[发明专利]一种多孔聚丙烯腈纤维及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于多孔纤维制备技术领域，具体涉及一种多孔聚丙烯腈纤维及其制备方法和应用。

背景技术

多孔纤维具有比表面积大，孔隙率高、工程相容性好等特点，是一种被广泛运用于催化、选择性吸附、主/助载体、生物医用、光电材料等领域的材料。

目前多孔纤维制备方法主要有三种。第一种是将两种不相容的聚合物以一定比例共混溶解于共溶剂中进行纺丝，溶剂挥发的同时两种聚合物发生相分离，形成具有双连续相结构的纤维，随后选择性地除去其中一相即可得到多孔纤维；第二种是先将两种不相容的聚合物共混纺丝成纤，然后利用聚合物不同的热稳定性，通过热分解，使其中一种聚合物在高温处理下从纤维中分解掉，并以小分子的形式从纤维中逸出，而另一种聚合物在高温处理时不分解，从而得到多孔纤维；第三种是利用非溶剂诱导相分离的原理，在聚合物混合溶液纺丝过程中，由于存在非溶剂，因此在形成的纤维中形成富聚合物相和富溶剂相，将体系中的富溶剂相除去，即得到多孔纤维。由于第一种制备方法主要针对静电纺丝，并且静电纺丝制备纤维时间周期长，纤维直径不能很好地控制，第二种制备方法对实验温度要求高，成本高，耗时长，第三种制备方法存在对实验温度和湿度要求很高，可操作性差的问题。

公开号为CN 102493009A的中国发明专利文献公开一种多孔纳米纤维的制备方法，通过乳液静电纺丝得到了多孔纳米纤维，但是乳液体系是不稳定体系，在放置或静纺过程中可能会分相，并且在配制聚合物乳液时，操作步骤复杂，体系需要大量的表面活性剂，而表面活性剂是带有金属离子的十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠，可能会污染纤维，从而影响纤维的使用性能。而本发明的聚合物纺丝液是稳定体系，配制过程简单，并且无金属离子化合物添加剂，避免了上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多孔聚丙烯腈纤维及其制备方法，通过致孔剂调控聚丙烯腈得到纺丝液，采用湿法纺丝工艺获得表面具有多孔结构的聚丙烯腈纤维。

一种多孔聚丙烯腈纤维的制备方法，具体步骤如下：

(1)将聚丙烯腈溶于二甲基亚砜中，加入致孔剂，制成纺丝液；

(2)将纺丝液在30～70℃下挤出，进入温度为20～75℃的凝固浴中凝固成型制成纤维，凝固时间为30～300秒；

(3)上述纤维经50～70℃下真空干燥60～300分钟，获得多孔聚丙烯腈纤维。

本发明方法操作简便、制样方法简单、耗时短、成本低，在保证纤维性能不易受外界条件干扰情况下，利用湿法纺丝的方法，通过控制喷丝板的孔径大小和凝固浴的相关参数，基于相分离的原理得到了直径可控、内外皆有孔的多孔聚丙烯腈纤维。

所述聚丙烯腈为丙烯腈-衣康酸二元共聚物和丙烯腈-衣康酸-丙烯酸甲酯三元共聚物中的至少一种。

所述致孔剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、聚乙烯醇或丙三醇；其中由于聚乙烯吡咯烷酮优异的溶解性及生理相容性，作为优选，所述致孔剂为聚乙烯吡咯烷酮。通过将致孔剂引入到聚丙烯腈体系中，在湿法纺丝过程中，聚丙烯腈细流与凝固浴之间进行质量交换时，亲水性的致孔剂也由聚丙烯腈细流中扩散到凝固浴中，在聚丙烯腈细流与凝固浴之间质量交换完全时，此时的致孔剂也扩散完全，即可直接得到多孔聚丙烯腈纤维。

所述致孔剂的投加量为聚丙烯腈质量的5～200％，其中致孔剂的含量对多孔聚丙烯腈纤维的性能影响很大，致孔剂含量越小，得到的多孔聚丙烯腈纤维上的孔数量越少，吸附性能越差；致孔剂含量过大，则得到的多孔聚丙烯腈纤维力学性能较差，制样困难，在对样品进行后处理干燥时，样品上形成的孔洞容易坍塌，同时多孔聚丙烯腈纤维的产率下降；作为优选，所述致孔剂的投加量为聚丙烯腈质量的15～25％。

纺丝液中聚丙烯腈的浓度对本发明制备方法的影响不大，作为优选，纺丝液中聚丙烯腈的质量分数为10～90％。

所述凝固浴为质量分数为0～80wt％的二甲基甲酰胺水溶液、二甲基亚砜水溶液或硫氰酸钠水溶液；其中凝固浴中溶剂的质量分数越大，多孔聚丙烯腈纤维的制备成本越高。因此，为了节约成本，作为优选，所述凝固浴为质量分数为0～70wt％的二甲基亚砜水溶液。

本发明还提供了一种由上述方法制备得到的多孔聚丙烯腈纤维。采用本发明方法制备得到的多孔聚丙烯腈的纤维表面和内部都具有孔结构，比表面积为40～200m²/g。

本发明还提供了一种上述多孔聚丙烯腈纤维在催化领域中的应用，相较于相同直径的聚丙烯腈纤维，本发明所得孔聚丙烯腈纤维的比表面积大，活性位点多，催化活性高。