[发明专利]一种聚对苯撑苯并二噁唑纳米纤维及其制备方法

说明书

本发明公开了一种聚对苯撑苯并二噁唑纳米纤维及其制备方法。本发明方法通过PBO纤维在KMnO₄/H₂SO₄体系中的刻蚀和溶胀，并辅助以超声处理，使得纤维皮层发生刻蚀和剥离，芯层发生溶胀和解离。通过控制KMnO₄浓度来实现对PBO纳米纤维尺寸的控制，刻蚀掉纤维内部结晶度较低、分子链排列有缺陷的部分，最终得到微相结构完善的PBO纳米纤维。虽然PBO本身疏水性很强，但是通过此方法可以制备得到水分散性良好的纳米纤维，这对于后续的功能化应用将会有很大的帮助。

技术领域

本发明属于聚合物纳米材料领域，具体涉及一种聚对苯撑苯并二噁唑纳米纤维及其制备方法。

背景技术

PBO是一种新型的高性能纤维，在PBO纤维分子骨架中，苯并噁唑环与苯环以180°键角相连接，形成刚性伸直链的构象。因此PBO纤维具有极其优异的力学性能和热稳定性，被称为“21世纪超级纤维”。

近年来，由于纳米纤维及其衍生产品具有大的比表面积、可伸缩的孔隙度、高长径比、独特的纳米尺寸效应和多功能性，使其被广泛的应用于组织工程、伤口敷料、防护服、增强材料、膜材料以及传感器等领域。PBO纳米纤维具有独特的纳米尺度结构、大的长径比和比表面积，同时又保留了PBO纤维优异的力学性能和耐温性能，使其成为构建复合材料的一种新型结构单元，在复合材料、电子、能源等领域具有广泛的应用前景。

目前，PBO纳米纤维主要通过质子化法来制备，即以甲磺酸与三氟乙酸的混合酸处理PBO纤维得到PBO纳米纤维。该方法中，甲磺酸是PBO的良溶剂，三氟乙酸是PBO的不良溶剂，通过三氟乙酸的加入来降低PBO的溶解性，保留PBO纤维中较难溶的晶区，形成PBO纳米纤维。专利CN 106221216 A中通过此法制备了PBO纳米纤维高强度隔热防火气凝胶，其内部为纳米纤维构成的互穿网络结构。虽然此专利成功的制备了PBO纳米纤维，但是制备得到的纳米纤维却无法在水中均匀分散，这就给PBO纳米纤维的功能化应用带来不利影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种聚对苯撑苯并二噁唑(PBO)纳米纤维及其制备方法。

本发明提供的制备聚对苯撑苯并二噁唑(PBO)纳米纤维的方法，包括：

1)用溶剂对PBO纤维进行洗涤和破碎，得到PBO浆粕纤维；

2)将所述PBO纤维或PBO浆粕纤维于KMnO₄浓硫酸溶液中进行氧化反应，得到悬浮液A；

3)将所述悬浮液A超声至悬浮液的颜色从墨绿色变成黄色，得到悬浮液B，过滤，收集所得凝胶状物质，在搅拌或者乳化机分散存在的情况下分散于水中，分散结束后继续搅拌或超声处理10min～12h，得到悬浮液C；

4)将所述悬浮液C过滤，收集滤液，加入碱性溶液使滤液变为中性后，得到分散液D，用水系滤膜或滤纸进行过滤，得到所述聚对苯撑苯并二噁唑(PBO)纳米纤维。

上述方法所述步骤1)洗涤步骤中，所用溶剂选自甲醇、乙醇和丙酮中至少一种；

所述PBO纤维为PBO短切纤维；长度为3～9mm；具体为6mm；

所述破碎步骤中，打浆度为5～50°。

所述步骤2)中，KMnO₄浓硫酸溶液中，KMnO₄的浓度为0.05～0.5wt％；具体为0.1wt％；

每100mL所述KMnO₄浓硫酸溶液中所述PBO纤维或PBO浆粕纤维的加入量为0.2～2.0g；具体为0.5-1g。

所述步骤3)超声步骤中，超声功率为200～800W；具体为300-500W；

所述搅拌步骤中，搅拌速率为1000～3000rpm；具体为2000rpm；