[发明专利]一种聚合物纳米导电纤维及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及一种聚合物纳米导电纤维及其制备方法。

背景技术

纳米纤维是指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料，包括纤维直径为纳米量级的超细纤维，还包括将纳米颗粒填充到普通纤维中对其进行改性的纤维。狭义上讲，纳米纤维的直径介于1nm到100nm之间，但广义上讲，纤维直径低于1000nm的纤维均称为纳米纤维(吴大诚，杜仲良，高绪珊．纳米纤维[M]．北京：化学工业出版社，2003.)。

纳米纤维由于其尺寸小、比表面积大及其特有的量子尺寸效应,材料的尺度达到纳米级时,表现出常规材料不具备的特殊性能,在光吸收、敏感、催化及其它功能特性等方面展现出引人注目的应用前景。因此,纳米科学技术被认为是21世纪最重要的科学技术之一。由于纳米材料具有传统材料不具备的特性，纳米导电材料近年来成为科学界研究的热点领域。目前，纳米导电纤维的制备方法有很多，包括拉伸法、模板合成法、相分离法、自组装法、分子喷丝板纺丝法、限域合成法、海岛型双组分复合纺丝法和静电纺丝法、分子技术制备法和生物制备法等。其中，静电纺丝法因具有操作简单、适用范围广等优点而被广泛应用(陈观福寿.纳米纤维制备及其应用研究[J].新材料产业，2011（4）：36-41.)。

目前常用熔融纺丝来制备导电纤维，是将干燥后的导电聚合物喂入螺杆挤出机中,经过加热熔融后由分配管道到达喷头前端的喷丝口,并由喷丝口喷出。与此同时,熔体会受到喷丝口两侧与熔体挤出方向成一定角度的高温、高压气流的喷吹,在这两股高速热气流的作用下熔体被拉伸成超细导电纤维,并通过与周围冷空气的热交换固化成丝,固化后的纤维在气流的作用下沉积在接收装置上(胡晓宇,肖长发.熔融纺丝制备中空纤维膜研究进展[J].高分子通报,2008(6):1-7.)。熔融纺丝法制备导电纤维产量大，无溶剂污染，但是制备的导电纤维尺寸分布在微米级别，尺寸分布不均。

静电纺丝是利用外加电场力使聚合物溶液或熔体克服表面张力在纺丝喷头毛细管尖端形成射流，当电场强度足够高时，在静电斥力和表面张力的共同作用下，聚合物射流沿不稳定的螺旋轨迹弯曲运动，在几十毫秒内被牵伸千万倍，随着溶剂挥发，射流固化形成亚微米至纳米级超细纤维，并且可以直接形成有很大比表面积和很小孔径的超细纤维膜(DoshiJ，RenekerDH.Electrospinningprocessandapplicationsofelectrospunfibers[J].JournalofElectrostatics,1995,35(2-3):151-160.)。静电纺丝法制备纳米导电纤维的主要问题是产量小，难以大规模生产，导电纤维力学性能较差，尺寸随机分布无法控制，容易受到纺丝液性质、纺丝条件以及周围环境温湿度影响，需要大量有机溶剂，会污染环境，有些聚合物更是难以找到合适的溶剂。

聚合物微纳层共挤出最早由美国陶氏(DOW)公司于上世纪70年代开发(ChisholmD,SchrenkWJ.U.S.P3557265.1971.)。该技术的重大突破是利用熔体在口模中的层叠复合过程产生具有几百上千层的微纳层状结构。通过两相交替层状排布形成的受限层空间和丰富的层界面可以赋予材料独特的力学、阻隔、光电等性能（沈佳斌,郭少云,李姜.聚合物微纳层状复合结构与性能的研究进展[J].高分子通报,2013(9):77-86.）。

本发明利用微纳层共挤出工艺，将两种高分子熔体分别通过两台挤出机进行熔融挤出，再将熔融物料输送至汇流器，并在此汇合（可在汇流器中加入界面润滑剂，使得纤维层之间易于分离，经查阅文献，此方法之前没有报道过），通过用分层叠加单元进行叠加切割的原理，在分层过程中层的结构经历垂直切割分成两层料流、水平展开及重新合并，从而使层的数量增倍，很明显经过n个分层叠加单元将形成2ⁿ⁺¹共挤层，由于材料在层叠过程中总厚度不变，因此，随着层数的增加，单层厚度将逐渐降低。因此，采用微纳层共挤出技术可望提供一种大批量、连续制备聚合物导电纳米纤维的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纤维尺寸均匀可控、纤维尺寸范围广，且易于大批量生产的聚合物纳米导电纤维及其制备方法。