一种用于高温过滤的阻燃聚丙烯腈基纳米纤维膜制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用于高温过滤的阻燃聚丙烯腈基纳米纤维膜制备方法。以聚丙烯腈为原料，以无机盐、亲核试剂或纳米材料为热氧化

【技术实现步骤摘要】
一种用于高温过滤的阻燃聚丙烯腈基纳米纤维膜制备方法


[0001]本专利技术属于静电纺丝和空气净化膜
，具体涉及一种用于高温过滤的阻燃聚丙烯腈基纳米纤维膜制备方法。

技术介绍

[0002]化石燃料燃烧、废弃物焚烧等工业过程排放的PM2.5通常伴随有50~300 ℃的高温。随着排放标准的不断提高，传统的除尘工艺如布袋除尘展现出效率低，压降高、耐温性差等不足。静电纺丝法制备的聚合物纳米纤维膜因其高效低阻的特性已经广泛应用于PM2.5过滤（ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 20, 23293
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23313），然而高温PM2.5过滤是聚合物静电纺丝纳米纤维膜一直以来的短板。因为传统廉价的聚合物材料（如聚丙烯腈、聚苯乙烯、聚偏二氟乙烯等）虽然可以较易制备成静电纺丝纳米纤维膜，但其不耐热、易燃的性能使其无法应用于高温PM2.5过滤；特种塑料（如聚醚醚酮、芳纶、聚磺酰胺、聚酰亚胺等）虽具有较好的阻燃耐热性能，但其可纺性较差，材料价格较高，无法实现大规模纺丝。尽管一些无机材料（如SiO2、TiO2、BaTiO3等）也可以被制备成静电纺丝纳米纤维膜，但是其机械强度差，工艺复杂，材料成本高昂，废气和碳排放量较高，也无法实现大规模应用。因此，目前尚缺少一种可以用于高温PM
2.5
过滤的阻燃、耐热聚合物纳米纤维膜的简易方法。
[0003]针对上述现有的技术问题，本专利技术利用廉价聚丙烯腈为原料，提供了一种采用热氧化工艺制备阻燃、耐热PAN基静电纺丝纳米纤维膜的新方法。聚丙烯腈的链状分子结构经热氧化工艺可以转变为梯形分子结构，这种转变不仅使得原本的聚丙烯腈纳米纤维膜具备了耐热、耐溶剂等特性，而且实现了聚丙烯腈纳米纤维膜的本征阻燃，从而很大程度上缓解了传统聚合物纳米纤维膜易燃的缺陷，使其在高温PM
2.5
过滤方面具备了应用潜力。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供了一种用于高温过滤的阻燃聚丙烯腈基纳米纤维膜制备方法。以廉价的聚丙烯腈为原料，添加适当的热氧化
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环化反应引发剂，通过静电纺丝和热氧化工艺结合的方法制备具有耐热、耐溶剂、阻燃等诸多优良性能的聚丙烯腈基纳米纤维膜。
[0005]本专利技术的技术方案如下：一种用于高温过滤的阻燃聚丙烯腈基纳米纤维膜制备方法，由聚丙烯腈纳米纤维膜的制备、热氧化
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环化反应2个步骤组成。
[0006]聚丙烯腈纳米纤维膜的制备：将质量百分比5~20%的聚丙烯腈粉末和一定量（质量百分比0.1~10%）的热氧化
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环化反应引发剂（无机盐、亲核试剂、纳米材料等）溶解于N，N
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二甲基甲酰胺（DMF）或者N，N
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二甲基乙酰胺(DMAC)中，利用静电纺丝法进行纺丝，纺丝电压为10~30 kV，喷头与接收器之间的距离为10~30 cm，推注速度为0.1~2 mL /h，环境湿度为15~65%，纺丝温度为15~35 ℃。
[0007]热氧化
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环化反应：
得到的纳米纤维膜在60~80 ℃干燥以后，在空气气氛、240~350 ℃下进行热氧化
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环化反应，反应时间为10~300 min，反应加热升温速率为0.1~15 ℃/min。
[0008]在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以做如下改进：所述的聚丙烯腈的质量浓度，优选为11%~18 wt.%。
[0009]所述的热氧化反应引发剂，是氯化亚锡、醋酸锰、硝酸钴、醋酸锌等无机盐，是盐酸胍、盐酸羟胺等试剂，或者是氧化石墨烯，碳纳米管、纳米勃姆石等纳米材料。
[0010]所述的热氧化反应引发剂的浓度，优选为质量百分比0.1~5 wt %。
[0011]所述的纺丝电压，优选为15~20 kV。
[0012]所述的喷头与接收器之间的距离，优选为15~20 cm。
[0013]所述的推注速度，优选为0.4~0.6 mL /h。
[0014]所述的静电纺丝环境湿度，优选为35%。
[0015]所述的静电纺丝环境温度，优选为25 ℃。
[0016]所述的热氧化
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环化反应温度，优选为260~300 ℃。
[0017]所述的热氧化
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环化反应时间，优选为60~120 min。
[0018]所述的反应加热升温速率，优选为1~5 ℃/min。
[0019]本专利技术的有益效果是：本专利技术填补了低成本、阻燃、耐热聚合物纳米纤维膜的技术空白。传统聚合物纺丝制备的纳米纤维膜普遍具有易燃、不耐热等不利特征；聚酰亚胺、PTFE等材料制备的纳米纤维膜虽然具有耐热性能，但其材料加工性能差，无法产业化应用；陶瓷纳米纤维膜原材料成本高，制备条件苛刻，碳排放量较大。
[0020]本专利技术原材料成本低廉，制备工艺简单，能耗较少，碳排放量较低。本专利技术用到的原料是廉价的聚丙烯腈，所需的纺丝条件较为宽泛，容易制得，且热处理温度在240
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350 ℃左右，无需复杂工艺，有望实现中试应用。
[0021]本专利技术具有广阔的应用前景。本专利技术所述的热氧化聚丙烯腈基纳米纤维膜具备不燃、耐热特性，可耐350 ℃以上的高温，即使在遇到明火时依然可以保持纳米纤维膜的微观型貌和机械强度。其不仅可以作为空气净化膜用于高温PM2.5的过滤，还可以作为锂离子电池隔膜、阻燃隔热材料、防火服材料等应用于其他诸多领域中。
附图说明
[0022]图1为聚丙烯腈热氧化
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环化反应过程及反应后的分子结构示意图。
[0023]图2为原料聚丙烯腈、实施例1和实施例1遇明火后的FT
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IR光谱图。
[0024]图3为对比例1制备的聚丙烯腈纳米纤维膜SEM图。
[0025]图4为实施例1制备的聚丙烯腈基纳米纤维膜的SEM图。
[0026]图5为实施例5的热重分析谱图。
[0027]图6为实施例5制备的聚丙烯腈基纳米纤维膜在不同温度下对PM2.5的过滤效率图。
[0028]图7为对比例1的燃烧特征演示图。
[0029]图8为实施例11的不燃特性演示图。
[0030]图9为实施例11接触明火后聚丙烯腈基纳米纤维膜的SEM图。
cm，推注速度0.5 mL /h，环境湿度为35%，纺丝温度为25 ℃。将得到的纳米纤维膜先在60~80 ℃干燥以后，在空气气氛、280 ℃下进行热氧化反应，反应时间为120 min，反应加热升温速率为1 ℃/min。
[0038]实施例7将11 wt.%的聚丙烯腈和2 wt.%的盐酸羟胺（CH6ClN3）溶解于N，N
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二甲基甲酰胺（DMF）中，利用静电纺丝仪进行纺丝，纺丝电压为16.5 kV，喷头与接收器之间的距离为17 cm，推注速度0.5 mL /h，环境湿度为35%，纺丝温度为25 ℃。将得到的纳米纤维膜先在6本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于高温过滤的阻燃聚丙烯腈基纳米纤维膜制备方法，其特征在于，具体步骤如下：先将的聚丙烯腈粉末和一定量的热氧化
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环化反应引发剂无机盐、亲核试剂或纳米材料溶解于溶剂中，再利用静电纺丝仪进行纺丝，得到的纳米纤维膜在60~80 ℃干燥，然后于一定温度和气氛下进行热氧化
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环化反应。2.根据权利要求1所述的一种用于高温过滤的阻燃聚丙烯腈基纳米纤维膜制备方法，其特征在于，所述的聚丙烯腈占溶液总质量的5%~20%，所述的溶剂为N,N
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二甲基甲酰胺(DMF)或N,N
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二甲基乙酰胺(DMAC)。3.根据权利要求1所述的一种用于高温过滤的阻燃聚丙烯腈基纳米纤维膜制备方法，其特征在于，所述的热氧化
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环化反应引发剂中无机盐为醋酸锰、硝酸钴、醋酸锌、氯化亚锡，亲核试剂为盐酸胍、盐酸羟胺、尿素，纳米材料为氧化石墨烯、碳纳米管...

【专利技术属性】
技术研发人员：仲兆祥，康玉堂，邢卫红，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：