一种疏水/亲水浸润性差异复合纤维膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种疏水/亲水浸润性差异复合纤维膜及其制备方法，属于功能性微纳米复合纤维材料技术领域。所述复合纤维膜具有两层纤维膜，采用静电纺丝的方法，首先以电纺溶液A为前驱体溶液制备纤维膜PAN‑I，结合热处理方法使其具有疏水性；然后以电纺溶液B为前驱体溶液制备纤维膜PAN‑II，再将接收基底剥离，得到本发明专利技术的复合纤维膜。本发明专利技术的制备方法简单、能耗低、效率高。所述的复合纤维膜中纤维直径能够通过调节工艺参数来控制；较之单纯的疏水或亲水微/纳米纤维膜材料，本发明专利技术的复合纤维膜在亲水/疏水差异驱动下具有高效水滴捕获及收集能力；能用于空气中集水或集雾等领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于功能性微纳米复合纤维材料
，具体涉及一种特殊浸润性差异驱动下水滴高效捕获和收集的复合纤维膜及其制备方法。
技术介绍
利用材料表面浸润性差异(疏水/亲水)，在无外场或外场(如力、热、光、电场)作用的状态下实现液体高效定向传输不但在液体自传输领域具有重要作用而且在研究如微流体、污水处理、空气中集雾集水等领域具有应用价值。目前，对于具有浸润性明显差异或梯度膜的制备和研究相对较少，而设计和采用简单易行、能耗低、可能实现规模制备的单向液体输运膜在实际应用和科学研究中具有重要意义。2010年，HoSumLim等利用静电纺丝和热处理相结合的方法制备了具有亲疏水差异的聚丙烯腈纤维膜，实现特殊浸润性“双面神”纤维膜的便捷制备，但其未能对其功能性进行进一步研究(Langmuir,2010,26,19159)。2010年，LinTong小组将聚乙烯织物在含二氧化钛溶胶中浸渍，利用紫外光照射织物膜使膜一侧呈疏水态另一侧呈亲水态，实现了水滴的单向透过性能(J.Mater.Chem.,2010,20,7938)，这种方法所制备的织物膜首次成功实现了在浸润性梯度驱动下水的单向透过(水由疏水侧向亲水侧透过；而从亲水侧向疏水侧不能透过)，但在实际应用中其稳定性有待进一步提高。LeiJiang等首次采用高效的静电纺丝的方法制备获得由疏水聚氨酯和亲水交联聚乙烯醇构成的复合电纺微/纳米纤维膜，该纤维膜对水滴具有单向透过性能(SoftMatter,2012,8,5996)。XuelinTian等采用蒸汽扩散和等离子体处理的方法制备了特殊浸润性差异的“双面神”棉类织物，实现了对水和油的单向驱动(AdvancedFunctionalMaterials,2014,24,6023)。静电纺丝技术简称电纺，作为近些年来发展起来的高效制备微/纳米纤维的技术受到广泛关注及应用。电纺是利用高压电场的作用来实现纺丝溶液的喷射。将聚合物溶液或熔体置于高压静电场中，带电的聚合物液滴在电场库仑力作用下被拉伸。当电场力足够大时，聚合物溶液或熔体克服表面张力的作用形成喷射状细流。细流在喷射过程中随着溶剂挥发而固化，落于负极收集板上，形成无纺布状的微米、纳米级纤维膜。由于电纺技术操作简单、能够实现规模化生产，已被广泛应用于制备纤维材料，所制备出的纤维材料包括聚合物、无机氧化物、金属以及有机/无机杂化材料等。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种通过静电纺丝技术结合简单便捷的热处理方法，制备具有浸润性呈明显疏水/亲水差异的复合纤维膜。本专利技术的制备方法简单、能耗低、效率高。所制备的纳米/微米级纤维膜其纤维直径能够通过调节工艺参数来控制。所制备的复合纤维膜较之单纯的疏水或亲水微/纳米纤维膜材料，在亲水/疏水差异驱动下具有高效水滴捕获及收集能力。本专利技术制备得到的复合纤维膜能用于空气中集水或集雾等领域。本专利技术所涉及的疏水/亲水差异的复合纤维膜其制备方法涉及以下几个步骤：(1)电纺溶液A的制备：将分析纯级别的聚合物聚丙烯腈(PAN)在60℃～100℃加热搅拌至溶解于溶剂中，充分搅拌至聚合物完全溶解，得到聚丙烯腈的电纺溶液A。所得聚丙烯腈的电纺溶液A的质量分数为12.5wt％～20wt％。溶解聚丙烯腈的溶剂为分析纯的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、分析纯的四氢呋喃(THF)、分析纯的二甲基亚砜(DMSO)或二甲基乙酰胺(DMAC)等，具体可选自其中的一种溶剂或两种溶剂形成混合溶剂。(2)将上述电纺溶液A置于电纺设备的注射器中，在注射器的金属喷丝头与转鼓接收基底之间施加高压静电场，高压静电场电压为10～35kV，金属喷丝头的直径为0.4mm～1.8mm，转鼓转速在100r/min～2000r/min，接收基底A为钢丝网、铝箔等。调整金属喷丝头与转鼓接收基底之间的距离为10～35cm，施加的高压静电场使电纺溶液A在静电作用下产生射流，在接收基底A上得到无规排列、均匀覆盖的纤维膜PAN-I(命名为PAN-I)。纤维膜PAN-I的纤维直径500nm～3μm。(3)将上述步骤(2)中所制备的纤维膜PAN-I在200℃～250℃的条件下，热处理2h～3h。热处理后纤维膜PAN-I呈疏水性。(4)电纺溶液B的制备：将分析纯级别的聚合物聚丙烯腈(PAN)在60℃-100℃加热搅拌至溶解于溶剂中，充分搅拌至聚合物完全溶解，得到聚丙烯腈的电纺溶液B。所得聚丙烯腈的电纺溶液B的质量分数为5wt％～10wt％。溶解聚丙烯腈的溶剂为分析纯的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、分析纯的四氢呋喃(THF)、分析纯的二甲基亚砜(DMSO)或二甲基乙酰胺(DMAC)等，具体可选自其中的一种溶剂或两种溶剂形成混合溶剂。(5)将步骤(3)制备的疏水的PAN-I作为接收基底B，将步骤(4)配置的PAN电纺溶液B置于电纺设备的注射器中，在注射器的金属喷丝头与转鼓接收基底之间施加高压静电场，高压静电场电压为10～35kV，金属喷丝头的直径为0.1mm～0.6mm，转鼓转速在100r/min～2000r/min。调整金属喷丝头与转鼓接收基底之间的距离为10～30cm，施加的高压静电场使电纺溶液B在静电作用下产生射流，在接收基底B上得到无规排列、均匀覆盖的亲水的纤维膜PAN-II(命名为PAN-II)。纤维膜PAN-II的纤维直径100nm～500nm。将上述PAN-I和PAN-II从铝箔、钢丝网等接收基底A上剥离，最终获得由PAN-I和PAN-II组成的疏水/亲水浸润性差异复合纤维膜。本专利技术的优点在于：本专利技术所制备的疏水/亲水浸润性差异复合纤维膜为微/纳米复合纤维膜，具有由微米或纳米纤维构成的复合网状多孔结构，相互交织的微米尺度纤维网孔和微/纳米尺度的纤维形成了粗糙的表面结构。在空气中，经过热处理的纤维膜PAN-I对水的接触角大于130°，具有疏水性。未经热处理的PAN-II对水的接触角小于10°，具有超亲水性。所述复合纤维膜电纺后可由铝箔、钢丝网等接收基底上剥离，能够实现自支撑。附图说明图1为本专利技术所采用的制备方法示意图。图2为实施例1制备的疏水的纤维膜PAN-I表面放大10,000倍形貌扫描电镜照片，图中标尺为2μm。图3为本专利技术实施例1在空气中水滴(3μL)在制备的疏水的纤维膜PAN-I表面的接触角照片，水的接触角＝147°。图4为实施例1制备的亲水的纤维膜PAN-II表面放大10,000倍形貌扫描电镜照片，图中标尺为2μm。图5为本专利技术实施例1在空气中水滴(3μL)在制备的亲水的纤维膜PAN-II表面的接触角照片，水的接触角＝0°。图6为实施例1制备的疏水/亲水复合纤维膜水滴捕获收集能力与单纯疏水、单纯亲水电纺纤维膜对比图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做详细说明，但本专利技术并不局限于此。下述实施例中所述试剂及材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。实施例1(1)将分析纯级别的聚合物聚丙烯腈(PAN)在60℃加热搅拌至溶解于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中，充分搅拌至PAN完全溶解，得到聚丙烯腈/N,N-二甲基甲酰胺(PAN/DMF)的电纺溶液A。所得电纺溶液A的质量分数为12.5wt％。(2)将电纺溶液A置于电纺设备的注射器中，在注射器的金属喷丝本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种疏水/亲水浸润性差异复合纤维膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)纺丝溶液A的制备：将分析纯级别的聚合物聚丙烯腈在60℃～100℃加热搅拌至溶解于溶剂中，充分搅拌至完全溶解，得到聚丙烯腈的电纺溶液A；(2)将上述电纺溶液A置于电纺设备的注射器中，在注射器的金属喷丝头与转鼓接收基底之间施加高压静电场，高压静电场电压为10～35kV，金属喷丝头的直径为0.4mm～1.8mm，转鼓转速在100r/min～2000r/min，接收基底A为钢丝网、铝箔；调整金属喷丝头与转鼓接收基底之间的距离为10～35cm，施加的高压静电场使电纺前驱体在静电作用下产生射流，在接收基底A上得到无规排列、均匀覆盖的纤维膜PAN‑I；(3)将上述步骤(2)中所制备的纤维膜PAN‑I在200℃～250℃的条件下，热处理2h～3h；热处理后纤维膜PAN‑I呈疏水性；(4)电纺溶液B的制备：将分析纯级别的聚合物聚丙烯腈在60℃～100℃加热搅拌至溶解于溶剂中，充分搅拌至完全溶解，得到聚丙烯腈的电纺溶液B；(5)将步骤(3)制备的疏水的PAN‑I作为接收基底B，将步骤(4)配置的PAN电纺溶液B置于电纺设备的注射器中，在注射器的金属喷丝头与转鼓接收基底之间施加高压静电场，高压静电场电压为10～35kV，金属喷丝头的直径为0.1mm～0.6mm，转鼓转速在100r/min～2000r/min；调整金属喷丝头与转鼓接收基底之间的距离为10～30cm，施加的高压静电场使电纺溶液B在静电作用下产生射流，在接收基底B上得到无规排列、均匀覆盖的亲水的纤维膜PAN‑II；将上述PAN‑I和PAN‑II从接收基底A上剥离，最终获得由PAN‑I和PAN‑II组成的疏水/亲水浸润性差异复合纤维膜。...

【技术特征摘要】
1.一种疏水/亲水浸润性差异复合纤维膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)纺丝溶液A的制备：将分析纯级别的聚合物聚丙烯腈在60℃～100℃加热搅拌至溶解于溶剂中，充分搅拌至完全溶解，得到聚丙烯腈的电纺溶液A；(2)将上述电纺溶液A置于电纺设备的注射器中，在注射器的金属喷丝头与转鼓接收基底之间施加高压静电场，高压静电场电压为10～35kV，金属喷丝头的直径为0.4mm～1.8mm，转鼓转速在100r/min～2000r/min，接收基底A为钢丝网、铝箔；调整金属喷丝头与转鼓接收基底之间的距离为10～35cm，施加的高压静电场使电纺前驱体在静电作用下产生射流，在接收基底A上得到无规排列、均匀覆盖的纤维膜PAN-I；(3)将上述步骤(2)中所制备的纤维膜PAN-I在200℃～250℃的条件下，热处理2h～3h；热处理后纤维膜PAN-I呈疏水性；(4)电纺溶液B的制备：将分析纯级别的聚合物聚丙烯腈在60℃～100℃加热搅拌至溶解于溶剂中，充分搅拌至完全溶解，得到聚丙烯腈的电纺溶液B；(5)将步骤(3)制备的疏水的PAN-I作为接收基底B，将步骤(4)配置的PAN电纺溶液B置于电纺设备的注射器中，在注射器的金属喷丝头与转鼓接收基底之间施加高压静电场，高压静电场电压为10～35kV，金属喷丝头的直径为0.1mm～0.6mm，转鼓转速在100r/min～2000r/min；调整金属喷丝头与转鼓接收基底之间的...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴晶，
申请(专利权)人：北京服装学院，
类型：发明
国别省市：北京;11