一种水分散芳纶纳米纤维及芳纶纳米纸的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种水分散芳纶纳米纤维及芳纶纳米纸的制备方法，本发明专利技术制备的芳纶纳米纤维，可完全在水相体系或者亲水性溶剂中均匀稳定地分散，本发明专利技术方法制备工艺流程简单，实现了短流程制备、易控制，适于产业化生产，解决了目前芳纶纳米纤维只能均匀地分散于强碱/DMSO体系中、无法均匀稳定地分散于水相体系中、不能长时间保存等问题；极大地拓展了芳纶纳米纤维与水溶性聚合物和亲水性材料的共混与增强应用。本发明专利技术以上述方法制备的水分散芳纶纳米纤维为原料制备的芳纶纳米纸，具有成形匀度好、纸张结构致密、机械强度和耐压强度性能优异等优点，可作为高性能绝缘材料广泛应用于高端电气绝缘领域。

【技术实现步骤摘要】
一种水分散芳纶纳米纤维及芳纶纳米纸的制备方法
本专利技术属于聚合物纳米材料和造纸领域，具体涉及一种水分散芳纶纳米纤维及芳纶纳米纸的制备方法。
技术介绍
对位芳纶纤维(PPTA)是一种高强度、高模量、绝缘性和耐高温性能优异的高性能合成纤维，是防护和增强材料的理想原料，广泛应用于航空航天、国防、电子通讯、石油化工等领域。对位芳纶纤维的高强耐高温特性来源于其分子链内部π-π共轭形成的刚性链状结构、分子链间氢键以及范德华等作用力形成的致密有序的二维网络状结构。但是，这种结构特点导致芳纶纤维表面光滑、活性基团少、化学惰性较强等缺陷，导致芳纶纤维与树脂等基体的界面结合力较差，限制了其在高性能复合增强材料、纳米材料、过滤材料、生物医药等高附加值领域中的应用。芳纶纳米纤维(AramidNanofibers,ANFs)作为一种近年来新兴的性能优异的聚合物纳米纤维，与材料领域应用最多的无机纳米增强材料(如纳米粒子、纳米线、纳米管、纳米片)类似，具有独特的纳米尺度结构、大的长径比和比表面积、同时又保留了芳纶宏观纤维优异的力学性能和耐温性能，为其带来常规化学纤维无法实现的机械性能、电性能和光学性能，使其成为一种新型的构建宏观复合材料的“构筑单元”，起着重要的界面增强作用，在复合材料、生物、医学、电子、能源等领域具有巨大的应用前景。芳纶纳米纤维的制备最早是由美国NicholasA.Kotov课题组教授提出的化学碱溶法(YangM,CaoK,SuiL,etal.Dispersionsofaramidnanofibers:anewnanoscalebuildingblock[J].AcsNano,2011,5(9):6945-54.)。通过将芳纶纤维与强碱(KOH)和二甲基亚砜(Dimethylsulphoxide，DMSO)混合后在室温条件下连续搅拌7-10天，得到均质分散稳定的ANFs/DMSO分散液。KOH/DMSO强碱体系可以定向有效地通过破坏宏观芳纶纤维分子链之间的氢键交联作用，同时使酰胺键上的N-H键断裂发生去质子化形成氮负离子，带负电荷的分子链在静电斥力、苯环和酰胺键产生的π-π共轭作用力以及分子间范德华力作用下分散并稳定存在。但是，该方法制备的芳纶纳米纤维只能存在强碱/DMSO体系下，当分散液中含有质子供体(如分散液变成中性或弱碱性时)，氮负离子重新获得氢原子，芳纶纳米纤维间氢键重新形成，纤维再次凝聚。尤其是，当分散液为水时，大量的芳纶纳米纤维会发生质子化还原，很容易产生聚集形成膜状或团聚状沉淀物；而且，由于ANFs/DMSO体系中的DMSO在潮湿的空气中很容易吸水，又容易发生质子化还原形成膜状或团聚状沉淀物，所以制备的芳纶纳米溶液在不能长时间存放。因此，该方法制备的芳纶纳米纤维溶液存在着只能分散于强碱/DMSO体系、无法均匀稳定地分散于水相体系、不能长时间保存等问题，极大地限制了其与水溶性聚合物和亲水性材料中的应用，使得性能优异的芳纶纳米纤维无法实现显著增强效果，限制了其应用领域。针对此问题，目前主要的解决思路是利用能与氮负离子进行亲和反应的活性官能团有机小分子(如溴代丙炔、氯代丙炔、5-氯-1-戊炔、1-溴-2-丁炔等)与芳纶纳米纤维反应，得到具有活性功能基的芳纶纳米纤维，然后将其与活性水溶性高分子化合物[如聚乙二醇单甲醚叠氮物(m-PEG-N3)、聚氧化乙烯叠氮物(PEO-N3)和聚丙烯酸叠氮物(PA-N3)]进行反应，得到带有水溶性官能团的芳纶纳米纤维，再经过冷冻干燥除去溶剂后将其分散于水溶液中得到水分散的芳纶纳米纤维(专利号201410833596.3)。但是，该专利提出的解决办法也存在着以下问题：第一，在芳纶纳米纤维表面通过反应使其带有水溶性小分子或官能团势必会导致其强度、模量以及耐热性下降；第二、多步反应法需要催化剂且在无氧条件下反应，制备过程与工艺复杂；第三，制备过程中需要冷冻干燥，能耗大、不利于工业化生产。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种水分散芳纶纳米纤维及芳纶纳米纸的制备方法，以克服上述现有技术存在的缺陷，本专利技术解决了目前芳纶纳米纤维只能均匀地分散于强碱/DMSO体系中、无法均匀稳定地分散于水相体系中、不能长时间保存等问题。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种水分散芳纶纳米纤维的制备方法，包括以下步骤：(1)将对位芳纶纤维、氢氧化钾、二甲基亚砜置于容器中，搅拌分散，得到分散于KOH/DMSO体系下的芳纶纳米纤维分散液；(2)将步骤(1)中得到的分散于KOH/DMSO体系下的芳纶纳米纤维分散液，在搅拌作用下，向其高压注射去离子水，得到分散于KOH/DMSO/H2O混合体系中的芳纶纳米纤维；(3)将步骤(2)中得到的分散于KOH/DMSO/H2O混合体系中的芳纶纳米纤维通过真空抽滤，得到芳纶纳米纤维；(4)将步骤(3)中得到的芳纶纳米纤维通过无水乙醇和去离子水反复洗涤，得到胶体状芳纶纳米纤维；(5)将步骤(4)中得到的胶体状芳纶纳米纤维在搅拌作用下分散于去离子水或亲水溶剂中，得到水分散芳纶纳米纤维。进一步地，步骤(1)中对位芳纶纤维、氢氧化钾和二甲基亚砜比例为1g：1.5g：500ml，所述的对位芳纶纤维是对位芳纶纱线纤维、对位芳纶短切纤维、对位芳纶浆粕纤维和对位芳纶沉析纤维中的一种。进一步地，步骤(2)中所述的高压注射是利用不锈钢高压射流泵，射流压力为5～15MPa，射流速度为0.2～2.0mL/s；射流去离子水与对位芳纶纤维的质量比为1:1～5:1。进一步地，步骤(3)中真空抽滤采用的滤膜为200～500目尼龙滤膜。进一步地，步骤(4)中洗涤用无水乙醇的体积与芳纶纤维质量的比为1mL:5mg～1mL:2mg；所述洗涤用去离子水与芳纶纤维的质量比为10:1～5:1。进一步地，步骤(5)中亲水溶剂为甲醇、乙醇、丙醇或异丙醇，且胶体状芳纶纳米纤维在去离子水或亲水溶剂中的分散浓度为0.5～5mg/mL。进一步地，步骤(1)中搅拌是指在密封条件下，在30～50℃温度下搅拌5～8天；步骤(2)中搅拌转速为600～3000rpm；步骤(5)中搅拌转数为500～2500rpm，搅拌时间30～180min。一种采用水分散芳纶纳米纤维制备芳纶纳米纸的方法，包括以下步骤：(1)分散：将水分散芳纶纳米纤维分散于去离子水中得到芳纶纳米纤维浆料，分散浓度为0.2～5mg/mL；(2)上网成形：将步骤(1)得到的芳纶纳米纤维浆料在斜网纸机上抄造成形得到芳纶纳米纸湿纸，成形质量浓度为0.02％～0.06％；(3)压榨干燥：将步骤(2)得到的芳纶纳米纸湿纸置于压榨机压榨并干燥得到芳纶纳米纸原纸。进一步地，步骤(3)中所述压榨条件为：压榨压力0.2～1.0MPa，压榨时间3～20min；所述干燥条件为：干燥温度：90～110℃，干燥时间5～15min。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术制备的水分散芳纶纳米纤维，解决了目前芳纶纳米纤维只能均匀地分散于强碱/DMSO体系中、无法均匀稳定地分散于水相体系中、不能长时间保存等问题；解决了现有技术通过反应使其带有水溶性小分子或官能团而导致的强度、模量以及耐热性下降，以及现有制备技术反应条件苛刻、制备过程与工艺复杂等缺点。本专利技术方法制备的水分散芳纶纳米纤本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水分散芳纶纳米纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将对位芳纶纤维、氢氧化钾、二甲基亚砜置于容器中，搅拌分散，得到分散于KOH/DMSO体系下的芳纶纳米纤维分散液；(2)将步骤(1)中得到的分散于KOH/DMSO体系下的芳纶纳米纤维分散液，在搅拌作用下，向其高压注射去离子水，得到分散于KOH/DMSO/H2O混合体系中的芳纶纳米纤维；(3)将步骤(2)中得到的分散于KOH/DMSO/H2O混合体系中的芳纶纳米纤维通过真空抽滤，得到芳纶纳米纤维；(4)将步骤(3)中得到的芳纶纳米纤维通过无水乙醇和去离子水反复洗涤，得到胶体状芳纶纳米纤维；(5)将步骤(4)中得到的胶体状芳纶纳米纤维在搅拌作用下分散于去离子水或亲水溶剂中，得到水分散芳纶纳米纤维。

【技术特征摘要】
1.一种水分散芳纶纳米纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将对位芳纶纤维、氢氧化钾、二甲基亚砜置于容器中，搅拌分散，得到分散于KOH/DMSO体系下的芳纶纳米纤维分散液；(2)将步骤(1)中得到的分散于KOH/DMSO体系下的芳纶纳米纤维分散液，在搅拌作用下，向其高压注射去离子水，得到分散于KOH/DMSO/H2O混合体系中的芳纶纳米纤维；(3)将步骤(2)中得到的分散于KOH/DMSO/H2O混合体系中的芳纶纳米纤维通过真空抽滤，得到芳纶纳米纤维；(4)将步骤(3)中得到的芳纶纳米纤维通过无水乙醇和去离子水反复洗涤，得到胶体状芳纶纳米纤维；(5)将步骤(4)中得到的胶体状芳纶纳米纤维在搅拌作用下分散于去离子水或亲水溶剂中，得到水分散芳纶纳米纤维。2.根据权利要求1所述的一种水分散芳纶纳米纤维的制备方法，其特征在于，步骤(1)中对位芳纶纤维、氢氧化钾和二甲基亚砜比例为1g：1.5g：500ml，所述的对位芳纶纤维是对位芳纶纱线纤维、对位芳纶短切纤维、对位芳纶浆粕纤维和对位芳纶沉析纤维中的一种。3.根据权利要求1所述的一种水分散芳纶纳米纤维的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述的高压注射是利用不锈钢高压射流泵，射流压力为5～15MPa，射流速度为0.2～2.0mL/s；射流去离子水与对位芳纶纤维的质量比为1:1～5:1。4.根据权利要求1所述的一种水分散芳纶纳米纤维的制备方法，其特征在于，步骤(3)中真空抽滤采用的滤膜为200～500目尼龙滤膜。5.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨斌，张美云，罗晶晶，陆赵情，宋顺喜，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61