[发明专利]一种二氧化硅/聚苯乙烯微/纳米纤维膜的离心纺丝制备方法

说明书

技术领域

本发明属于功能性纳米纤维制备技术领域，特别涉及一种二氧化硅/聚苯乙烯(SiO₂/PS)微/纳米纤维膜的离心纺丝制备方法。

背景技术

超疏水材料不仅具有自清洁功能，而且还具有防雾、防雪、防冻霜、防豁附、防腐蚀、防电流传导等功能，所以在社会生产各个领域和人们日常生活中都有着广泛的应用前景,比如泡沫浮选矿物、防水、洗涤等。超疏水自清洁表面制备方法大多需用到复杂的设计、精细的控制技术，其中对微/纳米纤维膜的制备主要集中在使用静电纺丝的方法，静电纺丝存在着以下几个固有缺陷限制了该方法商业大规模使用：(1)制备过程中需要施加高压电场；(2)生产效率低；(3)溶液需要一定比例的溶剂使溶液具有一定的传导率而产生的污染。因此在成本、规模、可控性研究方面离实用化及应用需求还有很大距离。

离心纺丝克服了静电纺丝微/纳米纤维的制备方法所遇到的限制，并且能够以高速和低成本产生微/纳米纤维。该设计不需施加高压电场、能够制备不受传导率约束的聚合物微/纳米纤维，且其生产效率有大幅提高。离心纺丝设备结构简单，主要由电机、纺丝头、收集棒等构成。纺丝头装在电机轴上，里面装有聚合物溶液，纺丝头上有喷丝孔。工作时，电机通电旋转纺丝头，使纺丝头高速旋转，聚合物溶液在喷丝孔处由于离心力作用喷射在收集棒和喷丝孔之间运动到收集棒上形成有序的微/纳米纤维。聚合物溶液在喷丝孔处形成纳米纤维主要经历三个阶段：①聚合物溶液需有一定的粘度，旋转时到达喷丝孔处形成泰勒锥；②聚合物溶液同时受到表面张力和离心力作用，当离心力大于表面张力时，聚合物拉伸形成细小的微/纳米级纤维；③纤维在离心力的作用下在喷丝孔和收集棒之间旋转，在这个过程中聚合物溶液中的溶剂挥发，得到纤维旋转到收集棒上。

发明内容

本发明提供一种具有超疏水性能的二氧化硅/聚苯乙烯(SiO₂/PS)微/纳米纤维膜的离心纺丝制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种二氧化硅/聚苯乙烯微/纳米纤维膜的离心纺丝制备方法，该方法包括如下步骤：

(1)疏水二氧化硅的制备：采用溶胶-凝胶法制备二氧化硅溶胶，然后以甲基丙烯酰氧基三甲氧基硅烷(MPS)为改性剂对制得的二氧化硅溶胶进行疏水改性，得到疏水二氧化硅；

(2)离心纺丝溶液的制备：将步骤(1)所制备的疏水二氧化硅与聚苯乙烯(PS)两者混合溶于N-N二甲基甲酰胺(DMF)中，搅拌后得到分散均匀的离心纺丝溶液，其中PS与SiO₂的质量浓度分别为18±2wt％和3±1wt％；

(3)离心纺丝：采用步骤(2)制得的离心纺丝溶液进行离心纺丝，得到二氧化硅/聚苯乙烯(SiO₂/PS)超疏水微/纳米纤维膜。

本发明制备方法简单，所制备的二氧化硅/聚苯乙烯微/纳米纤维膜的水接触角为150°，具有良好的疏水性能。二氧化硅为无定型白色粉末，是一种无毒、无味、无污染的非金属材料。一般情况下呈絮状和网状的准颗粒结构，为球形状。二氧化硅既可作为载体、又可作为填充物制得复合纳米材料。二氧化硅具有高韧性、耐高温、耐腐蚀、耐磨等特性，二氧化硅作为补强剂，少量添加到普通橡胶中，使产品的强度、耐磨性和抗老化性得到很大的改善。同时对普通塑料进行改性，使塑料的透明性、强度、韧性、抗老化性明显提高。

构造超疏水表面：一种方法是利用疏水材料来构建表面粗糙结构；另一种是在粗糙表面上修饰低表面能的物质。通过离心纺丝制备的聚苯乙烯(PS)微/纳米纤维膜具有比表面积大、孔隙率高、孔径直径小等优点，具有一定的疏水性能，因此可利用聚苯乙烯(PS)微/纳米纤维膜来构造表面粗糙结构来获得超疏水表面。将二氧化硅引入到聚苯乙烯中通过离心纺丝的方法制备二氧化硅/聚苯乙烯(SiO₂/PS)微/纳米纤维膜，二氧化硅的引入可提高纤维膜表面粗糙度，从而使纤维膜具有超疏水性能，同时也会使纤维膜的强度、抗老化性得到一定改善，这将具有广阔的发展和应用前景。

作为优选，步骤(1)中，取正硅酸乙酯与无水乙醇、去离子水混合，再加入氨水反应得到二氧化硅溶胶，正硅酸乙酯、无水乙醇、去离子水、氨水的体积比为5:35:2:3，以5ml正硅酸乙酯计MPS的用量为1g，反应后经过重复离心分散、干燥得到疏水二氧化硅粉体。进一步的，反应温度为25℃，溶胶制备反应时间为2小时，改性反应时间为24小时；所制备的疏水二氧化硅经重复离心分散6次后，在60℃烘箱中烘燥8小时。

作为优选，疏水二氧化硅的粒径为250-300nm。