[发明专利]一种热粘合加固纳米纤维组装的3D多孔交联复合气凝胶制备方法

说明书

本发明提出了一种热粘合加固纳米纤维组装的3D多孔交联复合气凝胶制备方法，具体是以聚丙烯腈(PAN)和热塑性高分子共混静电纺丝，与二氧化硅(SiO₂)纳米纤维在非溶剂中均质分散，分散体经过冷冻成型‑干燥和简单热固定型，纤维表面的相对低熔点的热塑性高分子热熔后冷却作为原位粘结点，纳米纤维形成各向同性分布的3D多孔网络结构，其中PAN纳米纤维作为回弹单元和SiO₂纳米纤维作为刚性支撑单元，从而组装成高回弹的3D多孔交联复合气凝胶。该气凝胶材料具有高比表面积、多孔结构、高孔隙率、超疏水性、超轻、超弹、可重复利用的优异特性，在能源、环境、医疗卫生、航空航天等领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于纳米纤维复合气凝胶领域，具体涉及一种热粘合加固纳米纤维组装的3D多孔交联复合气凝胶制备方法。

技术背景

静电纺丝以其制造装置简单、纺丝成本低廉、可纺物质种类繁多、工艺可控等优点，同时制得的纳米纤维具有比表面积大、长径比大、力学性能好等优点。静电纺纳米纤维在环境治理、安全防护、电子信息、组织工程等领域有着广阔的应用。随着应用研究的不断深入，构建结构稳定和性能优异的三维微纳米纤维材料已成为当前静电纺纤维应用性能提升的关键。

纳米纤维气凝胶是一种超低密度、高孔隙率的3D多孔材料。刘天西等人在公开号CN105161312A和CN105845455A专利中运用了均质分散和冷冻成型-干燥的纳米纤维复合气凝胶技术。钟鹭斌等人在公开号CN104674383A的专利中制备冷冻成型-干燥的有机纳米纤维/无机材料气凝胶，并经过预氧化、碳化和活化，得到碳纳米纤维气凝胶。由此均质分散和冷冻成型-干燥技术是制备纳米纤维气凝胶的普适性技术，关键在于如何利用简单的方法在纳米纤维之间形成粘结点，从而形成3D多孔交联网络结构。

因此本发明创新性以聚丙烯腈(PAN)和热塑性高分子共混静电纺丝，与二氧化硅(SiO₂)纳米纤维在非溶剂中均质分散。分散体经过普适的冷冻成型-干燥技术制得气凝胶，然后简单热固定型技术即可制备高回弹性多孔气凝胶。该气凝胶材料具有高比表面积、多孔结构、高孔隙率、超疏水性、超轻、超回复弹性、超低热传导系数和可重复利用的优异特性，在能源、环境、医疗卫生、航空航天等领域具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热粘合加固纳米纤维组装的3D多孔交联复合气凝胶制备方法，制备得到的复合气凝胶具有高比表面积、多孔结构、高孔隙率、超疏水性、超轻、超回复弹性、超低热传导系数和可重复利用以及结构稳定、性能优异。

本发明利用纳米纤维分散体冷冻成型-干燥技术制得气凝胶，然后简单热固定型技术即可制备高回弹性多孔气凝胶。纳米纤维表面相对低熔点的热塑性高分子热熔后冷却作为原位粘结点，纳米纤维形成各向同性分布的3D多孔交联气凝胶。

本发明提供的一种热粘合加固纳米纤维组装的3D多孔交联复合气凝胶制备方法，具体步骤如下：

(1)将5～10％的聚丙烯腈(PAN)和不同含量的热塑性高分子混合，在溶剂中完全溶解，得到PAN(X％热塑性高分子)纺丝液；

(2)将步骤(1)得到的PAN(X％热塑性高分子)纺丝液进行静电纺丝，得到纳米纤维膜；

(3)配制聚乙烯醇(PVA)的水溶液和以有机硅源为前体的二氧化硅溶胶，将两者以一定质量比混合，得到中间混合物；

(4)将步骤(3)得到的中间混合物静电纺制备PVA/SiO₂纳米纤维，搅拌4～8h，进行静电纺丝，煅烧得到SiO₂纳米纤维作为刚性支撑单元，得到纳米纤维膜；

(5)将步骤(2)和步骤(4)得到的纳米纤维膜在水和叔丁醇的混合液中进行匀浆处理，得到不同浓度的分散液；