一种亲疏水性可转换的纳米纤维膜材料的制备方法转让专利
申请号 : CN202011154939.5
文献号 : CN112323254B
文献日 : 2022-02-01
发明人 : 丁雅杰 , 吴金丹 , 张慧玲 , 郑今欢 , 王际平
申请人 : 浙江理工大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种亲疏水性可转换的纳米纤维膜材料的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
1)丙烯腈‑乙烯基三乙氧基硅烷‑丙烯酰胺三元共聚物的合成:将丙烯腈添加至装有混合溶剂的反应容器中,再加入乙烯基三乙氧基硅烷,丙烯酰胺和偶氮二异丁腈,丙烯腈、乙烯基三乙氧基硅烷和丙烯酰胺的质量比为(8‑9):(1.5‑2.5):(13‑17);充氮去氧处理,在
55‑65℃下搅拌反应,对反应产物冲洗并抽滤,真空干燥得到三元共聚物;所述混合溶剂为体积比为0.8‑1.2:1的二甲基亚砜与水;
2)将步骤1)所得三元共聚物与笼型聚倍半硅氧烷按质量比为1:1‑10:1溶于溶剂中,得到纺丝液;
3)对纺丝液进行静电纺丝,制备得到纳米纤维膜;
4)将步骤3)所得纳米纤维膜在180‑250℃下加热处理1 min‑3 h,得到成品。
2.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤1)中,所述偶氮二异丁腈的质量为丙烯腈的 0.5‑0.6%;氮去氧处理时间为20‑40 min,在55‑65℃下搅拌反应0.5‑1.5 h,真空干燥温度为35‑45℃。
3.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤2)中,所述溶剂为N, N‑二甲基甲酰胺、N, N‑二甲基乙酰胺、丙酮、四氢呋喃和氯仿中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤2)中,所述纺丝液的浓度为0.1‑25 wt%。
5.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤3)中,所述静电纺丝条件如下:推进速度0.5‑2.0 mL/h,接收距离10‑25 cm,电压5‑25 kV,温度20‑30℃,转速80‑2000 rpm,静电纺丝时间1‑20 h。
6.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤3)中,纳米纤维膜中纳米纤维的直径为10‑1000 nm。
7.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤3)中,所述纳米纤维膜的接触角小o
于10。
8.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤4)中,加热处理后纳米纤维膜材料的接触角大于90°。
说明书 :
一种亲疏水性可转换的纳米纤维膜材料的制备方法
技术领域
背景技术
用范围广等优点。近年来静电纺丝纳米纤维膜在过滤、催化等领域受到广泛关注。
米纤维膜已成为领域研究的热点。但由于其本身的力学性能差(纤维与纤维间无相互作用
力),极大地限制了其实际应用。因此,发展简便的制备方法对于制备机械强度高、超浸润的
纳米纤维膜具有重要意义。
溶剂、化学和煅烧交联等。尽管这些方法可以有效提高其机械性能,但其交联过程复杂,并
且均是对纤维膜进行后改性,能耗高,并且不能完全保证其孔隙率保持在较高值。此外,受
材料可纺性的影响,往往需要对纤维膜进行后改性以赋予其超浸润的性质,但后改性过程
往往复杂而昂贵。因此,亟需进一步开发出简单而有效的交联及亲疏水性改性的方法。
发明内容
o
水处理后接触角小于10 ,表现为超亲水的性质,可分离水包油乳液。在纤维经过高温处理
后,由于酰胺基(CONH2)参与并促进了PAN纳米纤维的环化形成了酮羰基(C=O)结构,使纳米
纤维从亲水变成疏水,从而使纳米纤维膜可分离油包水乳液。
腈、乙烯基三乙氧基硅烷和丙烯酰胺的质量比为(8‑9):(1.5‑2.5):(13‑17);充氮去氧处
理,在55‑65℃下搅拌反应,对反应产物冲洗并抽滤,真空干燥得到三元共聚物。
能耗高,并且不能完全保证其孔隙率保持在较高值。而本发明方法通过一步法对聚合物溶
液进行静电纺丝,使相邻纳米纤维的交叉处产生粘结点,从而使得原本无相互作用的纳米
纤维形成维交联网络结构。这些粘结点有利于增加纳米纤维膜的机械性能,扩大纳米纤维
膜的应用范围。同时,该纳米纤维膜在不同温度条件下随三元共聚物的环化可发生可逆的
亲疏水性转变:未高温处理之前,纳米纤维膜可分离水包油乳液,高温处理后,由于酰胺基
(CONH2)参与并促进了PAN纳米纤维的环化形成了酮羰基(C=O)结构,使纳米纤维从亲水变
成疏水,使纳米纤维膜可分离油包水乳液。
h ·bar ,分离率可高达99.6%以上,对水包油乳液渗透通量可超过15000 L·m ·h ·
‑1
bar ,分离率可高达99.4%以上,因此,在油水分离及其它工业废水的处理过程易有广阔的
应用前景。
搅拌反应0.5‑1.5 h,真空干燥温度为35‑45℃。
可逆的亲疏水性,其在高温处理前或冷水处理后接触角小于10 ,表现为超亲水的性质,可
分离水包油乳液。在纤维经过高温处理后,由于酰胺基(CONH2)参与并促进了PAN纳米纤维
的环化形成了酮羰基(C=O)结构,使纳米纤维从亲水变成疏水,从而使纳米纤维膜可分离油
包水乳液。
附图说明
具体实施方式
基硅烷,丙烯酰胺和偶氮二异丁腈,丙烯腈、乙烯基三乙氧基硅烷和丙烯酰胺的质量比为
(8‑9):(1.5‑2.5):(13‑17),偶氮二异丁腈的质量为丙烯腈的 0.5‑0.6%;充氮去氧处理20‑
40 min,在55‑65℃下搅拌反应0.5‑1.5 h,对反应产物冲洗并抽滤,35‑45℃真空干燥得到
三元共聚物。
中,得到0.1‑25 wt%的纺丝液。
o
纳米纤维膜;纳米纤维膜中纳米纤维的直径为10‑1000 nm,纳米纤维膜的接触角小于10。
乙氧基硅烷(2 g),丙烯酰胺(13 g),偶氮二异丁腈(AIBN, 0.05 g),充氮去氧20 min,在60
℃水浴条件下,低速搅拌反应1.5 h,用超纯水反复冲洗并抽滤得到共聚物,40℃真空干燥
备用。
润纤维膜),经过230℃高温处理后,所得纳米纤维膜的表面形貌基本与高温处理前一样,但
是纳米纤维膜的接触角由原来的0°变为153°(图4所示)。所制备的纳米纤维膜对表面活性
‑2 ‑1
剂稳定的水包环五聚二甲基硅氧烷(D5)乳液渗透通量为16348.3± 184.6 L·m ·h ·
‑1
bar ,同时分离率高达99.6%,经高温处理后的纳米纤维膜对D5包水乳液渗透通量为15134
‑2 ‑1 ‑1
± 237.4 L·m ·h ·bar ,分离率为99.1%。
氧基硅烷(1.5 g),丙烯酰胺(15 g), 偶氮二异丁腈(AIBN, 0.054 g),充氮去氧30 min,在
60℃水浴条件下,低速搅拌反应0.5 h,用超纯水反复冲洗并抽滤得到共聚物,40℃真空干
燥备用。
‑2 ‑1 ‑1
的水包环五聚二甲基硅氧烷(D5)乳液渗透通量为15436.2 ± 167.2 L·m ·h ·bar ,
同时分离率为99.3%,经高温处理后的纳米纤维膜对D5包水乳液渗透通量为11128 ±
‑2 ‑1 ‑1
183.4 L·m ·h ·bar ,分离率为98.6%。
氧基硅烷(1.7 g,),丙烯酰胺(16 g), 偶氮二异丁腈(AIBN, 0.05 g),充氮去氧40 min,在
60℃水浴条件下,低速搅拌反应0.8 h,用超纯水反复冲洗并抽滤得到共聚物,40℃真空干
燥备用。
纤维膜对表面活性剂稳定的水包环五聚二甲基硅氧烷(D5)乳液渗透通量为18546.3±
‑2 ‑1 ‑1
227.5 L·m ·h ·bar ,同时分离率为99.3%,经高温处理后的纳米纤维膜对D5包水乳液
‑2 ‑1 ‑1
渗透通量为11128 ± 183.4 L·m ·h ·bar ,分离率为98.9%。
乙氧基硅烷(2.5 g),丙烯酰胺(15.5 g), 偶氮二异丁腈(AIBN, 0.045 g),充氮去氧30
min,在60℃水浴条件下,低速搅拌反应1 h,用超纯水反复冲洗并抽滤得到共聚物,40℃真
空干燥备用。
纤维膜对表面活性剂稳定的水包环五聚二甲基硅氧烷(D5)乳液渗透通量为17513.4±
‑2 ‑1 ‑1
245.1 L·m ·h ·bar ,同时分离率为99.4%,经高温处理后的纳米纤维膜对D5包水乳液
‑2 ‑1 ‑1
渗透通量为13158 ± 273.7 L·m ·h ·bar ,分离率为99.1%。
乙氧基硅烷(2.3 g),丙烯酰胺(17 g), 偶氮二异丁腈(AIBN, 0.05 g),充氮去氧30 min,
在60℃水浴条件下,低速搅拌反应1.5 h,用超纯水反复冲洗并抽滤得到共聚物,40℃真空
干燥备用。
纤维膜对表面活性剂稳定的水包环五聚二甲基硅氧烷(D5)乳液渗透通量为16514.2±
‑2 ‑1 ‑1
185.9 L·m ·h ·bar ,同时分离率为99.7%,经高温处理后的纳米纤维膜对D5包水乳液
‑2 ‑1 ‑1
渗透通量为14155 ± 174.7 L·m ·h ·bar ,分离率为99.3%。
案的保护范围。