一种具有分级纳米结构的纤维制备方法及其在铀酰离子吸附方法中的应用技术

本发明专利技术公开了一种具有分级纳米结构的纤维制备方法及其在铀酰离子吸附方法中的应用，通过静电纺丝将高分子制备成纳米纤维毡；再用接枝聚合将功能单体接枝在高分子纳米纤维主链上；最后通过偕胺肟化功能改性，将材料中的功能单体转化为偕胺肟基，得到具有分级纳米结构的偕胺肟基高分子静电纺纳米纤维毡。本发明专利技术方法简单，成本低廉，工艺可控，且制备的材料具有分级纳米结构，大比表面积和高孔隙率的优点。直径尺寸在纳米的纤维吸附时可以暴露更多的吸附位点，并且本发明专利技术通过接枝降低了高分子链之间的自由体积，使其形成致密的三维网络结构，在吸附时充分发挥了空间协同的作用，提高偕胺肟基与铀的亲和力，实现了材料的高官能团利用率和吸附容量。利用率和吸附容量。利用率和吸附容量。

【技术实现步骤摘要】
一种具有分级纳米结构的纤维制备方法及其在铀酰离子吸附方法中的应用


[0001]本专利技术涉及一种纳米纤维材料的制备方法及其应用，所制备的高分子材料应用于核素的吸附分离应用


技术介绍

[0002]核技术已经成熟，它能够以较低的温室气体排放量发电。根据计算，目前陆地上的铀矿资源不足以供人类使用100年。幸运的是，海洋是铀的巨大资源宝库，约储藏有45亿吨，几乎可实现铀的无限量供应。此外，发展海水提铀或盐湖卤水提铀和中低放废水提铀的回收技术，对于缓解市场供给压力、稳定铀价格也具有非同寻常的意义。然而，对于海水提铀不仅需要针对极低的铀浓度(～3.3ppb)、巨大的共存离子、周围微生物和高盐度，还需要面对高度多变的海洋气候和洋流。所以海水提铀也被认为是改变世界的七个分离方法之一。经过50多年的研究，不论在低浓度海水还是高浓度的铀矿废液等铀溶液中，吸附已被确定为是海水提铀最具潜力的方法，所以开发经济、高效的提铀技术具有重要的意义。
[0003]吸附官能团已经研究了几十年，其中偕胺肟基在200多种有机官能团聚合物材料中被选为最有前途的铀配体。对于偕胺肟基吸附材料，首先出现的是偕胺肟基吸附树脂。但其颗粒状或粉末状不利于收集和再利用，严重影响了实用性。随后，接枝丙烯腈再改性得到的偕胺肟基纤维因其连续的形态、较高的力学性、丰富的吸附位点、部署方便和易回收等优点而受到广泛研究。目前，研究人员已经通过辐射诱导接枝聚合技术、原子转移自由基聚合技术或直接在聚丙烯腈纤维上进行偕胺肟反应制备了多种偕胺肟基纤维，例如由橡树岭国家实验室制备的丙烯腈接枝率为595％
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2,818％偕胺肟基聚乙烯纤维，最高吸附容量达到3.02mg
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U/g
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ads。还有研究的“AI”和“AF”系列吸附剂，丙烯腈接枝率为110％
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300％(最高吸附容量3.35mg
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ads)和154％
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354％(最高吸附容量3.9mg
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ads)和丙烯腈接枝率为1,390％的聚(氯乙烯)
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共氯化聚(氯乙烯)纤维(最高吸附容量5.22mg
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ads)。上述经典偕胺肟基吸附剂的结果表明，高接枝率并没有赋予高吸附容量。所以目前吸附剂面临的挑战是需要大大提高偕胺肟基吸附材料的官能团利用率，同时还需要具备多次重复使用性，吸附效率高和吸附容量大等特点，这成为目前和未来研发和突破的重点。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术问题，本专利技术的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种具有分级纳米结构的纤维制备方法及其在铀酰离子吸附方法中的应用，所制备的材料能够最大限度的暴露吸附位点，同时，通过接枝技术，降低了分子链之间的自由体积，形成致密的三维网络结构，充分发挥了空间协同作用，有利于提高材料对铀的亲和力，提高材料的官能团利用率和吸附容量，解决近几十年来吸附铀用偕胺肟基吸附材料官能团利用率低的问题。
[0005]为达到上述专利技术创造目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种具有分级纳米结构的纤维制备方法，其包括下述步骤：
[0007]步骤(1)：将高分子材料溶解在溶剂中，搅拌至均一透明的高分子前驱体溶液，通过静电纺丝制备成高分子纳米纤维毡；
[0008]步骤(2)：采用接枝单体进行接枝聚合反应，将所制备的高分子纳米纤维毡进行接枝聚合改性，得到分级多孔的富含功能单体的高分子静电纺纳米纤维毡；
[0009]步骤(3)：采用偕胺肟反应溶液，通过偕胺肟化反应，将所制备的富含功能单体的高分子静电纺纳米纤维毡进行偕胺肟化功能改性，得到具有分级纳米结构的偕胺肟基高分子静电纺纳米纤维毡。
[0010]本专利技术分级纳米结构纤维的制备方法，首先通过静电纺丝技术，将高分子材料制备成纳米纤维毡，然后选择不同的单体进行接枝聚合反应，得到分级多孔的纳米纤维毡，最后通过偕胺肟化反应制备得到高官能团利用率的纳米纤维吸附材料。
[0011]优选地，在所述步骤(1)中，所述高分子材料为聚乙烯醇、壳聚糖、醋酸纤维素、聚偏氟乙烯、聚丙烯、聚酰胺和聚氨酯中的至少一种；优选地，溶剂为水、氮
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氮二甲基甲酰胺、氮
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氮二甲基乙酰胺、四氢呋喃和二甲基亚砜中的至少一种；优选地，控制溶解温度为50～90℃，纺丝电压为10～30kV，流量设定为0.5～2mL/h，纺丝距离控制在8～20cm，纺丝温度设定为20～30℃，湿度控制在30％～60％。
[0012]进一步优选地，在所述步骤(1)中，控制溶解温度在70℃～80℃，纺丝电压为15～30kV，流量设定为0.8～1.8mL/h，纺丝距离控制在10～18cm，纺丝温度设定为22～28℃，湿度控制在35％～55％。
[0013]优选地，在所述步骤(1)中，所述高分子材料分子质量为70,000～1,200,000；在所制备的高分子前驱体溶液中，高分子材料的质量百分比浓度为8～15wt％。
[0014]优选地，在所述步骤(2)中，接枝聚合改性过程采用预辐照接枝聚合方法、共辐照接枝聚合方法和化学引发接枝聚合方法的任意一种或多种的组合；
[0015]优选地，在所述步骤(2)中，接枝单体为丙烯腈、丙烯酸、马来酸酐、甲基丙烯酸、衣康酸、丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酰胺和甲基丙烯酸缩水甘油酯中的任意一种或多种的混合。
[0016]进一步优选地，当采用预辐照接枝聚合方法或者共辐照接枝聚合方法时，辐照源为钴源或者电子束，吸收剂量为10～50kGy，接枝温度在30～70℃，接枝时间为1～24h，在反应物混合液中，单体浓度为10～50vol％；优选地，接枝单体为丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酰胺、丙烯酸和甲基丙烯酸缩水甘油酯中的任意一种或多种。
[0017]更进一步优选地，当采用预辐照接枝聚合方法或者共辐照接枝聚合方法时，吸收剂量为15～45kGy，单体浓度为11％～49％。
[0018]进一步优选地，当采用化学引发接枝聚合方法时；在反应物混合液中，单体浓度为10～50wt％，引发剂浓度为0～1mol/L；控制接枝温度在30～70℃，接枝时间为1～60min；优选地，化学引发接枝的引发剂采用硝酸铈铵、过氧化氢、过硫酸盐和氢过氧化物的任意一种或多种混合物；优选地，接枝单体采用丙烯腈、丙烯酸、马来酸酐、甲基丙烯酸和衣康酸中的任意一种或多种。
[0019]优选地，在所述步骤(3)中，所述的偕胺肟反应溶液由盐酸羟胺，水和强碱组成；控制反应温度为50～80℃，反应时间为24～72h，盐酸羟胺质量百分比浓度为10～30wt％。
[0020]进一步优选地，所述强碱为氢氧化钠、氢氧化钾和碳酸氢钠的任意一种或多种。
[0021]一种具有分级纳米结构的纤维在铀酰离子吸附方法中的应用，所述具有分级纳米结构的纤维采用本专利技术具有本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有分级纳米结构的纤维制备方法，其特征在于，其包括下述步骤：步骤(1)：将高分子材料溶解在溶剂中，搅拌至均一透明的高分子前驱体溶液，通过静电纺丝制备成高分子纳米纤维毡；步骤(2)：采用接枝单体进行接枝聚合反应，将所制备的高分子纳米纤维毡进行接枝聚合改性，得到分级多孔的富含功能单体的高分子静电纺纳米纤维毡；步骤(3)：采用偕胺肟反应溶液，通过偕胺肟化反应，将所制备的富含功能单体的高分子静电纺纳米纤维毡进行偕胺肟化功能改性，得到具有分级纳米结构的偕胺肟基高分子静电纺纳米纤维毡。2.根据权利要求1所述具有分级纳米结构的纤维制备方法，其特征在于：在所述步骤(1)中，所述高分子材料为聚乙烯醇、壳聚糖、醋酸纤维素、聚偏氟乙烯、聚丙烯、聚酰胺和聚氨酯中的至少一种；溶剂为水、氮
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氮二甲基甲酰胺、氮
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氮二甲基乙酰胺、四氢呋喃和二甲基亚砜中的至少一种；控制溶解温度为50～90℃，纺丝电压为10～30kV，流量设定为0.5～2mL/h，纺丝距离控制在8～20cm，纺丝温度设定为20～30℃，湿度控制在30％～60％。3.根据权利要求1所述具有分级纳米结构的纤维制备方法，其特征在于：在所述步骤(1)中，所述高分子材料分子质量为70,000～1,200,000；在所制备的高分子前驱体溶液中，高分子材料的质量百分比浓度为8～15wt％。4.根据权利要求1所述具有分级纳米结构的纤维制备方法，其特征在于：在所述步骤(2)中，接枝聚合改性过程采用预辐照接枝聚合方法、共辐照接枝聚合方法和化学引发接枝聚合方法的任意一种或多种的组合；接枝单体为丙烯腈、丙烯酸、马来酸酐、甲基丙烯酸、衣康酸、丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酰胺和甲基丙烯酸缩水甘油酯中的任意一种或多种的混合。5.根据权利要求4所述具有分级纳米结构的纤维制备方法，其特征在于：当采用预辐照接枝聚合方法或者共辐照接枝聚合方法时，辐照源为钴源或者电子束，吸收剂量为10～50kGy，接枝温度在30～70℃，接枝时间为1～24h，在反应物混合液中，单...

【专利技术属性】
技术研发人员：马红娟，黄晨，姚运友，傅梦韬，徐刚，吴明红，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：