一种超疏水透湿纳米纤维膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种超疏水透湿纳米纤维膜及其制备方法和应用，属于纳米材料技术领域。包括：配制疏水SiO2和全氟烷基乙基甲基丙烯酸酯的PAN溶液作为纺丝液，采用液喷纺丝工艺通过高速气流直接吹喷纺丝液沉积在接收网上，形成三维堆砌多孔结构的纳米纤维膜，再通过热处理增加纤维膜的力学强度，使其具有接触角超150

【技术实现步骤摘要】
一种超疏水透湿纳米纤维膜及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于纳米材料
，具体涉及一种超疏水透湿纳米纤维膜及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]防水透湿膜通过自身的多孔效应有效阻止外界液态水的渗透，同时还能快速传递湿热蒸汽，该类膜被广泛应用于医疗、建筑、航空航天、电子科技等领域的防护及日常制品，成熟的多孔膜制备工艺主要包括熔融纺丝拉伸、热致相分离、流延平板等技术。
[0003]纳米纤维膜由于其将自身纳米级纤维通过层层堆叠的方式形成超细纤维无纺布，通过纤维间的微孔形成多孔筛分效应，其优点是可以通过控制孔径达到控制水分子通过的目的，从而一定程度上取代多孔膜用于户外服装产品，但其不足也非常明显，一是由于纤维层之间结合力不够产生的强力低问题，一是目前常用的静电纺丝效率低导致产能限制，使得大规模生产受到局限。
[0004]专利CN112575444A公开了一种多喷头静电纺丝装置，优化了喷头设计和分布并采用了恒温供液系统，对纺丝液粘度进行精密控制，同时在接收时利用热风负压方式控制纤维间粘结和多孔结构，实现了连续化宽幅膜的制备，改善了纳米纤维膜中纤维粘合性低的缺点，提高膜强度；专利CN112160072A采用同轴静电纺丝技术，使用同轴针头将相变材料负载到纤维内部，赋予材料调温功能，获得具有调温性能的防水透湿膜；专利CN104452109B提出在静电纺丝过程中，以空气或非溶剂蒸气的侧向气流对聚合物溶液射流以一定的夹角进行吹喷，加速射流中聚合物分子相分离并固化成纤的速度以提高纺丝效率，制得高透湿通量纤维基防水透湿膜。然而由于静电纺丝过程中纺丝针间距过小会导致电场紊乱，进而影响纺丝质量。为保证制品质量，宽幅化多喷头的纺丝针间距必须较大，这导致在有限空间内难以分布较多纺丝针，影响了产量，导致该项技术难以产业化发展。

技术实现思路

[0005]为克服现有技术中纳米纤维膜生产效率低、膜强度差且防水效果不佳的问题，本专利技术的主要目的是提供一种超疏水透湿纳米纤维膜的制备方法，采用高速气流直接吹喷掺有疏水二氧化硅(SiO2)和全氟烷基乙基甲基丙烯酸酯(FM)的PAN溶液，通过液喷纺丝工艺在接收网上形成三维堆砌多孔结构的纳米纤维膜，再通过热处理改善纤维膜的力学强度。
[0006]本专利技术的另一目的是提供一种超疏水透湿纳米纤维膜，通过液喷纺丝工艺得到。
[0007]本专利技术的再一目的是提供上述超疏水透湿纳米纤维膜在服用产品中的应用。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0009]本专利技术提供一种超疏水透湿纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：
[0010](1)制备纺丝液：称取PAN粉末、疏水SiO2和FM溶解于N，N二甲基乙酰胺(DMAC)溶剂中均匀混合，室温搅拌形成黄色透明状的纺丝液，消泡待用；
[0011](2)液喷纺丝：将上述纺丝液倒入注射泵中，设置推进速度，将注射泵的出液口通
过进液管与喷嘴联通，将喷嘴、调压阀、高压气罐通过气管相连，装上同轴纺丝针，多个喷嘴依序调整；打开调压阀和注射泵，纺丝液被推进至喷嘴内，并由同轴纺丝针的出口处流出，随即被高速气流吹喷沉积在接收网上，形成三维堆砌多孔结构的纳米纤维膜；其中通过调整接收网与同轴纺丝针的间距、调压阀的压力以及更换不同孔径的同轴纺丝针改变上述纳米纤维膜的沉积结构；
[0012](3)热处理：取下上述纳米纤维膜置于烘箱内热处理，得到超疏水透湿纳米纤维膜。
[0013]优选地，所述PAN的分子量为15万，质量分数为8％
–
14％，更优选为12％。
[0014]优选地，所述疏水SiO2的质量分数为0.5％
–
4％，更优选为2％。
[0015]优选地，所述FM的质量分数为0.5％
–
2％，更优选为1.5％。
[0016]优选地，所述注射泵的推进速度为0.2
–
0.5ml/min，更优选为0.3ml/min。
[0017]优选地，所述调压阀的压力为0.05
–
0.2MPa，更优选为0.15MPa；所述接收网与同轴纺丝针的间距为40
–
70cm，更优选为70cm；所述同轴纺丝针内径为0.26
–
0.5mm，更优选为0.32mm。
[0018]优选地，烘箱的温度为100
–
160℃，优选为140℃；热处理时间为5
–
20min，优选为15min。
[0019]本专利技术还提供一种超疏水透湿纳米纤维膜，通过上述超疏水透湿纳米纤维膜的制备方法得到，其具有接触角大于150
°
的超疏水结构，且透湿率大于12kg/m2/d。
[0020]本专利技术还提供上述超疏水透湿纳米纤维膜在在包括户外服装、袖套和鞋套的服用产品中的应用。
[0021]本专利技术还提供一种用于超疏水透湿纳米纤维膜的液喷纺丝装置，包括：高压气罐、注射泵、若干并联的喷嘴、与所述喷嘴匹配连接的同轴纺丝针和接收网，其中，所述高压气罐通过连接有调压阀的气管与所述喷嘴连通，所述注射泵的进液管与所述喷嘴连通，所述接收网置于所述同轴纺丝针前方用于接收所述同轴纺丝针经高速气流吹喷沉积的纳米纤维膜。
[0022]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0023]一、与静电纺丝不同，本专利技术采用液喷纺丝无需高压电场牵伸纤维，同轴纺丝针之间无影响且距离越近越容易最大化利用高压气流动能，生产效率高，有利于实现纳米纤维膜的规模化生产。经过高温热处理后，纤维之间相互粘连，其结构更为牢固，从而有效提高纳米纤维膜的力学性能。
[0024]二、本专利技术得到的超疏水透湿纳米纤维膜中纤维本体具有接触角超150
°
的超疏水结构，纤维间形成的纳米尺度孔径具有导湿作用，由此产生防水透湿效应，透湿率超过12kg/m2/d。
[0025]三、本专利技术的液喷纺丝过程中，气流通过喷嘴出气管喷出，溶液通过同轴纺丝针头挤出，气流环绕针头产生环形流场，环形流场导致气流动能利用效率增加，从而有效提高单个同轴纺丝针的纺丝速率，经测试单个同轴纺丝针纺丝速率超过静电纺丝单针纺丝速率10倍以上。另外，还可以采用多针联用液喷纺丝，气流通过分压管道流入并联的多个喷嘴，溶液从另一侧流入多个喷嘴，从而实现多针同步纺丝，生产效率进一步提高。
附图说明
[0026]图1为一实施例中液喷纺丝过程示意图，附图标记如下：1
‑
高压气罐、2
‑
注射泵、3
‑
调压阀、4
‑
喷嘴、5
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同轴纺丝针、6
‑
气管、7
‑
进液管、8
‑
纳米纤维膜、9
‑
接收网。
[0027]图2为实施例1制备的超疏水透湿纳米纤维膜的电镜图。
[0028]图3为实施例2制备的超疏水透湿纳米纤维膜的电镜图。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种液喷纺丝装置，其特征在于，包括：高压气罐、注射泵、若干并联的喷嘴、与所述喷嘴匹配连接的同轴纺丝针和接收网，其中，所述高压气罐通过连接有调压阀的气管与所述喷嘴连通，所述注射泵的进液管与所述喷嘴连通，所述接收网置于所述同轴纺丝针前方用于接收所述同轴纺丝针经高速气流吹喷沉积的纳米纤维膜。2.根据权利要求1所述的液喷纺丝装置，其特征在于，所述接收网与同轴纺丝针的间距为40
–
70cm，所述同轴纺丝针的内径为0.26
–
0.5mm。3.一种超疏水透湿纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，通过权利要求1或2所述液喷纺丝装置进行液喷纺丝，包括以下步骤：(1)制备纺丝液：称取PAN粉末、疏水SiO2和全氟烷基乙基甲基丙烯酸酯(FM)溶解于N，N二甲基乙酰胺(DMAC)溶剂中均匀混合，室温搅拌形成黄色透明状的纺丝液，消泡待用；(2)液喷纺丝：将上述纺丝液倒入注射泵中，设置推进速度，将注射泵的出液口通过进液管与喷嘴联通，将喷嘴、调压阀、高压气罐通过气管相连，装上同轴纺丝针，多个喷嘴依序调整；打开调压阀和注射泵，纺丝液被推进至喷嘴内，并由同轴纺丝针的出口处流出，随即被同轴纺丝针喷出的高速气流牵伸成纤维，并沉积在接收网上形成三维堆砌多孔结构的纳米纤维膜；其中可通过调整接收网与同轴纺丝针的间距、调压阀的压力以及更换不同孔径的同轴纺丝针改变所述纳米纤维膜的沉积结构；(3)热处理：取下上述纳米纤维膜置于烘箱内热处理，得到超疏水透湿纳米纤维膜。4.根据权利要求3所述超疏水透湿纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，所述PAN的分子量为15万，质量分数为8％
–
14％，和/或所述疏水SiO2的质...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱慧，孙光武，陈凯凯，高伟洪，辛三法，
申请(专利权)人：上海工程技术大学，
类型：发明
国别省市：