN膜完全浸泡于石墨烯水溶液中,然后进行超声吸附
30min,60 min和120 min。随后,将吸附了石墨烯的PVDF/PAN复合纳米纤维膜取出,用蒸馏
水重复清洗两次,再将清洗过的纤维膜放入60 ℃烘箱中进行烘干,最后得到GR@PVDF/PAN
复合纳米纤维膜,保存待测。
保鲜膜封口,并将其置于恒温磁力搅拌器中搅拌90 min,使PVDF和PAN完全溶解。将上述溶
液移至常温六联磁力搅拌器上再常温搅拌12 h,配置出浓度为12 %的均匀纺丝液。最后,将
上述均匀的纺丝液在真空环境中静置一段时间,脱去纺丝液中的气泡。
kV,纺丝间距为20 cm条件下进行静电纺丝6 h。纺丝结束后,收集PVDF/PAN复合纳米纤维
膜,在真空干燥箱中将其干燥4 h,以使溶剂完全挥发,保存待用。
瓶口密封起来,接下来将烧杯放入超声波仪器中超声1 h,使石墨烯得到均匀分散,最后得
到石墨烯水溶液。
于石墨烯水溶液中,使得PVDF/PAN膜完全浸泡于石墨烯水溶液中,然后进行超声吸附
30min,60 min和120 min。随后,将吸附了石墨烯的PVDF/PAN复合纳米纤维膜取出,用蒸馏
水重复清洗两次,再将清洗过的纤维膜放入60 ℃烘箱中进行烘干,最后得到GR@PVDF/PAN
复合纳米纤维膜,保存待测。