PVP/PAN纳米复合纤维的制备方法

摘要

本发明公开了一种PVP/PAN纳米复合纤维的制备方法，包括以下步骤：（1）称量PVP和采用水相沉淀原位聚合方法制得的PAN粉末，再称量DMF溶剂；（2）把称量好的PVP加入到DMF溶剂中得到复合溶液，磁力搅拌1小时；（3）把称量好的PAN粉末加入到步骤（2）所述的复合溶液中，磁力搅拌5小时；（4）静止混合18小时得到混合均匀的复合纺丝溶液；（5）将步骤（4）所述的复合纺丝溶液进行静电纺丝，收集纳米复合纤维；（6）将步骤（5）所述纳米复合纤维放置于50℃的鼓风干燥箱中2小时，即得。该方法操作简单，原材料价廉易得，获得的纳米复合纤维直径分布均匀，易于规模化生产。

说明书

技术领域

本发明涉及纳米复合纤维制备技术领域，具体涉及一种PVP/PAN纳米复合纤维的制备方法。

背景技术

静电纺丝是制备纳米纤维的主要方法之一，可以得到连续的长纤维。这种纳米纤维具有较小的直径、大的比表面积，在工业领域、生物领域等具有广泛的潜在用途。把具有不同性能的聚合物溶解在一起得到复合纺丝液，采用静电纺丝技术可以得到具有各种性能的纳米复合纤维，如多孔纤维、中空纤维等。

聚乙烯吡咯烷酮（PVP）是一种非离子型高分子材料，分子结构中含有强极性酰胺基团，使其具有良好的亲水、亲油双亲特性，极易在水中溶解，并且可以溶于大部分溶剂。同时，聚乙烯吡咯烷酮成膜性好、毒性很低、生理相溶性很好，使其在医药领域、食品行业具有重要的作用。聚乙烯吡咯烷酮在纳米复合纤维中可以作为成孔剂使用，使得到的纳米复合纤维具有微孔结构，进一步提高吸附能力，在污水净化领域有广泛的用途。

聚丙烯腈（PAN）是分子结构中含有强极性基团（氰基）的半结晶性高分子，经常用于制备膜材料，在污水处理领域具有成本低廉、抗污染性能好、耐候性优异、热稳定性好的特点。同时，聚丙烯腈聚合物也是制备腈纶和高强度碳纤维的主要原材料，具有高的力学性能。

目前，现有技术利用PVP和PAN所制备的复合纳米纤维，或纤维表面形貌不好、或制备的纤维不能形成均匀的中空结构；当前急需一种制备方法使纳米复合纤维聚集在一起得到的纳米纤维膜具有比表面积大、孔隙率高、渗透性好等优点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种PVP/PAN纳米复合纤维的制备方法，该方法操作简单，原材料价廉易得，获得的纳米复合纤维直径分布均匀，易于规模化生产。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术研究路线：

PAN纤维的亲水性相对较差，用亲水性非常优异的PVP对其进行混合改性，可以提高亲水能力。而PVP在水中有很好的溶解性，二者共混后得到的纳米复合纤维通过处理，可以得到具有微孔结构的纳米复合纤维；结合PAN优异的性能，可以得到具有纳米直径、大比表面积、微孔结构、高的孔隙率、力学性能好的纳米纤维膜。

进而充分考虑PAN和PVP的优点，以自制的PAN粉末为主要纺丝基体原料，通过添加PVP，改变二者之间的质量比例得到复合纺丝溶液，改变静电纺丝工艺参数可以制备出直径均匀的PVP/PAN纳米复合纤维。

具体技术方案如下：

先采用水相沉淀原位聚合方法得到PAN，包括以下步骤：

（1）将丙烯腈和去离子水按质量比8：80～120混合；

（2）将衣康酸加入到步骤（1）所得混合液中，其中衣康酸和丙烯腈的摩尔比为1：90～110，搅拌0.5～1小时，升温至48～52℃；

（3）将引发剂加入到步骤（2）所得混合液中反应，1～2小时后停止；

（4）将步骤（3）所得混合液过滤后得到白色粉末，洗涤2～4次；

（5）将步骤（4）所得粉末置48～52℃，1.5～3小时后即得。

设计一种PVP/PAN纳米复合纤维的制备方法，包括以下步骤：

（1）按比例配制PVP和上述PAN粉末；

（2）将PVP按比例加入到DMF溶剂中得到复合溶液，搅拌0.5～1.5小时；

（3）再将PAN粉末加入到步骤（2）所述的复合溶液中，搅拌4～6小时；

（4）将上步所得复合溶液25～30℃下静止混合15～20小时得到混合均匀的复合纺丝溶液；

（5）将步骤（4）所得的复合纺丝溶液进行静电纺丝，得纳米复合纤维；

（6）将上步所得纳米复合纤维放置于48～52℃下干燥1.5～2.5小时，即得。

优选的，在所述步骤（1）中，所述PVP的黏度规格为30。

优选的，在所述步骤（1）中，PVP和PAN粉末的质量比为1：4～1：1。

优选的，在所述步骤（2）和/或所述步骤（3）中，搅拌时的温度为25～30℃。

优选的，在所述步骤（2）中，所述PVP的质量浓度为6～10%。

优选的，在所述步骤（4）中，所述复合纺丝溶液中PVP和PAN的质量分数之和控制为10～16%。

优选的，在所述步骤（5）中，静电纺丝时使用的注射器规格为10ml，其针头内径为0.41mm，其针头外径为0.71mm。

优选的，在所述步骤（5）中，静电纺丝参数为：纺丝电压为10～15kV，推注速度为0.2～0.4mm/min，针头平移速度为300mm/min，平移行程为500mm。

优选的，在所述步骤（5）中，静电纺丝的纺丝针头与接收滚筒之间的距离为15cm，接收滚筒的读数为100转/分钟。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果在于：

1. 本发明的方法操作简单，原材料价廉易得，获得的纳米复合纤维直径分布均匀，易于规模化生产。

2. 本发明制备得到的纳米复合纤维具有良好的吸附能力，抗污染能力，并且污水处理的通量非常大，对于污水的过滤、重金属分离、有机材料吸附具有非常重要的意义。

3. 本发明制备得到的纳米复合纤维可以后续的继续试验分析提供潜力。

附图说明

图1为本发明方法制得的纳米复合纤维的扫描电子显微镜图；

图2为本发明方法制得的纳米复合纤维的直径分布图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。

在以下实施例中所涉及的仪器设备如无特别说明，均为常规仪器设备；所涉及的原料或试剂如无特别说明，均为市售常规产品；所涉及的制备方法，如无特别说明，均为常规方法。

实施例1： PAN粉末的制备方法

具体步骤如下：

（1）将丙烯腈和去离子水按质量比8：100混合；

（2）将衣康酸加入到步骤（1）所得混合液中，其中衣康酸和丙烯腈的摩尔比为1：99，磁力搅拌0.5小时，升温至50℃；

（3）将过引发剂硫酸铵或过硫酸钾加入到步骤（2）所得混合液中进行反应，2小时后停止；

（4）将步骤（3）所得混合液进行过滤，得到白色粉末，用去离子水洗涤三次；

（5）将步骤（4）所得粉末置于50℃的鼓风烘箱中烘干2小时，即得PAN粉末。

实施例2：一种PVP/PAN纳米复合纤维的制备方法

具体步骤如下：

（1）将PVP和N, N-二甲基甲酰胺（DMF）按质量比2：100混合，磁力搅拌1小时；

（2）将实施例1所述PAN粉末加入到上述混合液中，PAN和DMF的质量比为8：100，磁力搅拌5小时；

（3）将上述含有PVP和PAN粉末的混合液静止室温放置18小时，得到混合均匀的复合纺丝溶液；

（4）用注射器抽取PVP/PAN复合纺丝液，固定于静电纺丝装置上，控制静电纺丝电压10kV，推注速度0.2mm/min，接受装置采用铝箔包裹在接受滚筒上面接受纳米纤维，纺丝针头与接收滚筒之间的距离为15cm，接受滚筒的参数为100转/分钟，室内温度为25℃，相对湿度为40%，纺丝后得到PVP/PAN纳米复合纤维；

（5）将上述得到的纳米复合纤维放置于50℃的鼓风干燥箱中2小时，即可得到所需的PVP/PAN纳米复合纤维。

实施例3：一种PVP/PAN纳米复合纤维的制备方法

具体步骤如下：

（1）将PVP和DMF按质量比4：100混合，磁力搅拌1小时；

（2）将实施例1所述PAN粉末加入到上述混合液中，PAN和DMF的质量比为8：100，磁力搅拌5小时；

（3）将上述含有PVP和PAN粉末的混合液静止室温放置18小时，得到混合均匀的复合纺丝溶液；

（4）用注射器抽取PVP/PAN复合纺丝液，固定于静电纺丝装置上，控制静电纺丝电压10kV，推注速度0.2mm/min，接受装置采用铝箔包裹在接受滚筒上面接受纳米纤维，纺丝针头与接收滚筒之间的距离为15cm，接受滚筒的参数为100转/分钟，室内温度为28℃，相对湿度为50%，纺丝后得到PVP/PAN纳米复合纤维；

（5）将上述得到的纳米复合纤维放置于50℃的鼓风干燥箱中2小时，即可得到所需的PVP/PAN纳米复合纤维。

实施例4：一种PVP/PAN纳米复合纤维的制备方法

具体步骤如下：

（1）将PVP和DMF按质量比6：100混合，磁力搅拌1小时；

（2）将实施例1所述PAN粉末加入到上述混合液中，PAN和DMF的质量比为8：100，磁力搅拌5小时；

（3）将上述含有PVP和PAN粉末的混合液静止室温放置18小时，得到混合均匀的复合纺丝溶液；

（4）用注射器抽取PVP/PAN复合纺丝液，固定于静电纺丝装置上，控制静电纺丝电压10kV，推注速度0.2mm/min，接受装置采用铝箔包裹在接受滚筒上面接受纳米纤维，纺丝针头与接收滚筒之间的距离为15cm，接受滚筒的参数为100转/分钟，室内温度为30℃，相对湿度为60%，纺丝后得到PVP/PAN纳米复合纤维；

（5）将上述得到的纳米复合纤维放置于50℃的鼓风干燥箱中2小时，即可得到所需的PVP/PAN纳米复合纤维。

实施例5：一种PVP/PAN纳米复合纤维的制备方法

具体步骤如下：

（1）将PVP和DMF按质量比8：100混合，磁力搅拌1小时；

（2）将实施例1所述PAN粉末加入到上述混合液中，PAN和DMF的质量比为8：100，磁力搅拌5小时；

（3）将上述含有PVP和PAN粉末的混合液静止室温放置18小时，得到混合均匀的复合纺丝溶液；

（4）用注射器抽取PVP/PAN复合纺丝液，固定于静电纺丝装置上，控制静电纺丝电压10kV，推注速度0.2mm/min，接受装置采用铝箔包裹在接受滚筒上面接受纳米纤维，纺丝针头与接收滚筒之间的距离为15cm，接受滚筒的参数为100转/分钟，室内温度为26℃，相对湿度为45%，纺丝后得到PVP/PAN纳米复合纤维；

（5）将上述得到的纳米复合纤维放置于50℃的鼓风干燥箱中2小时，即可得到所需的PVP/PAN纳米复合纤维。

实施例6：一种PVP/PAN纳米复合纤维的制备方法

具体步骤如下：

（1）将PVP和DMF按质量比2：100混合，磁力搅拌1小时；

（2）将实施例1所述PAN粉末加入到上述混合液中，PAN和DMF的质量比为8：100，磁力搅拌5小时；

（3）将上述含有PVP和PAN粉末的混合液静止室温放置18小时，得到混合均匀的复合纺丝溶液；

（4）用注射器抽取PVP/PAN复合纺丝液，固定于静电纺丝装置上，控制静电纺丝电压15kV，推注速度0.2mm/min，接受装置采用铝箔包裹在接受滚筒上面接受纳米纤维，纺丝针头与接收滚筒之间的距离为15cm，接受滚筒的参数为100转/分钟，室内温度为27℃，相对湿度为45%，纺丝后得到PVP/PAN纳米复合纤维；

（5）将上述得到的纳米复合纤维放置于50℃的鼓风干燥箱中2小时，即可得到所需的PVP/PAN纳米复合纤维。

实施例7：

取实施例6中通过静电纺丝得到的PVP/PAN纳米复合纤维，在扫描电子显微镜下观察，如图1所示：所得PVP/PAN纳米复合纤维之间没有粘连，且没有串珠和断丝现象。

分析纳米复合纤维的直径分布，如图2所示：所得PVP/PAN纳米复合纤维的纤维直径主要分布在350～550纳米之间。

上面结合附图和实施例对本发明作了详细的说明，但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。