[发明专利]生物质焦油—PAN纤维材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纤维材料技术领域，具体涉及一种以生物质焦油和聚丙烯腈（PAN）为原料，利用静电纺丝工艺所制备的具有抗菌性能的纤维材料。

背景技术

在煤炭、石油、天然气等储量日益减少，环境污染日益恶化的今天，大力发展可再生自然资源的利用和研究，以替代传统的石油基高分子材料，具有重要的战略意义。

生物质能源，由于其独特的性质，如丰富的原料、可再生性、以及碳平衡性等优势，正引起越来越多的关注。通过热化学转化，如热解和气化可以将生物质转化为气体、液体和固体，可用于产生热、电和工业所需要的基础化学原料等。生物质的热化学转化过程会产生焦油类的副产物，称为生物质焦油（tar），生物质焦油需要从生产气体中除去，以避免在下游设备和终端应用产生堵塞问题。但是由于生物质焦油难以降解，因而随意放置也会造成环境污染。

目前针对生物质焦油的常规处理方法主要是利用蒸汽和催化剂对生物质焦油进行催化转化，然而这些方法操作过程复杂，价格昂贵，还要消耗大量化学药品，重复利用价值较低。因此，生物质焦油综合利用技术的开发对生物质和生物能源的可持续发展具有重要意义。考虑到生物质焦油的化学组成和高的碳含量特征，应该尽可能使其作为一种生物资源加工成材料，而不必作为废物处理掉。

现有技术中，静电纺丝已经成为一个简单且通用的采用有机和无机材料来制备多功能纤维材料的方法，通过此技术可获得直径从几十纳米到几微米的纤维。通过静电纺丝所制备的纤维材料具有诸多优异的特性，比如小尺寸、大比表面积、多尺度孔隙率和高度灵活性的表面基团官能化，因而通过静电纺丝工艺所制备的纤维材料在吸附材料、过滤装置、光电器件、传感器、组织工程和抗菌材料等方面具有广泛的应用。

已有研究表明，将焦油分散在四氢呋喃后，可以采用静电纺丝方法制备纤维材料，然而由于焦油的低分子量以及在溶剂中的低溶解度，导致纺丝液粘度较低，使通过该方法得到的纤维材料表面有较多凸起，不够平滑。因而尚需进一步改进，从而为生物质焦油的综合利用开发提供新的可能。

发明内容

本发明主要目的是提供一种生物质焦油开发利用的新途径，具体而言是提供一种以生物质焦油和聚丙烯腈（PAN）为原料的纤维材料，该材料具有较好的抗菌性能，采用静电纺丝工艺制备而成。

本发明所采取的技术方案如下。

利用静电纺丝工艺所制备的生物质焦油—PAN纤维材料，该材料采用静电纺丝工艺制备而成，纤维材料中生物质焦油的质量为PAN质量的30~100%。

利用静电纺丝工艺所制备的生物质焦油—PAN纤维材料，其制备方法包括以下步骤：

（1）将PAN溶解于DMF（N，N—二甲基甲酰胺）中，得到PAN的DMF溶液；优选PAN的DMF溶液质量浓度为10%；

（2）将干燥的生物质焦油粉末加入DMF（N，N—二甲基甲酰胺）中，剧烈搅拌，得到生物质焦油的DMF悬浮液；优选通过磁力搅拌方式剧烈搅拌24h；

（3）将步骤（1）中PAN的DMF溶液与步骤（2）中的生物质焦油的DMF悬浮液按比例复配，制得混合悬浮液，优选超声分散30min；

所述复配后混合悬浮液中，生物质焦油的质量为PAN质量的30~100%；优选生物质焦油的质量为PAN质量的30~50%；

（4）注射器取步骤（3）中复配后的混合悬浮液，静电纺丝，纺丝参数优选设置如下：

针头直径为0.413mm；混合悬浮液通过注射泵针头流量为0.5 mL/h；

静电电压为15~20KV；纺丝距离为15~25cm；纺丝温度为20~35℃；相对湿度为50~65%；干燥温度为60℃；

优选纺丝参数设置为：静电电压为20KV；纺丝距离为20cm；纺丝温度为25℃；相对湿度为60%；干燥温度为60℃。

本发明制备的静电纺丝纤维材料在气体及液体过滤材料、水中污染物及重金属离子吸附，抗菌性伤口披覆膜等方面具有潜在应用前景。

已有研究表明，从生物质气化中得到的生物质焦油主要由酚类、芳族化合物、呋喃、脂族化合物和酯类构成。元素分析表明，生物质焦油具有较高的H/C和O/C及较低的芳族类化合物比例，与石化燃料相比，更容易被氧化，这就意味着生物质焦油更具反应性。在纤维材料制备领域，已有较多关于从煤炭和石油中所获得的焦油或沥青进行纤维制造的研究，但是尚未见到有关使用热转化过程中产生的生物质焦油来制备纤维材料的报道。