CN105714388B - 一种快速制备超细通体多孔纤维方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超细纤维材料制备领域，旨在提供一种快速制备超细通体多孔纤维方法。包括：将乙基纤维素加入到乙醇和水的混合溶剂中，室温下搅拌得到均匀溶液；再将聚乙烯吡咯烷酮加入到溶液中，在室温下继续搅拌得到透明纺丝液；将透明纺丝液注入到喷丝器中进行离心纺丝，得到超细通体多孔纤维。本发明中超细通体多孔纤维多孔特征明显，纤维比表面积更大；不需要造孔剂或扩孔剂，减少了纤维中杂质的残留；也不需要通过后处理方式使多孔产生或者增加孔的数量，避免了对纤维的结构和形貌破坏。所使用的乙基纤维素原材料和溶剂廉价易得，进一步减缓了使用合成材料的压力，在环境保护方面也可以起到改善作用。工艺过程简单、生产效率高。

Description

一种快速制备超细通体多孔纤维方法

技术领域

本发明属于超细纤维材料制备领域，具体涉及一种超细通体多孔纤维的快速制备方法。

背景技术

超细纤维、亚微米及纳米纤维因尺寸效应赋予材料的特殊性能使其在生物医学、组织支架、电池隔膜、空气过滤和传感器等方面有着广泛的应用前景，受到了各个领域的关注。

虽然超细纤维、亚微米及纳米纤维具有较高的比表面积，但是与微孔纤维、介孔纤维或其他多孔纤维相比较，比表面积仍较小。因此，在催化载体、污染吸附、精细过滤等领域受到限制，而且具有多孔结构的纤维在细胞培养上的效果要优于表面光滑的纤维。所以，制备具有多孔结构的超细纤维、亚微米及纳米纤维是进一步提高纤维比表面积的一个重要手段。

目前，常见的制备超细多孔纤维的方法主要分为两类：模板法和相分离法。

模板法包括两种，其中一种是在纺丝溶液中添加无机盐等物质作为造孔剂，在纤维成形后，去除无机盐等物质而形成多孔结构。但是由于某些造孔剂颗粒粒径很小容易发生团聚，孔径通常较难控制。而且，纤维内部的颗粒通常不易去除，可能会有一定量的残留。另一种模板法是分别制备两种聚合物纺丝液并将其按一定比例混合或者将两种聚合物共同溶解在同一溶剂里，纤维成形后通过后处理工艺，去除其中一种组分，从而形成多孔结构。后处理工艺包括溶剂萃取，热降解和紫外光照射交联处理等方式。不同的后处理方式也会进一步对纤维形貌和结构造成破坏。不难看出模板法步骤较多，过程繁琐，这种方法目前得到的多孔纤维，制孔效果并不佳。

相分离法则是在纺丝过程中，纺丝液体流发生快速相分离，形成聚合物富集相和溶剂富集相，聚合物富集相固化最终形成纤维的骨架，而溶剂富集相则形成纤维的多孔结构。这种相分离法形成的多孔结构是由于纺丝液浓度、环境温度、挥发速率等多种因素共同影响的结果。因此，采用相分离法制备多孔纤维需要考虑较多因素并严格控制。而且，采用相分离法制备的多孔纤维，通常只存在于纤维表面，对纤维比表面积的提高作用较少。

离心纺丝技术作为近年来新兴的一种可制备微纳米纤维的重要方法，在产量方面，其单个喷嘴与传统静电纺丝相比可高达近千倍；在原料选择方面，离心纺丝不再受材料极性的限制。在推进微纳米纤维产业化生产的道路上，离心纺丝技术优势明显。

乙基纤维素具有优良的化学稳定性和光照稳定性；乙基纤维素基薄膜和塑料在很宽的温度范围内具有优越的机械强度，同时乙基纤维素不溶解于水，吸湿性也极低。此外，乙基纤维素作为一种纤维素衍生物，其原料来源于丰富的可再生资源——纤维素，因此乙基纤维素也是一种可再生资源和环境友好材料。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种快速制备超细通体多孔纤维方法。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种快速制备超细通体多孔纤维的方法，包括以下步骤：

(1)制备纺丝液

将乙基纤维素加入到乙醇和水的混合溶剂中，室温下搅拌得到均匀溶液；再将聚乙烯吡咯烷酮加入到溶液中，在室温下继续搅拌得到透明纺丝液；

(2)进行离心纺丝

将透明纺丝液注入到喷丝器中，在转速3000转/分钟、接收距离10厘米的条件下进行离心纺丝，得到超细通体多孔纤维。

本发明中，所述透明纺丝液中，乙基纤维素∶聚乙烯吡咯烷酮的质量比为：6～9∶4～1。

本发明中，所述透明纺丝液中，乙醇∶水的体积比为：7～9∶3～1。

发明原理描述：

本发明中采用离心纺丝技术直接一步法快速制备出超细通体多孔纤维的原理可以从以下几个方面进行阐述：

首先，乙醇是乙基纤维素的良溶剂而水是乙基纤维的不良溶剂，由于乙醇和水可以任意比例互溶，在适当的浓度下，可以采用乙醇和水的混合溶剂溶解乙基纤维素。当通过离心纺纺制时，由于乙醇和水挥发性不同，从喷丝孔出来的纺丝液射流中乙醇迅速挥发，而水挥发较慢从而在纤维固化过程中聚集；乙基纤维素在制备纺丝液过程通过链缠结和氢键等作用与聚乙烯吡咯烷酮结合到一起，在纺丝液射流的固化过程中，乙基纤维素和聚乙烯吡咯烷酮与水富集区分离，在固化的最后阶段，纤维基本成形而水富集区进一步挥发从而形成孔洞，由于这种水富集区域在纤维中随机均匀分布，所以最终纺制出来的纤维为通体多孔纤维。

其次，由于离心纺的原理决定其具有很高的纺丝效率，保证了纤维的产量。离心力作用使得从喷丝孔出来的纺丝液流量较高，纺丝液射流较粗，进而水含量也会相对增加，这使得射流固化过程中水富集区域形成的机会大大增加，从而保证纺制出超细通体多孔纤维。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明中超细通体多孔纤维多孔特征明显，纤维比表面积更大；此外，不需要造孔剂或扩孔剂，减少了纤维中杂质的残留；也不需要通过后处理方式使多孔产生或者增加孔的数量，避免了对纤维的结构和形貌破坏。

(2)本发明中所使用的乙基纤维素原材料廉价易得，进一步减缓了使用合成材料的压力，在环境保护方面也可以起到改善作用。

(3)本发明中选用廉价的乙醇和水作为溶剂，不仅有效地降低了成本，也有利于环境保护。

(4)本发明采用离心纺丝技术一步法制备超细通体多孔纤维，工艺过程简单、生产效率高，为超细通体多孔纤维的批量制备和规模化生产提供了有效手段。

附图说明

图1是本发明实施例1制得的超细通体多孔纤维的SEM图(放大10000倍)；

图2是本发明实施例1制得的超细通体多孔纤维的SEM图(放大1000倍)；

图3是本发明实施例2制得的超细通体多孔纤维的SEM图(放大10000倍)；

图4是本发明实施例2制得的超细通体多孔纤维的SEM图(放大1000倍)；

图5是本发明实施例3制得的超细通体多孔纤维的SEM图(放大10000倍)；

图6是本发明实施例3制得的超细通体多孔纤维的SEM图(放大1000倍)。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。需指出的是，这些实例仅用于说明本发明，便于本领域的技术人员进一步理解本发明的技术构思及特点，而不用于限制本发明的范围。应当指出的是，对本领域技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，对本发明作出各种改动或修改，这些等价形式同样属于本发明所附权利要求书所限定的范围。

本发明中，所述超细通体多孔纤维采用的设备为中国专利CN105177744A中公开的离心纺丝装置。

实施例1：

将一定量的乙基纤维素加入到7mL乙醇和3mL水的混合溶剂中，室温下搅拌得到均匀溶液，将少量聚乙烯吡咯烷酮加入到溶液中，在室温下继续搅拌得到透明纺丝液。其中乙基纤维素:聚乙烯吡咯烷酮的质量比为9:1。将纺丝液注入到喷丝器中，在转速3000转/分钟、接收距离10厘米的条件下进行离心纺丝，得到超细通体多孔纤维，其SEM图如图1、2所示。

实施例2：

将一定量的乙基纤维素加入到8mL乙醇和2mL水的混合溶剂中，室温下搅拌得到均匀溶液，将少量聚乙烯吡咯烷酮加入到溶液中，在室温下继续搅拌得到透明纺丝液。其中乙基纤维素:聚乙烯吡咯烷酮的质量比为8:2。将纺丝液注入到喷丝器中，在转速3000转/分钟、接收距离10厘米的条件下进行离心纺丝，得到超细通体多孔纤维，其SEM图如图3、4所示。

实施例3：

将一定量的乙基纤维素加入到9mL乙醇和1mL水的混合溶剂中，室温下搅拌得到均匀溶液，将少量聚乙烯吡咯烷酮加入到溶液中，在室温下继续搅拌得到透明纺丝液。其中乙基纤维素:聚乙烯吡咯烷酮的质量比为6:4。将纺丝液注入到喷丝器中，在转速3000转/分钟、接收距离10厘米的条件下进行离心纺丝，得到超细通体多孔纤维，其SEM图如图5、6所示。

Claims (1)

1.一种快速制备超细通体多孔纤维方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)制备纺丝液

将乙基纤维素加入到乙醇和水的混合溶剂中，室温下搅拌得到均匀溶液；再将聚乙烯吡咯烷酮加入到溶液中，在室温下继续搅拌得到透明纺丝液；

(2)进行离心纺丝

将透明纺丝液注入到喷丝器中，在转速3000转/分钟、接收距离10厘米的条件下进行离心纺丝，得到超细通体多孔纤维；

所述透明纺丝液中，乙基纤维素∶聚乙烯吡咯烷酮的质量比为：6～9∶4～1；乙醇∶水的体积比为：7～9∶3～1。