一种多功能纳米纸/静电纺丝纤维柔性复合膜结构的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种多功能纳米纸/静电纺丝纤维柔性复合膜结构的制备方法，属于纳米材料领域。本发明专利技术的目的为解决纳米纸自身力学性能较低及常见制备纳米纸/树脂基复合材料方法中存在的工艺复杂、产品无柔性、纳米纸功能性降低等问题。本发明专利技术采用尺寸大于静电纺丝纤维薄膜的孔径的纳米粒子(包括金属和非金属的纳米线、纳米棒、纳米片和纳米簇等纳米形貌粒子)经一系列分散方法分散后，以高分子静电纺丝纤维膜或高分子基复合材料静电纺丝纤维膜为滤膜真空抽滤纳米粒子均匀溶液制备而成。本发明专利技术在导热散热、导电、传感器、电磁屏蔽、驱动、防雷击、防除冰、医用医疗、超级电容器和电池电极电池等多领域中具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于纳米材料领域，具体说涉及到一种以高分子静电纺丝纤维膜或高分子基复合材料静电纺丝纤维膜为滤膜，利用真空抽滤纳米粒子(包括金属、非金属、金属化合物和非金属化合物的纳米线、纳米棒、纳米片、纳米簇和核壳结构等不同纳米形貌粒子)的均匀溶液的便捷方法制备柔性多功能复合薄膜结构。在导热散热、导电、传感器、电磁屏蔽、驱动、防雷击、防除冰、医用医疗、超级电容器和电池电极电池等多领域中具有广阔的应用前景。
技术介绍
纳米纸作为纳米粒子的宏观材料以具有纳米粒子的优异功能属性在冷场发射、散热、电磁干扰屏蔽和吸波、人工肌肉、超级电容器、电池电极、传感器及驱动等研究和应用领域引起了广泛的关注。目前制备纳米纸的方法有真空抽滤法、阵列顺压法和气相沉积法等，常用的制备纳米纸的方法是真空抽滤法，该方法被认为是简便和有望大规模生产的方法。比如Zhang等人利用真空抽滤法制备了碳纳米管纸[CARBON,94,2015,101–113]。然而采用该方法得到的碳纳米管纸实际上自身力学性能较差。L.James Lee等人利用真空抽滤法制备了石墨烯/氧化石墨烯纳米纸的拉伸强度也只有28MPa[AIP ADVANCES,5,2015,017135)]。而在实际应用中，通常需要大尺寸和力学性能较好的纳米纸。因此制备简捷、具有较好柔韧性和具有一定拉伸强度的纳米纸复合材料制备具有重要的理论和应用价值。近年来，纳米纸浸润树脂法虽然一定程度上克服了纳米管纸拉伸强度不足的问题，已经引起了研究者的关注。但所制得复合材料仍然有很高的脆性，而且由于纳米纸被树脂所覆盖，复合材料的电、热和光等相关性能与纳米纸相比大幅降低，严重限制其应用范围。如Zhang等人制备的碳纳米管纸/环氧树脂复合材料丧失了柔性，且导电性大幅下降[Composites:Part A,68,2015,282–288]。
技术实现思路
本专利技术的目的为解决纳米纸自身力学性能较低及常见制备纳米纸/树脂基复合材料方法中存在的工艺复杂、产品无柔性、纳米纸功能性降低等问题，本专利技术提供了一种多功能纳米粒子/静电纺丝纤维柔性复合膜结构的制备方法，制备出的多功能纳米粒子/静电纺丝纤维柔性复合膜结构具有较好的力学性能和柔性，并兼顾了纳米纸的功能性。本专利技术中一种多功能纳米纸/静电纺丝纤维柔性复合膜结构的制备方法由下述步骤完成的：一、将高分子材料或高分子复合材料加入溶剂中，搅拌10-24小时，得到溶液A，溶液A的重量浓度为5％～30％；二、步骤一获得的溶液A进行静电纺丝得到纤维膜；倒入nanospider的静电纺丝辊中，将静电纺丝电压调至20～70kv，静电纺丝辊转速调至1～5圈/分钟，上下电极间距调至5～25厘米，进行静电纺丝，在无纺布或铝箔等接收物体上得到高分子或高分子基复合材料薄膜三、将纳米粒子与分散剂混合，然后经采用三辊剪切分散的方法进行分散20～30min(得到糊状混合物)；四、再溶于去离子水中，使纳米粒子的浓度为10mg/L～1g/L，然后通过超声分散仪进行循环超声分散1～24h，得到纳米粒子溶液；五、将步骤四获得纳米粒子溶液用步骤二获得的纤维膜进行真空抽滤，然后置于两玻璃板之间，在30～100℃的烘箱内烘干1～48h；即得到多功能纳米纸/静电纺丝纤维柔性复合膜结构；其中高分子材料可静电纺丝，高分子复合材料为高分子/可静电纺丝高分子复合材料、纳米粒子/可静电纺丝高分子复合材料。步骤一所述的高分子材料为尼龙66、聚偏氟乙烯、聚丙烯晴、聚酰亚胺、蛋白质、聚苯胺或纤维素等。步骤一所述的高分子复合材料是聚苯胺/聚丙烯晴、聚苯胺/尼龙66等高分子/可静电纺丝高分子复合材料；还可以是银纳米棒/聚丙烯晴、镍纳米线/聚丙烯晴、银纳米管/尼龙66、四氧化三铁纳米线/聚丙烯晴、碳化钛纳米球/尼龙66等不同形貌的金属及金属化合物纳米粒子/可静电纺丝高分子复合材料；还可以是碳纳米管/聚丙烯晴、碳纳米管/聚偏氟乙烯、石墨烯/聚丙烯晴、碳黑/尼龙66、氮化
硼纳米管/聚偏氟乙烯等不同形貌的非金属或非金属化合物纳米粒子/可静电纺丝高分子复合材料；还可以是银@氧化铝/尼龙66、碳纳米管@氧化镍/聚己内酯核壳结构纳米粒子/可静电纺丝高分子复合材料。步骤一所述的溶剂为去离子水；还可以是苯、甲苯、二甲苯等芳香烃类溶剂；还可以是戊烷、己烷、辛烷等脂肪烃类溶剂；还可以是环己烷、环己酮、甲苯环己酮等脂环烃类溶剂；还可以是氯苯、二氯苯、二氯甲烷等卤化烃类溶剂；还可以乙醚、环氧丙烷等醚类溶剂；还可以是醋酸甲酯、醋酸乙酯、醋酸丙酯等酯类溶剂；还可以是丙酮、甲基丁酮、甲基异丁酮等酮类溶剂；还可以是乙腈、吡啶、苯酚、氯仿、N-N二甲基甲酰胺或丙酮等溶剂。步骤二中静电纺丝得到纤维膜是按下述步骤进行的：将步骤一获得的溶液A倒入nanospider的静电纺丝辊中，将静电纺丝电压调至20～70kv，静电纺丝辊转速调至1～5圈/分钟，上下电极间距调至5～25厘米，进行静电纺丝，在无纺布上得到纤维膜。步骤三所述的纳米粒子为银@氧化铝核壳结构纳米粒子、银@二氧化硅核壳结构纳米粒子、碳纳米管@氧化镍核壳结构纳米粒子等不同形貌的核壳结构粒子；还可以是镍纳米线、银纳米棒、银纳米管、金纳米球、银纳米方块、银纳米三角等不同形貌的金属纳米粒子；还可是四氧化三铁纳米球、氧化锌纳米簇、氧化镍纳米线、碳化钛纳米粒子等不同形貌的金属化合物纳米粒子；还可是碳纳米管、石墨烯纳米粒子、碳黑纳米粒子、短切碳纤维纳米粒子、氮化硅纳米粒子或氮化硼纳米粒子等不同形貌的非金属及非金属化合物纳米粒子。步骤三所述的分散剂为曲拉通X-100、十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、聚乙烯吡咯烷酮或油酸等有机分散剂；还可是三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、焦磷酸钠等无机分散剂。步骤三中将纳米粒子与分散剂按照质量比为1:(1～50)的比例混合。步骤三中三个高低速滚轮的剪切速度比为1：(1～5)：(1～10)，滚轮间的间隙分别为5(前两滚之间间隙)～30μm(后两轮之间间距)、5～30μm和5～30μm；步骤四中超声破碎仪的功率为100-750W，放大倍率为10-50％，循环超声分散时间为1-24h。本专利技术以真空抽滤法制备多功能纳米粒子/静电纺丝纤维柔性复合膜结构具有一定的拉伸强度(拉伸强度20MPa～1GPa)和较好柔性等优点，而且柔性复合材料单侧功能性能(如热性能、电性能等)与纳米纸相近，而且复合材料由于是多孔结构，具有良好的相容性，性能可设计性，平行方向性能各项同性等性能。且该方法操作简单便捷，有利于实现大规模生产，本专利技术制备出的柔性复合材料单侧功能性能(如热性能、电性能等)与纳米纸相近，而且复合材料由于是多孔结构，具有良好的相容性，性能可设计性，平行方向性能各项同性等性能，使其在导热散热、导电、传感器、电磁屏蔽、驱动、防雷击、防除冰、医用医疗、超级电容器和电池电极电池等多领域中具有广阔的应用前景。附图说明图1为碳纳米管纸层面密度为1mg/cm2的复合材料的碳纳米管纸面的SEM图；图2为碳纳米管纸层面密度为2mg/cm2的复合材料的碳纳米管纸面的SEM图；图3为碳纳米管纸层面密度为3mg/cm2的复合材料的碳纳米管纸面的SEM图；图4为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多功能纳米纸/静电纺丝纤维柔性复合膜结构的制备方法，其特征在于该制备方法是由下述步骤完成的：一、将高分子材料或高分子复合材料加入溶剂中，搅拌10～24小时，得到溶液A，溶液A的重量浓度为5％～30％；二、步骤一获得的溶液A进行静电纺丝得到纤维膜；倒入nanospider的静电纺丝辊中，将静电纺丝电压调至20～70kv，静电纺丝辊转速调至1～5圈/分钟，上下电极间距调至5～25厘米，进行静电纺丝，在无纺布或铝箔上得到高分子或高分子基复合材料薄膜三、将纳米粒子与分散剂混合，然后经采用三辊剪切分散的方法进行分散20～30min(得到糊状混合物)；四、再溶于去离子水中，使纳米粒子的浓度为10mg/L～1g/L，然后通过超声分散仪进行循环超声分散1～24h，得到纳米粒子溶液；五、将步骤四获得纳米粒子溶液用步骤二获得的纤维膜进行真空抽滤，然后置于两玻璃板之间，在30～100℃的烘箱内烘干1～48h；即得到多功能纳米纸/静电纺丝纤维柔性复合膜结构；其中，高分子材料为可静电纺丝高分子材料，高分子复合材料为高分子/可静电纺丝高分子复合材料、纳米粒子/可静电纺丝高分子复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种多功能纳米纸/静电纺丝纤维柔性复合膜结构的制备方法，其特征在于该制备方法是由下述步骤完成的：一、将高分子材料或高分子复合材料加入溶剂中，搅拌10～24小时，得到溶液A，溶液A的重量浓度为5％～30％；二、步骤一获得的溶液A进行静电纺丝得到纤维膜；倒入nanospider的静电纺丝辊中，将静电纺丝电压调至20～70kv，静电纺丝辊转速调至1～5圈/分钟，上下电极间距调至5～25厘米，进行静电纺丝，在无纺布或铝箔上得到高分子或高分子基复合材料薄膜三、将纳米粒子与分散剂混合，然后经采用三辊剪切分散的方法进行分散20～30min(得到糊状混合物)；四、再溶于去离子水中，使纳米粒子的浓度为10mg/L～1g/L，然后通过超声分散仪进行循环超声分散1～24h，得到纳米粒子溶液；五、将步骤四获得纳米粒子溶液用步骤二获得的纤维膜进行真空抽滤，然后置于两玻璃板之间，在30～100℃的烘箱内烘干1～48h；即得到多功能纳米纸/静电纺丝纤维柔性复合膜结构；其中，高分子材料为可静电纺丝高分子材料，高分子复合材料为高分子/可静电纺丝高分子复合材料、纳米粒子/可静电纺丝高分子复合材料。2.根据权利要求1所述的一种多功能纳米纸/静电纺丝纤维柔性复合膜结构的制备方法，其特征在于步骤一所述的高分子材料为尼龙66、聚偏氟乙烯、聚丙烯晴、聚酰亚胺、蛋白质、聚苯胺或纤维素。3.根据权利要求1所述的一种多功能纳米纸/静电纺丝纤维柔性复合膜结构的制备方法，其特征在于步骤一所述的高分子复合材料为高分子/高分子复合材料；不同形貌的纳米金属及金属化合物/高分子复合材料、不同形貌的纳米非金属及非金属化合物/高分子复合材料、核壳粒子/高分子复合材料中的一种。4.根据权利要求1所述的一种多功能纳米纸/静电纺丝纤维柔性复合膜结构的制备方法，其特征在于步骤一所述的溶剂为去离子水、苯、...

【专利技术属性】
技术研发人员：冷劲松，刘彦菊，夏乾善，张志春，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23