聚對苯二甲酸丙二醇酯納米導電纖維及製備方法
2023-05-10 07:47:46 2
專利名稱：聚對苯二甲酸丙二醇酯納米導電纖維及製備方法
技術領域：
本發明涉及納米纖維的製備工藝技術領域，特備涉及一種具有一定導電性的聚對苯二甲酸丙二醇酯/碳納米管納米纖維及其製備方法。
背景技術：
傳統的纖維製備技術只能製備微米級以上的纖維，而在納米技術日益發展的今天，把纖維製成納米級的尺寸開始被人們所關注。靜電紡絲是一種新型紡絲技術，可製備微、納米級的纖維，因此得到了研究者們的廣泛重視。迄今為止已有多種聚合物採用靜電紡絲技術成功製備出了納米纖維，如聚乙烯醇，聚丙烯腈，聚醯亞胺，尼龍等，相關研究已日漸深入。聚對苯二甲酸丙二醇酯(PTT)具有高強度，高耐熱性，良好的柔性和彈性回復能力，以及易加工，尺寸穩定，物性變化小等優點。既可作為熱塑性工程塑料用於多種類型的結構材料，也可作為纖維應用於織物領域。因此近年來聚對苯二甲酸丙二醇酯已經成為線型飽和聚酯家族中重要的一員。由於其合成原料之一(丙二醇)主要來源於玉米，因此在石油日臻枯竭的今天，聚對苯二甲酸丙二醇酯越來越受到人們的重視。而通過靜電紡絲製備的聚對苯二甲酸丙二醇酯纖維，若大量交叉重疊，可用作過濾材料，傳感器等；若單根使用， 則可用作微、納米級的纖維材料；若在單根纖維裡包容導電材料，則還可用作微/納米導線或靜電屏蔽材料等。碳納米管是一種具有良好導電性能的多層納米管狀纖維材料。其直徑一般為幾個到幾十納米，長度為幾個到幾十微米，長徑比一般大於1，000，具有優良的熱、力學性能，並具有良好的生物相容性。將其與聚對苯二甲酸丙二醇酯複合，是進一步改善聚對苯二甲酸丙二醇酯強度、賦予材料導電性、並拓展材料應用領域的簡單易行的方法之一。
發明內容
本發明目的就在於製備一種尺寸從納米至微米級、可用作納米導線的聚對苯二甲酸丙二醇酯納米導電纖維。本發明所述納米導電纖維的基材為聚對苯二甲酸丙二醇酯，在聚對苯二甲酸丙二醇酯內均勻包裹碳納米管，所述納米導電纖維的直徑為50 500nm。本發明以聚對苯二甲酸丙二醇酯為絕緣外層，以碳納米管為導電內芯，使纖維具有良好的導電性。該產品既可用於過濾材料，也可以應用在電子電器工程，還可應用於傳感器等領域。本發明的另一目的在於提供以上聚對苯二甲酸丙二醇酯納米導電纖維的生產方法，包括以下步驟
1)將聚對苯二甲酸丙二醇酯和表面羧基化的碳納米管加入到由三氟乙酸和二氯甲烷組成的復配溶劑中，用磁力攪拌器攪拌分散，製成紡絲液；
2)將所述紡絲液引入紡絲裝置中，在直流高電壓下噴射生產納米導電纖維。
本發明利用簡便易行的靜電紡絲方法製備聚對苯二甲酸丙二醇酯/碳納米管納米導電纖維，可使碳納米管在聚對苯二甲酸丙二醇酯纖維裡有序排列，
就是通過靜電紡絲技術使碳納米管在聚對苯二甲酸丙二醇酯基體中有序排列從而製備導電且生物相容的微/納米纖維。由於碳納米管的表面處理、長徑比等結構參數都會影響纖維最終的形態以及碳納米管在纖維中的分布。因此，本發明所述表面羧基化的碳納米管的直徑為10 20 nm，長度為10 30 μ m，長徑比大於1，000，純度大於95 wt%，比表面積大於200 m2/g，表面羧基的質量分數為2. 0 5. 0wt%。另，本發明所述步驟2)中，將所述紡絲液的供給速率為0.2 ml/h，噴絲頭內徑為 0. 55 mm，噴絲頭與接收板之間的距離為15 cm，直流電壓為16kV。採用合適配比的復配溶劑三氟乙酸/ 二氯甲烷製備紡絲液有利於射流形成，本發明復配溶劑中三氟乙酸和二氯甲烷的體積比為1 2。本發明所述聚對苯二甲酸丙二醇酯和表面羧基化的碳納米管的投料質量比為 100 1 5。在這樣的投料質量比下，所得電紡纖維中碳納米管能夠很好的被聚對苯二甲酸丙二醇酯基體包裹並沿纖維軸向方向取向，形成納米導線結構。優選的聚對苯二甲酸丙二醇酯和表面羧基化的碳納米管的投料質量比為100 1 3。所述紡絲液中聚苯二甲酸丙二醇酯和碳納米管的總質量與三氟乙酸和二氯甲烷總體積比為0.2 g Iml0
圖1為本發明所述的靜電紡絲裝置示意圖。圖2為本發明實施例1得到的聚對苯二甲酸丙二醇酉丨顯微鏡照片。圖3為本發明實施例1得到的聚對苯二甲酸丙二醇酉丨顯微鏡照片。圖4為本發明實施例2得到的聚對苯二甲酸丙二醇酉丨顯微鏡照片。圖5為本發明對比例1得到的聚對苯二甲酸丙二醇酉丨顯微鏡照片。圖6為本發明對比例2得到的聚對苯二甲酸丙二醇酉丨顯微鏡照片。圖7為本發明對比例3得到的聚對苯二甲酸丙二醇酉丨顯微鏡照片。圖8為本發明對比例3得到的聚對苯二甲酸丙二醇酉丨顯微鏡照片。
具體實施例方式圖1為本發明靜電紡絲裝置示意圖，通過對聚對苯二甲酸丙二醇酯/碳對
/碳納米管纖維的掃描電子 /碳納米管纖維的透射電子 /碳納米管纖維的掃描電子 /碳納米管纖維的掃描電子 /碳納米管纖維的掃描電子 /碳納米管纖維的掃描電子 /碳納米管纖維的透射電子
4液(紡絲液)施加外加電場，使紡絲液帶上高壓靜電，帶電的紡絲液在電場力作用下，在毛細管埠形成泰勒錐並被加速。當電場力足夠大時，紡絲液滴可克服表面張力形成噴射細流，細流在噴射過程溶劑揮發，最終落在接收裝置上，得到微/納米纖維。圖2、4、5、6、7分別是採用S-4800型場發射電子掃描顯微鏡(FE-SEM)觀察的不同條件下製備的聚對苯二甲酸丙二醇酯/碳納米管納米纖維的形態；圖2、4、5、6中a圖的標尺為10 μπι, b圖的標尺為5 μ m;圖7中標尺為20 μ m。圖3、8是利用TECNAI12型透射電子顯微鏡(TEM)觀察到的聚對苯二甲酸丙二醇酯/碳納米管複合材料納米纖維的內部結構，標尺為0. 2 μ m。實施例一和二中使用的碳納米管是表面羧基化的碳納米管，羧基的質量分數為 2.00 wt%，碳納米管的直徑為10-20 nm，長度約為10-30 μ m，長徑比大於1，000，純度大於 95 wt%,比表面積大於200 m2/go一、實施例1
1、將聚對苯二甲酸丙二醇酯、表面羧基化的碳納米管加入到由三氟乙酸和二氯甲烷組成的復配溶劑中，用磁力攪拌器攪拌分散，製備出紡絲液。其中，聚對苯二甲酸丙二醇酯與表面羧基化的碳納米管的質量比為100:1，復配溶劑中三氟乙酸與二氯甲烷的體積比為 1:2，紡絲液濃度為0.2 g/ml。2、將步驟1製備的紡絲液置於靜電紡絲裝置中，紡絲液供給速率為0. 2 ml/h，噴絲頭內徑為0.55 mm，噴絲頭與接收板之間的距離為15 cm，接通電源將電壓調至16 kV開始紡絲。圖2為通過實施例1獲得的聚對苯二甲酸丙二醇酯/碳納米管納米纖維的掃描電子顯微鏡照片，可以看出纖維表面形態均一，無珠串結構。圖3為該纖維的透射電子顯微鏡照片，碳納米管被聚對苯二甲酸丙二醇酯均勻的包覆，且在纖維內有序排列，形成了有絕緣外層(聚對苯二甲酸丙二醇酯)和導電內芯(碳納米管)的微/納米導線。二、實施例2
1、將聚對苯二甲酸丙二醇酯、表面羧基化的碳納米管加入到由三氟乙酸和二氯甲烷組成復配溶劑中，用磁力攪拌器攪拌分散，製備出紡絲液。其中，聚對苯二甲酸丙二醇酯與表面羧基化的碳納米管的質量比為100:3，復配溶劑中三氟乙酸與二氯甲烷的體積比為1:2， 紡絲液濃度為0.2 g/ml。2、將步驟1製備的紡絲液置於靜電紡絲裝置中，紡絲液供給速率為0. 2 ml/h，噴絲頭內徑為0.55 mm，噴絲頭與接收板之間的距離為15 cm，接通電源將電壓調至16 kV開始紡絲。圖4為通過實施例2獲得的聚對苯二甲酸丙二醇酯/碳納米管納米纖維的掃描電子顯微鏡照片，可以看出纖維表面形態均一，無珠串結構。三、對比例1
1、將聚對苯二甲酸丙二醇酯和表面無羧基的碳納米管加入到由三氟乙酸和二氯甲烷組成的復配溶劑中，用磁力攪拌器攪拌分散，製備出紡絲液。其中，聚對苯二甲酸丙二醇酯與碳納米管的質量比為100:3，復配溶劑中三氟乙酸與二氯甲烷的體積比為2:1，紡絲液濃度為 0. 2 g/ml。
2、將步驟1製備的紡絲液置於靜電紡絲裝置中，紡絲液供給速率為0. 2 ml/h，噴絲頭內徑為0.55 mm，噴絲頭與接收板之間的距離為15 cm，接通電源將電壓調至16 kV開始紡絲。圖5為通過對比例1獲得的聚對苯二甲酸丙二醇酯/碳納米管納米纖維的掃描電子顯微鏡照片，可以看出纖維表面存有缺陷，形態不均一，有珠串結構。四、對比例2
1、將聚對苯二甲酸丙二醇酯和表面無羧基的碳納米管加入到由三氟乙酸和二氯甲烷組成的復配溶劑中，用磁力攪拌器攪拌分散，製備出紡絲液。其中，聚對苯二甲酸丙二醇酯與碳納米管的質量比為100:3，碳納米管為表面無羧基的碳納米管(其餘結構參數與表面羧基化的碳納米管相同)，復配溶劑中三氟乙酸與二氯甲烷的體積比為1:2，紡絲液濃度為 0. 2 g/ml。2、將步驟1製備的紡絲液置於靜電紡絲裝置中，紡絲液供給速率為0. 2 ml/h，噴絲頭內徑為0.55 mm，噴絲頭與接收板之間的距離為15 cm，接通電源將電壓調至16 kV開始紡絲。圖6為通過對比例2獲得的聚對苯二甲酸丙二醇酯/碳納米管納米纖維的掃描電子顯微鏡照片，可以看出纖維表面存有缺陷，形態不均一，有明顯的大尺寸珠串結構。五、對比例3
1、將聚對苯二甲酸丙二醇酯、表面無羧基的碳納米管加入到由三氟乙酸和二氯甲烷組成的復配溶劑中，用磁力攪拌器攪拌分散，製備出紡絲液。其中，聚對苯二甲酸丙二醇酯與碳納米管的質量比為100:3，碳納米管的長徑比大於5，000，(其餘結構參數與表面羧基化的碳納米管相同)，復配溶劑中三氟乙酸與二氯甲烷的體積比為1:2，紡絲液濃度為0.2 g/ml。2、將步驟1製備的紡絲液置於靜電紡絲裝置中，紡絲液供給速率為0. 2 ml/h，噴絲頭內徑為0.55 mm，噴絲頭與接收板之間的距離為15 cm，接通電源將電壓調至16 kV開始紡絲。圖7為通過對比例3獲得的聚對苯二甲酸丙二醇酯/碳納米管納米纖維的掃描電子顯微鏡照片，可以看出纖維表面存有缺陷，形態不均一，有明顯的大尺寸珠串結構。圖8為該纖維的透射電子顯微鏡照片，碳納米管儘管能夠被聚對苯二甲酸丙二醇酯包覆，但在纖維內無序排列，且易在纖維珠串處團聚，無法形成導線結構。由以上各例顯示，採用表面羧基化的碳納米管為導電內芯，纖維表面形態均一，無珠串結構。
權利要求
1.聚對苯二甲酸丙二醇酯納米導電纖維，其特徵在於所述納米導電纖維的基材為聚對苯二甲酸丙二醇酯，在聚對苯二甲酸丙二醇酯內均勻包裹碳納米管，所述納米導電纖維的直徑為50 500nm。
2.—種權利要求1所述聚對苯二甲酸丙二醇酯納米導電纖維的生產方法，其特徵在於包括以下步驟1)將聚對苯二甲酸丙二醇酯和表面羧基化的碳納米管加入到由三氟乙酸和二氯甲烷組成的復配溶劑中，用磁力攪拌器攪拌分散，製成紡絲液；2)將所述紡絲液引入紡絲裝置中，在直流高電壓下噴射生產納米導電纖維。
3.根據權利要求2所述聚對苯二甲酸丙二醇酯納米導電纖維的生產方法，其特徵在於所述表面羧基化的碳納米管的直徑為10 20 nm,長度為10 30 μ m,長徑比大於1，000, 純度大於95 wt%,比表面積大於200 m2/g，表面羧基的質量分數為2. 0 5. 0wt%。
4.根據權利要求2所述所述聚對苯二甲酸丙二醇酯納米導電纖維的生產方法，其特徵在於所述復配溶劑中三氟乙酸和二氯甲烷的體積比為1 2。
5.根據權利要求2所述所述聚對苯二甲酸丙二醇酯納米導電纖維的生產方法，其特徵在於所述聚苯二甲酸丙二醇酯和表面羧基化的碳納米管的投料質量比為100 1 5。
6.根據權利要求5所述所述聚對苯二甲酸丙二醇酯納米導電纖維的生產方法，其特徵在於所述聚苯二甲酸丙二醇酯和表面羧基化的碳納米管的投料質量比為100 1 3。
7.根據權利要求2所述所述聚對苯二甲酸丙二醇酯納米導電纖維的生產方法，其特徵在於所述紡絲液中聚苯二甲酸丙二醇酯和碳納米管的總質量與三氟乙酸和二氯甲烷總體積比為0. 2 g 1ml。
8.根據權利要求2或3或4或5或6所述聚對苯二甲酸丙二醇酯納米導電纖維的生產方法，其特徵在於所述步驟2)中，將所述紡絲液的供給速率為0.2 ml/h，噴絲頭內徑為 0. 55 mm，噴絲頭與接收板之間的距離為15 cm，直流電壓為16kV。
全文摘要
聚對苯二甲酸丙二醇酯納米導電纖維及製備方法，涉及納米纖維的製備工藝技術領域，本發明將聚對苯二甲酸丙二醇酯和表面羧基化的碳納米管加入到由三氟乙酸和二氯甲烷組成的復配溶劑中，用磁力攪拌器攪拌分散，製成紡絲液；再將紡絲液在直流高電壓下噴射生產納米導電纖維。本發明以聚對苯二甲酸丙二醇酯為絕緣外層，以碳納米管為導電內芯，使纖維具有良好的導電性。該產品既可用於過濾材料，也可以應用在電子電器工程，還可應用於傳感器等領域。
文檔編號D01F6/92GK102220658SQ201110150540
公開日2011年10月19日 申請日期2011年6月7日 優先權日2011年6月7日
發明者吳德峰, 張明, 楊濤 申請人:揚州大學