一種空氣過濾碳納米管纖維膜的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種空氣過濾碳納米管纖維膜的制備方法，屬于纖維材料技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]碳納米管是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的一維量子材料，由于其具有重量輕、超高表面積、異常的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能，被譽為未來最具影響力的基礎(chǔ)材料，近年來的深入研究使其廣闊的應(yīng)用前景在不斷的被展現(xiàn)出來。
[0003]隨著空氣污染的日益嚴重，空氣過濾纖維膜被被廣泛的應(yīng)用在口罩、空調(diào)、汽車、建筑、醫(yī)療衛(wèi)生、通訊、化工等領(lǐng)域，逐漸顯示出重要的科學(xué)價值和應(yīng)用價值。通常，空氣過濾纖維膜主要由熔噴無紡工藝、紡粘無紡工藝、針刺無紡工藝或水刺無紡工藝等非織造技術(shù)制成，其原材料來源廣泛，可以選用聚丙烯、聚乙烯、聚酯、聚苯硫醚、聚對苯二甲酰對苯二胺、聚乙烯醇等性能優(yōu)良的高分子材料。隨著碳納米管在空氣過濾方面的深入研究，越來越多的技術(shù)人員將碳納米管填充到高分子材料基體中，采用傳統(tǒng)的非織造技術(shù)制備出含有碳納米管的空氣過濾纖維膜，碳納米管可以為物理性空氣過濾材料，也可以將其進行化學(xué)改性進而充當功能性空氣過濾的的角色。
[0004]然而，傳統(tǒng)的非織造技術(shù)難以將碳納米管的功能最大化，因為熔噴無紡工藝和紡粘無紡工藝只能將碳納米管作為填充物添加到高分子紡絲液中，經(jīng)紡絲后得到的纖維中大部分碳納米管被包覆在高分子基體材料中，使得碳納米管無法接觸空氣環(huán)境，進而無法使其在空氣過濾方面的功能最大化。如果采用溶液紡絲的方法，將碳納米管放入高分子紡絲液進行濕法或干法紡絲，進而將得到的纖維在經(jīng)過針刺無紡工藝或水刺無紡工藝，也存在碳納米管被高分子基體包覆的問題。另外，有技術(shù)人員采用化學(xué)氣相沉積的方法期望解決該問題，例如:中國專利公開號為CN102600667A，公開日是2012年7月25日，發(fā)明名稱為“一種基于碳納米管的空氣過濾材料及其制備方法”，中國專利公開號為CN103446804A，公開日是2013年12月18日，發(fā)明名稱為“一種具有梯度結(jié)構(gòu)的碳納米管空氣過濾材料及其制備方法”，該兩個發(fā)明專利均采用氣相化學(xué)沉積的方法將碳納米管生長在由石英纖維或玻璃纖維或碳納米管或金屬纖維或聚合物纖維構(gòu)成的基底材料上，以此制備出雙層或多層梯度結(jié)構(gòu)的碳納米管空氣過濾材料。該兩個專利存在如下兩個問題:1.碳納米管氣相沉積速率較低，無法規(guī)?；a(chǎn)碳納米管空氣過濾材料;2.碳納米管氣相沉積的工藝環(huán)境要求苛刻，沉積溫度在100-2000°C，該溫度下對基底材料損傷較大，不利于其產(chǎn)品效果的顯示;3.碳納米管氣相沉積的能耗較高，容易造成環(huán)境污染且成本較高的問題。
[0005]由于靜電紡絲制備的高分子纖維的直徑可以被控制在納米尺度，將碳納米管放入紡絲液后經(jīng)靜電紡絲后，高分子纖維的直徑與碳納米管的直徑的比值大幅度減小，促使較多的碳納米管裸露在高分子纖維的表面，進而發(fā)揮其在空氣過濾方面的作用。然而，靜電紡絲技術(shù)的效率極低，不能滿足產(chǎn)業(yè)化需求，而且其制備的高分子纖維中仍有較大部分的碳納米管被包覆在高分子基體中。
[0006]由此可見，能夠制備出碳納米管完全接觸空氣介質(zhì)的空氣過濾纖維膜的具有的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種空氣過濾碳納米管纖維膜的制備方法，為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案為。
[0008]一種空氣過濾碳納米管纖維膜的制備方法，所述制備方法按以下步驟進行:
A.碳納米管分散溶液的制備
按如下質(zhì)量百分比:
無水乙醇57-82%
碳納米管15-35%
聚乙烯醇納米纖維 3-8%
將無水乙醇、碳納米管和聚乙烯醇納米纖維混配后，在室溫條件下采用乳化機乳化分散0.5-111后得到碳納米管分散溶液，其中，乳化機的轉(zhuǎn)速為8000-1300(^/1^11。
[0009]B.增粘溶液的制備按如下質(zhì)量百分比:
去尚子水56-68%
二元胺15-21%
二元羧酸17-23%
將去離子水、二元胺、二元羧酸混配后，升溫至45-65°C并機械攪拌l_3h后得到增粘溶液。
[0010]C.碳納米管紡絲液的制備
將經(jīng)步驟A得到的碳納米管分散溶液和經(jīng)步驟B得到的增粘溶液按如下質(zhì)量百分比: 碳納米管分散溶液 65-85%
增粘溶液15-35%
進行混配，在室溫條件下采用機械攪拌l_2h后得到碳納米管紡絲溶液。
[0011]D.離心紡絲與成膜
將離心紡紡絲罐上的紡絲孔封閉，然后將經(jīng)步驟C得到的碳納米管紡絲溶液注入離心紡的紡絲罐中，同時以50r/s的速率增加紡絲罐的轉(zhuǎn)速至5000-8000r/min，在轉(zhuǎn)速恒定后打開離心紡紡絲罐上的紡絲孔，碳納米管紡絲溶液經(jīng)離心紡絲后得到碳納米管纖維，碳納米管纖維在重力作用下降落并沉積在熔噴無紡布表面后形成碳納米管纖維膜。
[0012]E.碳納米管纖維膜的后處理
將經(jīng)步驟D得到的表面形成有碳納米管纖維膜的熔噴無紡布放入溫度為120-150°C、真空度為-0.1Mpa的真空干燥箱中進行干燥l-3h，揭膜后得到碳納米管纖維膜。
[0013]所述的碳納米管為單壁碳納米管或多壁碳納米管中的一種，其直徑為10-80nm，長度為0.1-0.5cm。
[0014]所述的聚乙稀醇納米纖維的直徑為50_550nm，長度為0.3-0.8cm。
[0015]所述的去離子水的導(dǎo)電率< 16 ΜΩ.cm。
[0016]所述的二元胺為乙二胺或丙二胺或己二胺中的一種。
[0017]所述的二元羧酸為己二酸或壬二酸或癸二酸中的一種。
[0018]所述的紡絲孔的孔徑為200-800 μπι。
[0019]所述的熔噴無紡布的平方米克重為10_35g/m2。
[0020]由于采用了以上技術(shù)方案，本發(fā)明的技術(shù)特點在于:
本發(fā)明提出的碳納米管纖維膜的制備過程中，不添加紡絲級高分子材料作為碳納米管的紡絲載體，不依靠紡絲級高分子材料的可紡性為碳納米管提供成絲條件，同時并采用離心紡絲方法制備出碳納米管纖維膜。將去離子水、二元胺和二元羧酸進行混配，依靠分子間氫鍵力制備出碳納米管分散液的增粘溶液，利用增粘溶液提高碳納米管分散液的粘度，使其達到紡絲的條件。本發(fā)明制備的碳納米管紡絲液分三個步驟，三個步驟有機結(jié)合且順序分明，相互之間互不干擾，有利于獲得粘度適中的碳納米管紡絲液。碳納米管分散液中含有聚乙烯醇納米纖維，聚乙烯醇納米纖維的尺寸大于碳納米管，并為紡絲成型后的碳納米管提供力學(xué)支架。離心紡絲時，紡絲孔先封閉后打開的工藝步驟使得碳納米管紡絲液中的碳納米管和聚乙烯醇納米纖維獲得足夠的取向和轉(zhuǎn)速后再進行離心紡絲，這樣可以得到形態(tài)結(jié)構(gòu)優(yōu)化且穩(wěn)定的碳納米管纖維膜。在碳納米管纖維膜中，碳納米管呈現(xiàn)取向性纖維狀排列，無包覆且完全裸露在空氣中，同時依靠在由氫鍵力構(gòu)建的聚乙烯醇納米纖維力學(xué)支架上，可以更好的維持其形態(tài)結(jié)構(gòu)，有利于空氣過濾功能的實現(xiàn)。后處理后，無水乙醇、去離子水、二元胺和二元羧酸全部揮發(fā)，碳納米管纖維膜中只剩下碳納米管和聚乙烯醇納米纖維，進而獲得高含量碳納米管纖維膜。
[0021]本發(fā)明所述的一種空氣過濾碳納米管纖維膜的制備方法，制備的碳納米管纖維膜與空氣接觸面積大，應(yīng)用廣泛，制備方法工藝簡單，設(shè)備要求低，操作控制方便，易于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，無需特殊設(shè)備。
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行具體詳細描述。
[0023]—種空氣過濾碳納米管纖維膜的制備方法采用以下步驟進行:
A.碳納米管分散溶液的制備
按如下質(zhì)量百分比:
無水乙醇57-82%
碳納米管15-35%
聚乙烯醇納米纖維 3-8%
將無水乙醇、直徑為10-80nm、長度為0.1-0.5cm的單壁碳納米管或多壁碳納米管中的一種和直徑為50-550nm、長度為0.3-0.8cm的聚乙烯醇納米纖維混配后，在室溫條件下采用乳化機乳化分散0.5-lh后得到碳納米管分散溶液，其中，乳化機的轉(zhuǎn)速為8000-13000r/min。碳納米管分散液中碳納米管的含量為15-35%，用量較大，易采用乳化機進行高速乳化分散，否則難以制備出碳納米管分散液。碳納米管分散液中含有聚乙烯醇納米纖維，聚乙烯醇納米纖維的尺寸大于碳納米管但用量較少，主要并為紡絲成型后的碳納米管提供力學(xué)支架。無水乙醇為去除水分的乙醇，其乙醇含量^99.5%。
[0024]B.增粘溶液的制備按如下質(zhì)量百分比:
去尚子水56-68% 二元胺15-21%
二元羧酸17-23%
將導(dǎo)電率<16 ΜΩ.αιι的去離子水、乙二胺或丙二胺或己二胺中的一種、己二酸或壬二酸或癸二酸中的一種混配后，升溫至45-65°C并機械攪拌l_3h后得到增粘溶液。離子水中二元胺和二元羧酸經(jīng)過分子間氫鍵力的層層組裝，可以構(gòu)成增粘劑，將其添加到碳納米管分散液中，可以與無水乙醇形成弱分子間作用力，進而實現(xiàn)增加碳納米管分散液粘度的目的。
[0025]C.碳納米管紡絲液的制備
將經(jīng)步驟A得到的碳納米管分散溶液和經(jīng)步驟B得到的增粘溶液按如下質(zhì)量百分比: 碳納米管分散溶液 65-85%
增粘溶液15-35%
進行混配，在室溫條件下采用機械攪拌l_2h后得到碳納米管紡絲溶液。在該質(zhì)量百分比條件下，可以制備出粘度在300-2000mPa.s的碳納米管紡絲液，具有良好的可紡性。
[0026]D.離心紡絲與成膜
將離心紡紡絲罐上孔徑為200-800 Mi的紡絲孔封閉，然后將經(jīng)步驟C得到的碳納米管紡絲溶液注入離心紡的紡絲罐中，同時以50r/s的速率增加紡絲罐的轉(zhuǎn)速至5000-8000r/min，在轉(zhuǎn)速恒定后打開離心紡紡絲罐上的紡絲孔，碳納米管紡絲溶液經(jīng)離心紡絲后得到碳納米管纖維，碳納米管纖維在重