利用電紡絲技術(shù)制備的三維多孔紗線及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用電紡絲技術(shù)制備的三維多孔紗線及其制備方法。該方法是采用旋轉(zhuǎn)纖維作為支撐物收集電紡絲制備的聚合物或聚合物復(fù)合纖維，并通過后續(xù)處理制備得到三維多孔紗線。本發(fā)明的制備方法可以使紗線成型快速直接，并且該方法適合所有高壓靜電紡絲可制備的納米材料的手機成型；并且本發(fā)明制備得到的紗線具有互聯(lián)通的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有利于實現(xiàn)大的電導(dǎo)率。所述納米纖維之間由大量互相聯(lián)通的孔隙填充，有利于液體如電解液在電極中的擴散。
【專利說明】
利用電紡絲技術(shù)制備的三維多孔紗線及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用電紡絲技術(shù)制備的三維多孔紗線及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]早在20世紀(jì)60年代，可穿戴智能設(shè)備的思想和雛形即已出現(xiàn)。近幾年，隨著信息技術(shù)、納米技術(shù)、材料科學(xué)、儲能技術(shù)等的快速發(fā)展，可穿戴設(shè)備開始進(jìn)入了快速發(fā)展的階段，其形態(tài)和功能開始變得多樣化，逐漸在工業(yè)、醫(yī)療、軍事、教育、娛樂等諸多領(lǐng)域表現(xiàn)出重要的研究價值和應(yīng)用潛力?？纱┐髟O(shè)備的發(fā)展為能源供給器件提出了更多的要求:可編織、輕質(zhì)化、大容量、高倍率、高穩(wěn)定性等。
[0003]當(dāng)前制備線狀電極的方法包括濕法紡絲技術(shù)，干法紡絲，限域水熱等技術(shù)。用濕法紡絲或干法紡絲技術(shù)制備紗線對材料的物理化學(xué)性質(zhì)有一定要求，一些性能優(yōu)良的材料往往不滿足干法紡絲和濕法紡絲的條件。如干法紡絲需要材料為聚合物并具有一定的粘度、分子量足夠大、合適的導(dǎo)電性和表面張力等;濕法紡絲則利用材料在某些化學(xué)反應(yīng)下的固化性質(zhì)來制備紗線，只有適用于滿足特定的化學(xué)反應(yīng)的材料。而限域水熱法除了要求滿足特定的化學(xué)反應(yīng)、還需要反應(yīng)產(chǎn)物生成連續(xù)的溶膠或者凝膠紗線。另外，限域水熱法受限域容器的限制，無法連續(xù)生產(chǎn)紗線。
[0004]從上面的分析可以看出，當(dāng)前制備紗線的方法都有其局限性，而探索新的紗線制備技術(shù)來代替或者彌補當(dāng)前技術(shù)成為當(dāng)前納米材料領(lǐng)域的一個關(guān)鍵技術(shù)問題。該問題的解決將為超級電容器、鋰離子電池、鋰硫電池、光電化學(xué)電極、光催化、污染物吸附等領(lǐng)域提供新的材料制備技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005][要解決的技術(shù)問題]
[0006]本發(fā)明的目的是解決上述現(xiàn)有技術(shù)問題，提供一種利用電紡絲技術(shù)制備的三維多孔紗線及其制備方法。
[0007][技術(shù)方案]
[0008]為了達(dá)到上述的技術(shù)效果，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:
[0009]本發(fā)明借助高壓靜電紡絲技術(shù)，采用特殊的電紡絲收絲器一一旋轉(zhuǎn)纖維來實現(xiàn)紗線電極的直接成型收集。
[0010]—種利用電紡絲技術(shù)制備三維多孔紗線的制備方法，該方法是采用旋轉(zhuǎn)纖維作為支撐物收集電紡絲制備的聚合物或聚合物復(fù)合纖維，并通過后續(xù)處理制備得到三維多孔紗線。
[0011]根據(jù)本發(fā)明更進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述旋轉(zhuǎn)纖維是直徑<lcm的金屬絲、棉線、化學(xué)纖維或玻璃纖維。
[0012]根據(jù)本發(fā)明更進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述化學(xué)纖維優(yōu)選碳纖維;所述的金屬絲為鈦絲、鋼絲、鉭絲、銅絲或鎳絲。
[0013]根據(jù)本發(fā)明更進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述旋轉(zhuǎn)纖維的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為O?20000rpm。
[0014]根據(jù)本發(fā)明更進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述聚合物或聚合物復(fù)合纖維包括聚丙烯腈PAN、聚乙烯吡咯烷酮PVP、聚乙烯醇PVA、聚氧乙烯PE0、聚醋酸乙烯酯PVAc、聚3，4-乙撐二氧噻吩PEDOT、聚苯胺中的一種或多種。
[0015]根據(jù)本發(fā)明更進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述后續(xù)處理為去除或不去除旋轉(zhuǎn)纖維，其后續(xù)處理包括碳化工藝、原位聚合、酸堿處理、光固化、電子或離子束輻照或放射性輻照。
[0016]上述利用電紡絲技術(shù)制備三維多孔紗線的制備方法是將電紡絲前驅(qū)體溶液在靜電壓為5?50kV、可導(dǎo)電的毛細(xì)針管孔徑為0.5?0.8nm的條件下，以0.02?0.5mL/h的流速從可導(dǎo)電的毛細(xì)針管中流出進(jìn)行電紡絲作業(yè)的。
[0017]—種二維多孔紗線，該二維多孔紗線是由上述制備方法制備得到。所得紗線由納米纖維組成，所述納米纖維在結(jié)構(gòu)上形成互聯(lián)通的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有利于實現(xiàn)大的電導(dǎo)率。所述納米纖維之間由大量互相聯(lián)通的孔隙填充，有利于液體如電解液在電極中的擴散。
[0018]所述三維多孔紗線是由直徑<1μπι的納米纖維組成，所述納米纖維之間由互相聯(lián)通的孔徑>10nm的孔隙填充。
[0019]一種根據(jù)上述制備方法制備得到的三維多孔紗線的應(yīng)用，該三維多孔紗線可應(yīng)用于超級電容器、鋰離子電池、鋰硫電池、光電化學(xué)電極、光催化或污染物吸附領(lǐng)域。
[0020]—種上述制備方法使用的電紡絲裝置，它包括高壓電源、可導(dǎo)電的毛細(xì)針管和金屬收集平板，所述高壓電源的正負(fù)極分別與可導(dǎo)電的毛細(xì)針管、金屬收集平板連接，它還包括旋轉(zhuǎn)纖維，所述旋轉(zhuǎn)纖維置于可導(dǎo)電的毛細(xì)針管與金屬收集平板之間，并且所述旋轉(zhuǎn)纖維的軸與金屬收集平板平行;所述旋轉(zhuǎn)纖維置于可導(dǎo)電的毛細(xì)針管下方I?10cm處、金屬收集平板之上0.1?10cm處，并且所述旋轉(zhuǎn)纖維與金屬收集平板的距離比其與可導(dǎo)電的毛細(xì)針管的距離短;所述旋轉(zhuǎn)纖維可以與金屬收集平板相連或不相連。
[0021]下面將詳細(xì)地說明本發(fā)明。
[0022]本發(fā)明采用旋轉(zhuǎn)的纖維作為高壓靜電紡絲裝備的收絲器，然后通過電紡絲制備的纖維在旋轉(zhuǎn)纖維上的纏繞來實現(xiàn)紗線的成型收集。本發(fā)明使用的高壓靜電紡絲技術(shù)為現(xiàn)有技術(shù)，使用的裝置也可以是現(xiàn)有裝置，但是需要在現(xiàn)有裝置中可導(dǎo)電的毛細(xì)針管與金屬收集平板之間設(shè)置旋轉(zhuǎn)纖維。具體的制備方法如下:電紡絲前驅(qū)體溶液通過可導(dǎo)電的毛細(xì)針管流出，在高壓靜電場、溶液黏滯力、溶液表面張力、重力等綜合作用下被拉伸成納米纖維。所述高壓電場由高壓電源通過導(dǎo)線施加在可導(dǎo)電的毛細(xì)針管和金屬收集平板上。所述的旋轉(zhuǎn)纖維作為電紡絲產(chǎn)物的支撐物，制備成功之后可被去除制備空心的三維多孔電極，也可不去除作為電極的一部分，起載流子收集或者增加機械性能的作用。
[0023][有益效果]
[0024]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的有益效果:
[0025]本發(fā)明的制備方法可以使紗線成型快速直接，并且該方法適合所有高壓靜電紡絲可制備的納米材料的收集成型；并且本發(fā)明制備得到的紗線由納米纖維組成，所述納米纖維在結(jié)構(gòu)上形成互聯(lián)通的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有利于實現(xiàn)大的電導(dǎo)率。所述納米纖維之間由大量互相聯(lián)通的孔隙填充，有利于液體如電解液在電極中的擴散。
【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明電紡絲裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖2為本發(fā)明實施例1制備的三維多孔紗線的掃描電子顯微鏡照片。
【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合本發(fā)明的實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的闡述和說明。
[0029]—種如圖1所示的電紡絲裝置，它包括高壓電源4、可導(dǎo)電的毛細(xì)針管2和金屬收集平板6，所述高壓電源4的正負(fù)極分別與可導(dǎo)電的毛細(xì)針管2、金屬收集平板6連接，它還包括旋轉(zhuǎn)纖維7，所述旋轉(zhuǎn)纖維7置于可導(dǎo)電的毛細(xì)針管2與金屬收集平板6之間，并且所述旋轉(zhuǎn)纖維的軸與金屬收集平板平行;所述旋轉(zhuǎn)纖維置于可導(dǎo)電的毛細(xì)針管下方I?10cm處、金屬收集平板之上0.1?10cm處，并且所述旋轉(zhuǎn)纖維與金屬收集平板的距離比其與可導(dǎo)電的毛細(xì)針管的距離短;所述旋轉(zhuǎn)纖維可以與金屬收集平板相連或不相連。
[0030]利用該電紡絲裝置進(jìn)行制備的具體步驟如下:電紡絲前驅(qū)體溶液I通過可導(dǎo)電的毛細(xì)針管2流出，在高壓靜電場、溶液黏滯力、溶液表面張力、重力等綜合作用下被拉伸成納米纖維3。所述高壓電場由高壓電源4通過導(dǎo)線5施加在可導(dǎo)電的毛細(xì)針管2和金屬收集平板6上；電紡絲制備的納米纖維3在電場作用下向金屬收集平板6上聚集，在聚集過程中被置于金屬收集板上的旋轉(zhuǎn)纖維7纏繞收集而形成紗線。
[0031]以下實施例均由上述電紡絲裝置制備而成。
[0032]實施例1:
[0033]將0.5g PAN溶解于5mL dimethylformamide(DMF)中作為電紡絲溶液。然后以0.2mL/h的流速從可導(dǎo)電的毛細(xì)針管流出，可導(dǎo)電的毛細(xì)針管和直徑為300微米的旋轉(zhuǎn)鈦絲之間的距離為15cm，可導(dǎo)電的毛細(xì)針管到金屬收集平板間的距離為18cm，旋轉(zhuǎn)纖維置于金屬收集平板之上3cm出處，旋轉(zhuǎn)鈦絲的軸和收集平板平行，所述可導(dǎo)電的毛細(xì)針管和高壓電源的正(負(fù))極相連，金屬收集板和負(fù)(正)相連。在可導(dǎo)電的毛細(xì)針管和金屬平板之間施加15kV的高壓?？刂菩D(zhuǎn)Ti絲的轉(zhuǎn)速為3000rpm。
[0034]本實施例電紡絲制備的納米PAN納米纖維落到旋轉(zhuǎn)鈦絲上并被纏繞而裹在鈦絲表面形成PAN紗線。對所制備的含鈦絲的PAN紗線進(jìn)行碳化處理之后得到如圖2所示的Ti/碳納米纖維紗線。
[0035]該產(chǎn)品Ti/碳納米纖維紗線可應(yīng)用在紗線超級電容器領(lǐng)域，由于該結(jié)構(gòu)同時具有互聯(lián)通的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和電解液擴散網(wǎng)絡(luò)，可以顯著提高活性材料利用率，提高器件的比容量、能量密度、功率密度。
[0036]實施例2
[0037]將0.5g PAN溶解于5mL dimethylformamide(DMF)中作為電紡絲溶液。然后以0.2mL/h的流速從可導(dǎo)電的毛細(xì)針管流出，可導(dǎo)電的毛細(xì)針管和直徑為300微米的旋轉(zhuǎn)銅絲之間的距離為15cm，可導(dǎo)電的毛細(xì)針管到金屬收集平板間的距離為18cm，旋轉(zhuǎn)纖維置于金屬收集平板之上3cm出處，旋轉(zhuǎn)銅絲的軸和收集平板平行，所述可導(dǎo)電的毛細(xì)針管和高壓電源的正(負(fù))極相連，金屬收集板和負(fù)(正)相連。在可導(dǎo)電的毛細(xì)針管和金屬平板之間施加15kV的高壓。控制旋轉(zhuǎn)銅絲的轉(zhuǎn)速為3000r/min。
[0038]本實施例電紡絲制備的納米PAN納米纖維落到旋轉(zhuǎn)銅絲上并被纏繞而裹在銅絲表面形成PAN紗線。對所制備的含銅絲的PAN紗線進(jìn)行碳化處理之后得到Cu/碳納米纖維紗線。用硝酸腐蝕掉銅絲之后得到碳納米纖維紗線。
[0039]該中空碳納米纖維紗線可應(yīng)用在電催化、超級電容器等領(lǐng)域，由于該結(jié)構(gòu)同時具有互聯(lián)通的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和電解液擴散網(wǎng)絡(luò)，可以顯著提高活性材料利用率，提高器件的電催化性能(對電催化)比容量、能量密度、功率密度(超級電容器)。
[0040]實施例3
[0041 ] 將0.5g PAN溶解于5mL dimethylformamide(DMF)中作為電紡絲溶液。然后以0.2mL/h的流速從可導(dǎo)電的毛細(xì)針管流出，可導(dǎo)電的毛細(xì)針管和直徑為400微米的旋轉(zhuǎn)銅絲之間的距離為15cm，可導(dǎo)電的毛細(xì)針管到金屬收集平板間的距離為18cm，旋轉(zhuǎn)纖維置于金屬收集平板之上3cm出處，旋轉(zhuǎn)銅絲的軸和收集平板平行，所述可導(dǎo)電的毛細(xì)針管和高壓電源的正(負(fù))極相連，金屬收集板和負(fù)(正)相連。在可導(dǎo)電的毛細(xì)針管和金屬平板之間施加15kV的高壓?？刂菩D(zhuǎn)銅絲的轉(zhuǎn)速為3000r/min。
[0042]本實施例電紡絲制備的納米PAN納米纖維落到旋轉(zhuǎn)碳纖維束(由直徑7微米的碳纖維組成，直徑約100微米)上并被纏繞而裹在碳纖維束表面形成PAN紗線。對所制備的含碳纖維束的PAN紗線進(jìn)行碳化處理之后得到碳纖維束/碳納米纖維紗線。
[0043]該中空碳納米纖維紗線可應(yīng)用在超級電容器領(lǐng)域，由于該結(jié)構(gòu)同時具有互聯(lián)通的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和電解液擴散網(wǎng)絡(luò)，可以顯著提高活性材料利用率，提高器件的比容量、能量密度、功率密度(超級電容器)。
[0044]盡管這里參照本發(fā)明的解釋性實施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，上述實施例僅為本發(fā)明較佳的實施方式，本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，應(yīng)該理解，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以設(shè)計出很多其他的修改和實施方式，這些修改和實施方式將落在本申請公開的原則范圍和精神之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種利用電紡絲技術(shù)制備三維多孔紗線的制備方法，其特征在于該方法是采用旋轉(zhuǎn)纖維作為支撐物收集電紡絲制備的聚合物或聚合物復(fù)合纖維，并通過后續(xù)處理得到三維多孔紗線。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用電紡絲技術(shù)制備三維多孔紗線的制備方法，其特征在于所述旋轉(zhuǎn)纖維是直徑<lcm的金屬絲、棉線、化學(xué)纖維或玻璃纖維。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用電紡絲技術(shù)制備三維多孔紗線的制備方法，其特征在于所述旋轉(zhuǎn)纖維的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為O?20000rpm。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用電紡絲技術(shù)制備三維多孔紗線的制備方法，其特征在于所述聚合物或聚合物復(fù)合纖維包括聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚氧乙烯、聚醋酸乙烯酯、聚3，4_乙撐二氧噻吩、聚苯胺中的一種或多種。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用電紡絲技術(shù)制備三維多孔紗線的制備方法，其特征在于所述后續(xù)處理為去除或不去除旋轉(zhuǎn)纖維，其后續(xù)處理包括碳化工藝、原位聚合、酸堿處理、光固化、電子或離子束輻照或放射性輻照。6.—種三維多孔紗線，其特征在于該三維多孔紗線是由權(quán)利要求1?5任意一項制備方法制備得到。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的三維多孔紗線，其特征在于所述三維多孔紗線是由直徑<1μπι的納米纖維組成，所述納米纖維之間由互相聯(lián)通的孔徑>10nm的孔隙填充。
【文檔編號】D01D5/00GK105839203SQ201610273756
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年4月28日
【發(fā)明人】李小東, 王斌, 程建麗, 倪偉, 官群
【申請人】中國工程物理研究院化工材料研究所, 四川省新材料研究中心