一种皮芯结构气凝胶纤维及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种皮芯结构气凝胶纤维及其制备方法，纺丝液A与纺丝液B分别从同轴针头的外喷丝孔和内喷丝孔挤出后在空气中相遇，之后再共同依次经过凝固浴固化和冷冻干燥的工序，制得皮芯结构气凝胶纤维；纺丝液B为气凝胶前驱液，纺丝液B中的溶剂为X，纺丝液A与X接触时能够在1～2s凝固成型；制得的外壳为具有多孔结构的纤维，内芯为气凝胶，且气凝胶整体连续，充满外壳。本发明专利技术的方法不同于传统湿法纺丝，制备工艺也与现有的同轴气凝胶纤维的制备方法有很大的提升，大大简化了气凝胶纤维的制备过程，即通过一步法就可制备可连续纺丝、具有不错的力学性能的皮芯结构气凝胶纤维。不错的力学性能的皮芯结构气凝胶纤维。不错的力学性能的皮芯结构气凝胶纤维。

【技术实现步骤摘要】
一种皮芯结构气凝胶纤维及其制备方法


[0001]本专利技术属于气凝胶
，涉及一种皮芯结构气凝胶纤维及其制备方法。

技术介绍

[0002]气凝胶由于其低密度、高孔隙率、高比表面积等优点，因此，可以广泛应用于隔热保温、水修复、空气净化和药物运输等领域。目前，关于块体、粉末气凝胶的报道是很多的，但是，关于气凝胶纤维的研究非常少的，这是因为在纺丝的时候，气凝胶纤维的内部结构容易坍塌，使得连续纺丝仍具有挑战性。
[0003]纤维素气凝胶是典型的三维多孔材料，且其具有密度低、比表面积大、成本低、可降解等优点，可被广泛应用于隔热材料、污水处理等领域。但由于制备条件的限制，使得制备出来的纯纤维素气凝胶纤维力学性能较差，极易损坏，且制备过程非常具有挑战性，这极大的限制了气凝胶的应用范围。
[0004]现有技术的气凝胶纤维虽然力学性能有所提升，但都是采用两步法制备，即先制备中空外壳后冷冻干燥，再将气凝胶前驱液注满外壳再冷冻干燥制得，这种方法操作具有挑战且耗时长，由于注射步骤的存在使得连续纺丝困难，不利于大规模制备。
[0005]因此，开发一种可连续纺丝、工艺简单的气凝胶纤维制备方法并由其制备出力学性能良好的气凝胶纤维具有很高的工业应用价值。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是解决现有技术中存在的上述问题，提供一种皮芯结构气凝胶纤维及其制备方法。本专利技术采用一步法制备同轴气凝胶纤维，将步骤简化，且可连续大规模生产，力学性能(即拉伸强度)可达到5MPa以上。
[0007]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0008]一种皮芯结构气凝胶纤维的制备方法，纺丝液A与纺丝液B分别从同轴针头的外喷丝孔和内喷丝孔挤出后在空气中相遇，之后再共同依次经过凝固浴固化和冷冻干燥的工序，制得皮芯结构气凝胶纤维；
[0009]纺丝液B为气凝胶前驱液，纺丝液B中的溶剂为X，纺丝液A与X接触时能够在1～2s凝固成型。
[0010]不同于现有技术的湿法纺丝方法，本专利技术采用的针头脱离凝固浴，利用外壳纺丝液(纺丝液A)和内芯纺丝液(纺丝液B)的特性，即外壳纺丝液遇内芯纺丝液能快速凝固(这里也会发生极少的溶剂交换，但是因为时间短，可忽略不计)，实现外壳纺丝液向内芯收缩，内芯将外壳撑起，在空气中外壳的内表面(可以理解为与内芯接触的一面)产生定型，内芯紧紧贴附于内外壳的内表面，这就使得皮芯纤维内芯填充极其饱满，之后再经过凝固浴，进行二次凝固，实现皮芯纤维外表面的凝固。
[0011]作为优选的技术方案：
[0012]如上所述的一种皮芯结构气凝胶纤维的制备方法，纺丝液A的质量浓度为15～
20％，纺丝液B的固含量为1.1～10％。纺丝液A和B中的溶质的含量过高，会导致粘度大堵住针头，过低成形慢，成形不佳。
[0013]如上所述的一种皮芯结构气凝胶纤维的制备方法，纺丝液A为醋酸纤维素/聚丙烯酸/二甲基乙酰胺(CA/PAA/DMAc)溶液、聚氨酯/二甲基甲酰胺(TPU/DMF)溶液或聚丙烯腈/二甲基甲酰胺(PAN/DMF)溶液，纺丝液B为木浆纤维素悬浮液或棉花纤维素悬浮液，X为水；
[0014]凝固浴为水性凝固浴，优选为去离子水凝固浴。
[0015]如上所述的一种皮芯结构气凝胶纤维的制备方法，醋酸纤维素/聚丙烯酸/二甲基乙酰胺(CA/PAA/DMAc)溶液中醋酸纤维素与聚丙烯酸的质量比为10:1。
[0016]本专利技术还提供如上任一项所述的一种皮芯结构气凝胶纤维的制备方法，具体步骤如下：
[0017](1)分别配置纺丝液A与纺丝液B，将配置好的两种纺丝液装入两个注射器中；
[0018](2)将两个注射器分别固定在两台微型注射泵上，采用同轴针头，并将同轴针头垂直固定于凝固浴上方，纺丝液A流经同轴针头的外喷丝孔，纺丝液B流经同轴针头的内喷丝孔；
[0019](3)两台微型注射泵同时工作，进行纺丝，制得初生纤维；
[0020](4)将步骤(3)制得的初生纤维先在凝固浴中浸泡一段时间，去除残留的有机溶剂(即外壳纺丝液中剩余的有机溶剂)，再进行冷冻处理，最后进行冷冻干燥(该过程是为了去除纺丝液B中的溶剂)，制得皮芯结构气凝胶纤维。
[0021]作为优选的技术方案：
[0022]如上所述的一种皮芯结构气凝胶纤维的制备方法，步骤(2)中，同轴针头竖直放置，同轴针头最底端(即纺丝液A和纺丝液B出口的位置)距离凝固浴的高度为15～25cm。在这个范围内纤维力学性能最佳，这主要是空中纤维自身重力的一个拉伸作用，速度恒定，高度越高，质量越大。
[0023]如上所述的一种皮芯结构气凝胶纤维的制备方法，步骤(3)中一台微型注射泵的注射速率为200～1000μL/min，另一台微型注射泵的注射速率为200～1000μL/min，两台微型注射泵的注射速率可以相同或不同，范围在200～1000μL/min之间，低于这个范围纺丝速度太慢，高于这个范围，纺丝速度过快，在空中的凝固时间过短，不利于纤维形貌。
[0024]如上所述的一种皮芯结构气凝胶纤维的制备方法，步骤(4)中，一段时间为30～60min(浸泡主要是去除外壳凝固后表面残留的有机溶剂，与凝固浴做溶剂交换，在这一范围内就能去除，小于范围则可能去除不完全，大于这范围则没必要)；冷冻温度为
‑
50～
‑
20℃，时间为12～24h；冷冻干燥的温度为
‑
80～
‑
75℃，时间为48～60h，压强小于等于15Pa。
[0025]本专利技术还提供采用如上任一项所述的方法制得的皮芯结构气凝胶纤维，外壳为具有多孔结构的纤维(纺丝液A由聚合物和有机溶剂配成，纺丝液A遇纺丝液B中的溶剂X(水)凝固，存在相的转化，多孔结构源于相转化过程中聚合物、有机剂溶剂和凝结剂(水)之间相分离和传质的结合)，内芯为气凝胶(纺丝液B冷冻干燥后溶剂X(水)升华，形成多孔结构)；且气凝胶整体连续，充满外壳内部的中空区域(填充效果是通过多位置截面观察得知的)；填充量是根据内芯的连续性以及纤维的截面形貌判断的，采用本专利技术的方法制得的皮芯结构气凝胶纤维内芯的气凝胶是完全连续的，与现有技术差别在于，该方法是一步法制备连续性皮芯结构气凝胶纤维，现有技术为湿法纺丝制备中空外壳，外壳干燥后再注射气凝胶
前驱液填充外壳，再干燥，方法繁琐且只能制备固定长度，而本方法则没限制。
[0026]作为优选的技术方案：
[0027]如上所述的皮芯结构气凝胶纤维，外壳的孔径(指外壳表面上形成的孔结构的孔径)为100～500nm，内芯的孔径(内芯的气凝胶前驱液经冷冻干燥后形成的气凝胶具有多孔结构，这里指多孔结构的孔径)为20～100μm；
[0028]外壳的材质为醋酸纤维素/聚丙烯酸、聚氨酯或聚丙烯腈，内芯的材质为羧基化木浆纤维素或棉花纤维素；
[0029]皮芯结构气凝胶纤维的拉伸强度为5MPa以上(拉伸强度用万能试验机在恒定的5％min
‑1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种皮芯结构气凝胶纤维的制备方法，其特征在于：纺丝液A与纺丝液B分别从同轴针头的外喷丝孔和内喷丝孔挤出后在空气中相遇，之后再共同依次经过凝固浴固化和冷冻干燥的工序，制得皮芯结构气凝胶纤维；纺丝液B为气凝胶前驱液，纺丝液B中的溶剂为X，纺丝液A与X接触时能够在1～2s凝固成型。2.根据权利要求1所述的一种皮芯结构气凝胶纤维的制备方法，其特征在于，纺丝液A的质量浓度为15～20％，纺丝液B的固含量为1.1～10％。3.根据权利要求2所述的一种皮芯结构气凝胶纤维的制备方法，其特征在于，纺丝液A为醋酸纤维素/聚丙烯酸/二甲基乙酰胺溶液、聚氨酯/二甲基甲酰胺溶液或聚丙烯腈/二甲基甲酰胺溶液，纺丝液B为木浆纤维素悬浮液或棉花纤维素悬浮液，X为水；凝固浴为水性凝固浴。4.根据权利要求3所述的一种皮芯结构气凝胶纤维的制备方法，其特征在于，醋酸纤维素/聚丙烯酸/二甲基乙酰胺溶液中醋酸纤维素与聚丙烯酸的质量比为10:1。5.根据权利要求1～4任一项所述的一种皮芯结构气凝胶纤维的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)分别配置纺丝液A与纺丝液B，将配置好的两种纺丝液装入两个注射器中；(2)将两个注射器分别固定在两台微型注射泵上，采用同轴针头，并将同轴针头固定于凝固浴上方；(3)两台微型注射泵同时工作，进行纺丝，制得初生纤维；(4)将步骤(3)制得的初...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵燕，孙弘瑞，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：