一种具有多级孔结构的二维纳米网材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种具有多级孔结构的二维纳米网材料及其制备方法，该制备方法包括如下步骤：将低分子量聚合物与中分子量聚合物在溶剂中共混得到共混聚合物溶液；将两种分相能力不同的非溶剂混合得到共混非溶剂；将共混聚合物溶液涂覆至纳米纤维基材表面，形成连续的超薄液膜，得到涂覆后的纳米纤维基材；将涂覆后的纳米纤维基材浸入共混非溶剂中进行差时相分离，以实现在二维纳米网中不同尺寸孔结构的构筑，得到具有多级孔结构的二维纳米网材料。与现有技术相比，本发明专利技术得到的材料，孔径分布可调性强，有利于实现对不同粒径颗粒的拦截过滤，多级孔结构有利于降低过滤阻力，在分离过滤领域有着极大的应用前景，并且原料可选范围广。广。

【技术实现步骤摘要】
一种具有多级孔结构的二维纳米网材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及纤维材料
，尤其是涉及一种具有多级孔结构的二维纳米网材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，静电纺丝技术因其原料来源范围广、成本低廉、工艺可控性强等特点，已成为制备纳米纤维的主流方法之一。目前，传统静电纺纤维的直径多在100nm以上，难以进一步降低纤维直径，从而导致其孔径、比表面积难以进一步降低，限制了其实际应用。
[0003]专利CN202010369177.4公开了《一种纳米蛛网抗菌复合空气过滤材料及其制备方法》，以聚丙烯熔喷非织造布为基材，将表面活性剂、硝酸银颗粒混入聚氨酯溶液中制备得到静电纺丝液，通过静电喷丝得到二维超细蛛网纤维和一维纳米纤维复合空气过滤材料。该方法中二维蛛网和一维纳米纤维直径均降低至100nm以下，但该方法无法调控二维蛛网与一维纳米纤维的比例，易造成复合结构不连续、蛛网覆盖率低的问题，导致材料均匀性差，限制了其实际应用。专利CN201710743437.8公开了《一种可重复利用纳米蛛网空气过滤膜及其制备方法》，利用静电喷网，制备得到二维超细蛛网膜和一维纳米纤维相互复合形成的多级结构纳米蛛网膜材料。该方法所制备的蛛网膜覆盖面积有限，需层层堆叠达到连续的纤维结构，导致材料阻力压降升高，过滤性能降低。专利CN201410061970.2公开了《一种多组分网状纳米纤维膜的制备方法》，将芳纶纤维加入高分子溶液中进行超声混合，通过静电纺丝得到多组分网状纳米纤维膜。该方法所得纳米纤维膜由分散的芳纶纤维堆叠连接而成，在混合纺丝溶液制备过程中，芳纶纤维难以均匀分散，存在短纤维易团簇、成网孔径均匀度差的问题。
[0004]因此亟需制备一种具有可调节的差异化孔结构、纤维连续的二维纳米网材料。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有多级孔结构的二维纳米网材料及其制备方法，该具有多级孔结构的二维纳米网材料是由双组分的共混聚合物溶液涂覆成膜，然后在共混非溶剂作用下发生差时相分离成网得到的，具有可调节的差异化孔结构、纤维连续的优点。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007]本专利技术的第一个目的是提供一种具有多级孔结构的二维纳米网材料的制备方法，包括如下步骤：
[0008]S1、将低分子量聚合物与中分子量聚合物溶解在溶剂中，进行机械搅拌，得到共混聚合物溶液；
[0009]S2、将分相能力不同的两种非溶剂进行混合，得到共混非溶剂；
[0010]S3、通过刮辊刮涂的方法将步骤S1中得到的共混聚合物溶液均匀涂覆至纳米纤维基材表面，形成连续的超薄液膜，得到涂覆后的纳米纤维基材；
[0011]S4、将步骤S3中得到的涂覆后的纳米纤维基材浸入步骤S2中得到的共混非溶剂中进行相分离，然后烘干去除液相，得到具有多级孔结构的二维纳米网材料。
[0012]优选地，步骤S1中所述低分子量聚合物为聚酰胺酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚丙烯腈、聚酰胺、聚氨酯、聚乙烯醇中的一种；所述低分子量聚合物的重均分子量为8
×
103～8
×
104g/mol；所述低分子量聚合物在所述共混聚合物溶液中的质量分数为0.1～5wt％。
[0013]优选地，所述中分子量聚合物为纤维素、聚醚酰亚胺、聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、聚苯乙烯、聚酰胺、聚氨酯、聚乙烯醇中的一种；所述中分子量聚合物的重均分子量为1
×
105～2.5
×
105g/mol；所述中分子量聚合物在所述共混聚合物溶液中的质量分数为0.1～10wt％。
[0014]优选地，所述低分子量聚合物与中分子量聚合物的质量比为1：1～1：2。
[0015]优选地，所述溶剂为乙醇、异丁醇、正丙醇、N,N
‑
二甲基甲酰胺、N,N
‑
二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、N
‑
甲基吡咯烷酮、乙酸乙酯、丙酮、N
‑
甲基吗啉
‑
N
‑
氧化物、甲酸中的一种。
[0016]优选地，步骤S1中所述机械搅拌的搅拌温度为60～100℃，搅拌速度为500～2000rpm，搅拌时间为4～12h。
[0017]优选地，步骤S2中所述两种非溶剂为水、甲醇、乙醇、丙醇、异丁醇、叔丁醇、乙二醇、丙酮、甲酚、环己烷中的两种；所述两种非溶剂为非溶剂X和非溶剂Y；所述共混非溶剂由分相能力不同的非溶剂X和非溶剂Y组成；所述非溶剂X对低分子量聚合物
‑
溶剂体系的分相能力强，所述非溶剂Y对中分子量聚合物
‑
溶剂体系的分相能力强；所述非溶剂X和非溶剂Y的质量比为1：1～1：2。
[0018]进一步优选地，所述共混非溶剂对中分子量聚合物
‑
溶剂体系的分相能力强于低分子量聚合物
‑
溶剂体系。
[0019]优选地，步骤S3中所述刮辊刮涂的方法的具体条件如下：刮辊材质为不锈钢，光滑表面，刮辊截面为圆形，截面直径5～20mm，刮辊长度10～50cm，刮辊压力0.1～10kg，刮辊速度5～100cm/min，刮膜厚度2～100μm。
[0020]优选地，步骤S3中所述纳米纤维基材为聚酰胺静电纺纳米纤维膜、聚四氟乙烯静电纺纳米纤维膜、聚丙烯静电纺纳米纤维膜、聚酰亚胺静电纺纳米纤维膜、聚对苯二甲酸乙二醇静电纺纳米纤维膜、二氧化硅静电纺纳米纤维膜中的一种。
[0021]优选地，所述纳米纤维基材直径为0.3～1.5μm，孔径为1～5μm。
[0022]优选地，步骤S4中所述相分离温度为20～50℃，相分离时间为10～120min。
[0023]进一步地，步骤S4中所述相分离中，中分子量聚合物先发生相分离形成较大的一级网孔结构，然后低分子量聚合物发生相分离形成较小的二级网孔结构。
[0024]本专利技术的第二个目的是提供一种具有多级孔结构的二维纳米网材料，该具有多级孔结构的二维纳米网材料是基于上述制备方法制备得到的，所述具有多级孔结构的二维纳米网材料的一级网孔结构孔径为1～10μm，二级网孔结构孔径为0.1～1μm。
[0025]进一步地，在测试风速32L/min条件下，所述具有多级孔结构的二维纳米网材料对0.3μm气溶胶颗粒过滤效率≥95％，过滤阻力≤40Pa。
[0026]本专利技术的技术原理如下：
[0027]本专利技术的具有多级孔结构的二维纳米网材料，是由双组分的共混聚合物溶液涂覆成膜，然后在共混非溶剂作用下发生差时相分离成网得到的。其中，双组分的共混聚合物溶
液原料为低分子量聚合物和中分子量聚合物，在共混聚合物溶液中，低分子量聚合物的大分子链链长短，易舒展解缠结，大分子链与溶剂小分子间由大量氢键相连接，在共混聚合物溶液中呈溶解分散的状态；中分子量聚合物的大分子链具有较长的链长，易缠结，在空间位阻效应的作用下无法完全伸展，与溶剂小分子结本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有多级孔结构的二维纳米网材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、将低分子量聚合物与中分子量聚合物溶解在溶剂中，进行机械搅拌，得到共混聚合物溶液；S2、将分相能力不同的两种非溶剂进行混合，得到共混非溶剂；S3、通过刮辊刮涂的方法将步骤S1中得到的共混聚合物溶液均匀涂覆至纳米纤维基材表面，得到涂覆后的纳米纤维基材；S4、将步骤S3中得到的涂覆后的纳米纤维基材浸入步骤S2中得到的共混非溶剂中进行相分离，然后烘干去除液相，得到具有多级孔结构的二维纳米网材料。2.根据权利要求1所述的一种具有多级孔结构的二维纳米网材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述低分子量聚合物为聚酰胺酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚丙烯腈、聚酰胺、聚氨酯、聚乙烯醇中的一种；所述低分子量聚合物的重均分子量为8
×
103～8
×
104g/mol；所述低分子量聚合物在所述共混聚合物溶液中的质量分数为0.1～5wt％；所述中分子量聚合物为纤维素、聚醚酰亚胺、聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、聚苯乙烯、聚酰胺、聚氨酯、聚乙烯醇中的一种；所述中分子量聚合物的重均分子量为1
×
105～2.5
×
105g/mol；所述中分子量聚合物在所述共混聚合物溶液中的质量分数为0.1～10wt％；所述低分子量聚合物与中分子量聚合物的质量比为1：1～1：2。3.根据权利要求1所述的一种具有多级孔结构的二维纳米网材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述溶剂为乙醇、异丁醇、正丙醇、N,N
‑
二甲基甲酰胺、N,N
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二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、N
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甲基吡咯烷酮、乙酸乙酯、丙酮、N
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甲基吗啉
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N
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氧化物、甲酸中的一种。4.根据权利要求1所述的一种具有多级孔结构的二维纳米网材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述机械搅拌的搅拌温度为60～100℃，搅拌速度为500～2000rpm，搅拌时间为4～12h。5.根据权利要求1所述的一种具有多级孔结构的二维纳米网材料的制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞建勇，杨铭，张世超，丁彬，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：