一种纳米纤维材料及其制备方法与流程

1.本发明涉及纳米材料技术领域，尤其涉及一种纳米纤维材料及其制备方法。


背景技术：

2.纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸(0.1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10～100个原子紧密排列在一起的尺度。纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。纳米纤维是纳米材料的一种，指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料，现有技术中的纳米纤维拉伸强度小，结构强度不高，因此，设计、制备一种高强度的纳米纤维材料是很有必要的。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种纳米纤维材料。
4.本发明的另一个目的是提供上述纳米纤维材料的制备方法。
5.本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现。
6.一种纳米纤维材料，由按质量份数计的以下组分制得：聚乙烯20～25份、聚氨酯20～25份、聚乙烯吡咯烷酮5～10份、石墨烯纳米颗粒8～10份、硅烷偶联剂2～5份、十二烷基磺酸钠6～10份、碳纳米管5～8份、乙二醇10～15份和去离子水10～15份。
7.上述纳米纤维材料中，各组分的质量份数为：聚乙烯20～21份、聚氨酯20～21份、聚乙烯吡咯烷酮6～8份、石墨烯纳米颗粒8～10份、硅烷偶联剂2～5份、十二烷基磺酸钠7～8份、碳纳米管6～8份、乙二醇10～11份和去离子水10～11份。
8.上述纳米纤维材料中，所述硅烷偶联剂为乙烯基硅烷、氨基硅烷、甲基丙烯酰氧基硅烷中的一种。
9.上述纳米纤维材料的制备方法，包括以下步骤：
10.步骤1：将硅烷偶联剂完全溶解在乙二醇中，得到第一混合溶液；将碳纳米管均匀分散在去离子水中，得到碳纳米管浆料；然后将所述第一混合溶液加入到所述碳纳米管浆料中，混合均匀，得到混合基液；
11.在步骤1中，通过2000～2500rpm搅拌60～80min使碳纳米管均匀分散在去离子水中，加入所述第一混合溶液后继续2000～2500rpm搅拌20～30min以混合均匀。
12.步骤2：将作为物料的聚乙烯、聚氨酯、聚乙烯吡咯烷酮、石墨烯纳米颗粒和十二烷基磺酸钠在80～100℃温度条件下混合均匀，待所述物料冷却至室温后，对所述物料进行研磨，得到混合物料；
13.在步骤2中，通过1000～1500rpm搅拌60～90min使所述聚乙烯、聚氨酯、聚乙烯吡咯烷酮、石墨烯纳米颗粒和十二烷基磺酸钠混合均匀；研磨时间为1～2h，研磨后物料目数为200～40目。
14.步骤3：将步骤2得到的混合物料充分溶解到步骤1得到的混合基液中，得到第二混合溶液，然后在50～80℃温度条件下对所述第二混合溶液进行超声分散，静置陈化，得到材
料溶液；
15.在步骤3中，所述材料溶液中含有反应生成的聚乙二醇衍生物，生成的聚乙二醇衍生物在所述材料溶液中能起到分散剂的作用；
16.在步骤3中，当步骤2得到的混合物料充分溶解在步骤1得到的混合基液中后，通过超声分散除去所述第二混合溶液中的气泡；静置陈化形成水层后，抽去所述水层；
17.在步骤3中，通过600～800rpm搅拌90～120min使步骤2得到的混合物料充分溶解到步骤1得到的混合基液中；超声分散的频率为35000～45000hz，超声分散的时间为3～5min；静置陈化的时间为20～24h。
18.步骤4：将步骤3得到的材料溶液通过静电纺丝法制备成纳米纤维；
19.在步骤4中，进行静电纺丝时，将高压电源电压设置为10～25kv，将喷丝头和接收器之间的距离设置为10～25cm，针头孔径为0.48～0.5mm，控制注射泵流速为1～3ml/h，控制环境温度为30～35℃，相对湿度为50～60％。
20.步骤5：将步骤4得到的纳米纤维进行卷绕集束后，依次进行拉伸处理和热定型处理，得到纳米纤维材料；
21.在步骤5中，进行拉伸处理时，拉伸强力为25～30kn，拉伸时间为2～3min；热定型处理温度为150～200℃，热定型处理时间为2～3h。
22.本发明的有益效果是：本发明通过静电纺丝法得到纳米纤维，操作简单，再通过拉伸处理使得纳米纤维定向排列同时发生结晶，从而使得热定型处理后得到的纳米纤维材料的压缩模量、拉伸强度显著提高；本发明制得的纳米纤维材料的压缩模量可以达到6.1～6.3mpa，而现有纳米纤维材料的压缩模量仅为3～4mpa；本发明制得的纳米纤维材料的拉伸强度可以达到170～175mpa，而现有纳米纤维材料的拉伸强度仅为120～130mpa；综上所述，本发明的纳米纤维材料及其制备方法在纳米材料领域具有广阔的应用前景。
附图说明
23.图1是本发明纳米纤维材料的制备工艺流程图。
具体实施方式
24.以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
25.本发明实施例使用的相关仪器设备信息具体如下：
26.搅拌釜，型号sjbf-5000；
27.反应釜，型号tsk-0.5；
28.真空釜，型号sdw948；
29.研磨机，norwa研磨机；
30.超声波分散仪，型号fs-100t；
31.单喷嘴静电纺丝机，型号ne100；
32.纺织品拉伸试验机，型号wtwdw。
33.本发明实施例使用的相关药品信息具体如下：
34.聚乙烯，cas号9002-88-4，sigma-aldrich化学有限公司，超高分子质量，表面改
性，粒径40-48μm；
35.聚氨酯，百灵威公司，等级selectophore；
36.聚乙烯吡咯烷酮，cas号9003-39-8，sigma-aldlrich化学有限公司，纯度：99％；
37.石墨烯纳米颗粒，cas号：7440-44-0，南京科莱菲恩，纯度99.5％；
38.乙烯基硅烷，上海迈瑞尔化学技术有限公司，纯度97％；
39.氨基硅烷，硅烷偶联剂kh-550，南京辰工，ar，纯度98.0％；
40.甲基丙烯酰氧基硅烷，阿拉丁试剂(上海)有限公司，ar，纯度97％；
41.十二烷基磺酸钠，阿拉丁试剂(上海)有限公司，ar，纯度98.0％；
42.碳纳米管，深圳纳米港，纯度90％以上；
43.乙二醇，阿拉丁试剂(上海)有限公司，gc，纯度≥99.5％。
44.实施例1
45.本发明的一种纳米纤维材料，由按质量份数计的以下组分制得：聚乙烯21份、聚氨酯21份、聚乙烯吡咯烷酮8份、石墨烯纳米颗粒8份、乙烯基硅烷2份、十二烷基磺酸钠7份、碳纳米管7份、乙二醇11份和去离子水11份。
46.如图1所示，上述纳米纤维材料的制备方法，包括以下步骤：
47.步骤1：将乙烯基硅烷完全溶解在乙二醇中，得到第一混合溶液；将碳纳米管加入到去离子水中，在搅拌釜内2000rpm搅拌60min，分散均匀，得到碳纳米管浆料；然后将所述第一混合溶液加入到所述碳纳米管浆料中，2000rpm继续搅拌20min，混合均匀，得到混合基液；
48.步骤2：将作为物料的聚乙烯、聚氨酯、聚乙烯吡咯烷酮、石墨烯纳米颗粒和十二烷基磺酸钠放入反应釜中，在80℃温度条件下1000rpm搅拌60min以混合均匀，搅拌结束，待所述物料冷却至室温后，对所述物料进行研磨2h，研磨后物料目数为300目，得到混合物料；
49.步骤3：将步骤2得到的混合物料加入到步骤1得到的混合基液中，在真空釜中600rpm搅拌90min，使步骤2得到的混合物料充分溶解，得到第二混合溶液；再利用超声波分散仪在80℃温度条件下对所述第二混合溶液进行超声分散，以除去所述第二混合溶液中的气泡，超声分散的频率为35000hz，超声分散的时间为3min；静置陈化24h形成水层后，通过真空抽吸抽去所述水层，得到材料溶液；其中，所述材料溶液中含有反应生成的聚乙二醇衍生物，生成的聚乙二醇衍生物在所述材料溶液中能起到分散剂的作用；
50.步骤4：将步骤3得到的材料溶液注入到单喷嘴静电纺丝机的注射泵中，通过静电纺丝法在接收器上得到纳米纤维；在进行静电纺丝时，将高压电源电压设置为25kv，将喷丝头和接收器之间的距离设置为25cm，针头孔径为0.5mm，控制注射泵流速为3ml/h，控制环境温度为35℃，相对湿度为60％；
51.步骤5：将步骤4得到的纳米纤维进行卷绕集束，然后在纺织品拉伸试验机上进行拉伸，拉伸强力为30kn，拉伸时间为3min，使大分子沿纤维轴向取向排列，同时发生结晶；再将拉伸后的纳米纤维放置在190℃的烘箱中进行热定型处理3h，得到纳米纤维材料。
52.实施例2
53.本发明的一种纳米纤维材料，由按质量份数计的以下组分制得：聚乙烯20份、聚氨酯20份、聚乙烯吡咯烷酮7份、石墨烯纳米颗粒9份、氨基硅烷3份、十二烷基磺酸钠8份、碳纳米管6份、乙二醇11份和去离子水11份。
54.如图1所示，上述纳米纤维材料的制备方法，包括以下步骤：
55.步骤1：将氨基硅烷完全溶解在乙二醇中，得到第一混合溶液；将碳纳米管加入到去离子水中，在搅拌釜内2200rpm搅拌70min，分散均匀，得到碳纳米管浆料；然后将所述第一混合溶液加入到所述碳纳米管浆料中，2200rpm继续搅拌25min，混合均匀，得到混合基液；
56.步骤2：将作为物料的聚乙烯、聚氨酯、聚乙烯吡咯烷酮、石墨烯纳米颗粒和十二烷基磺酸钠放入反应釜中，在90℃温度条件下1250rpm搅拌80min以混合均匀，搅拌结束，待所述物料冷却至室温后，对所述物料进行研磨2h，研磨后物料目数为300目，得到混合物料；
57.步骤3：将步骤2得到的混合物料加入到步骤1得到的混合基液中，在真空釜中700rpm搅拌100min，使步骤2得到的混合物料充分溶解，得到第二混合溶液；再利用超声波分散仪在80℃温度条件下对所述第二混合溶液进行超声分散，以除去所述第二混合溶液中的气泡，超声分散的频率为35000hz，超声分散的时间为3min；静置陈化24h形成水层后，通过真空抽吸抽去所述水层，得到材料溶液；其中，所述材料溶液中含有反应生成的聚乙二醇衍生物，生成的聚乙二醇衍生物在所述材料溶液中能起到分散剂的作用；
58.步骤4：将步骤3得到的材料溶液注入到单喷嘴静电纺丝机的注射泵中，通过静电纺丝法在接收器上得到纳米纤维；进行静电纺丝时，将高压电源电压设置为25kv，将喷丝头和接收器之间的距离设置为25cm，针头孔径为0.5mm，控制注射泵流速为3ml/h，控制环境温度为35℃，相对湿度为60％；
59.步骤5：将步骤4得到的纳米纤维进行卷绕集束，然后在纺织品拉伸试验机上进行拉伸，拉伸强力为30kn，拉伸时间为3min，使大分子沿纤维轴向取向排列，同时发生结晶；再将拉伸后的纳米纤维放置在190℃的烘箱中进行热定型处理3h，得到纳米纤维材料。
60.实施例3
61.本发明的一种纳米纤维材料，由按质量份数计的以下组分组成：聚乙烯20份、聚氨酯20份、聚乙烯吡咯烷酮6份、石墨烯纳米颗粒10份、甲基丙烯酰氧基硅烷5份、十二烷基磺酸钠8份、碳纳米管8份、乙二醇10份和去离子水10份。
62.如图1所示，上述纳米纤维材料的制备方法，包括以下步骤：
63.步骤1：将甲基丙烯酰氧基硅烷完全溶解在乙二醇中，得到第一混合溶液；将碳纳米管加入到去离子水中，在搅拌釜内2500rpm搅拌80min，分散均匀，得到碳纳米管浆料；然后将所述第一混合溶液加入到所述碳纳米管浆料中，2500rpm继续搅拌30min，混合均匀，得到混合基液；
64.步骤2：将物料聚乙烯、聚氨酯、聚乙烯吡咯烷酮、石墨烯纳米颗粒和十二烷基磺酸钠放入反应釜中，在100℃温度条件下1500rpm搅拌90min以混合均匀，搅拌结束，待所述物料冷却至室温后，对所述物料进行研磨2h，研磨后物料目数为300目，得到混合物料；
65.步骤3：将步骤2得到的混合物料加入到步骤1得到的混合基液中，在真空釜中800rpm搅拌120min，使步骤2得到的混合物料充分溶解，得到第二混合溶液；再利用超声波分散仪在80℃温度条件下对所述第二混合溶液进行超声分散，以除去所述第二混合溶液中的气泡，超声分散的频率为35000hz，超声分散的时间为3min；静置陈化24h形成水层后，通过真空抽吸抽去所述水层，得到材料溶液；其中，所述材料溶液中含有反应生成的聚乙二醇衍生物，生成的聚乙二醇衍生物在所述材料溶液中能起到分散剂的作用；
66.步骤4：将步骤3得到的材料溶液注入到单喷嘴静电纺丝机的注射泵中，通过静电纺丝法在接收器上得到纳米纤维；进行静电纺丝时，将高压电源电压设置为25kv，将喷丝头和接收器之间的距离设置为25cm，针头孔径为0.5mm，控制注射泵流速为3ml/h，控制环境温度为35℃，相对湿度为60％；
67.步骤5：将步骤4得到的纳米纤维进行卷绕集束，然后在纺织品拉伸试验机上进行拉伸，拉伸强力为30kn，拉伸时间为3min，使大分子沿纤维轴向取向排列，同时发生结晶；再将拉伸后的纳米纤维放置在190℃的烘箱中进行热定型处理3h，得到纳米纤维材料。
68.对本发明实施例1至3的纳米纤维材料的相关性能进行测试，结果如表1所示。
69.表1本发明纳米纤维材料的相关性能测试结果
[0070] 压缩模量/mpa拉伸强度/mpa实施例16.1170实施例26.2175实施例36.3173
[0071]
通过表1中性能测试结果可知，本发明制得的纳米纤维材料的压缩模量可以达到6.1～6.3mpa，而现有纳米纤维材料的压缩模量仅为3～4mpa；本发明制得的纳米纤维材料的拉伸强度可以达到170～175mpa，而现有纳米纤维材料的拉伸强度仅为120～130mpa；本发明纳米纤维材料的压缩模量、拉伸强度显著提高。
[0072]
本发明通过静电纺丝法得到纳米纤维，操作简单，再通过拉伸处理使得纳米纤维定向排列同时发生结晶，从而使得热定型处理后得到的纳米纤维材料的压缩模量、拉伸强度显著提高，在纳米材料领域具有广阔的应用前景。
[0073]
本发明公开和提出的方法，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变条件路线等环节实现，尽管本发明的方法和制备技术已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和技术路线进行改动或重新组合，来实现最终的制备技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。