[发明专利]利用静电纺丝大面积制备定向毛细力驱动高效集水疏水/亲水Janus复合纤维膜的方法

说明书

本发明公开了一种利用静电纺丝大面积制备定向毛细力驱动高效集水疏水/亲水Janus复合纤维膜的方法，属于功能性纤维材料技术领域。本发明利用可连续收卷装置作为电纺接收基底，通过调控和匹配构成疏水/亲水Janus复合纤维膜两层膜的孔径和选用不同浸润性聚合物材料，获得大面积具有定向毛细作用的疏水/亲水浸润性差异Janus复合纤维膜材料，并将其应用于空气中微小水滴的收集与捕获。本发明的制备方法简单、能耗低、效率高，且能实现稳定地大面积制备。所制备的复合纤维膜，当微小水滴在由大孔径疏水层向小孔亲水层穿越时，更容易被捕获和吸收，从而展现出较由小孔径亲水向大孔径疏水层及单纯疏水、单纯亲水更高的微小水滴收集能力。

技术领域

本发明属于功能性纤维材料技术领域，具体来说，涉及利用静电纺丝法大面积制备具有定向毛细力作用同时具有疏水/亲水浸润性差异的Janus复合集水纤维膜。

背景技术

在无外场(如力、热、光、电场等)作用下，能够在潮湿空气中捕获和收集空气中微小水滴材料的研究、制备和开发对于水资源有效收集和再利用具有应用价值。目前，一方面，针对无外场作用的高效集水膜材料的研究及大面积制备方法的探索较少，这大大制约了其在实际中的应用。另一方面，设计和构筑由两层不同孔径、不同浸润性(疏水、亲水)无缝紧密连接的纤维膜构成的Janus(双面神)多孔膜材料，利用两层纤维膜不同微/纳米尺度孔径引起的定向毛细力，结合它们之间浸润性差异的协同作用，提升复合纤维膜对微小水滴的捕获和收集能力的相关研究尚未见报道。静电纺丝技术(简称电纺)，作为近些年来发展起来的高效制备微/纳米纤维的技术受到广泛关注。电纺是利用高压电场的作用实现纺丝溶液的喷射。制备过程中，将聚合物溶液或熔体置于高压静电场中，带电的聚合物液滴在电场库仑力作用下被拉伸，当电场力足够大时聚合物溶液或熔体克服表面张力的作用形成喷射状细流，细流在向接收基底运动过程中随着溶剂挥发而固化，落于接收基底上形成由直径在微米或纳米级的纤维构成的无纺布状膜材料。利用电纺制备纤维膜材料操作简单、所能制备的材料包括聚合物、无机氧化物、金属以及有机/无机杂化材料等种类较多，且通过逐层电纺，易于制备由两层或多层不同材料构成的复合纤维膜。同时，通过设计合适的电纺设备、优化制备工艺，能够实现规模化生产。

发明内容

本发明的目的是提供利用静电纺丝制备具有定向毛细作用的疏水/亲水Janus集水纤维膜的方法。本发明利用可连续收卷装置作为电纺接收基底，通过材料结构设计(即调控和匹配构成疏水/亲水Janus复合纤维膜两层膜的孔径)和材料对水的浸润性调控(即选用不同浸润性聚合物材料)，获得大面积具有定向毛细作用的疏水/亲水浸润性差异Janus复合纤维膜材料，并将其应用于空气中微小水滴的收集与捕获。

本发明的制备方法简单、能耗低、效率高，且能实现稳定地大面积制备。所制备的复合纤维膜材料由较大面积的疏水微米或纳米级纤维与较小孔面积的亲水微米或纳米级纤维紧密结合无缝连接构成，其中疏水和亲水层微米或纳米级纤维膜孔径均能够通过调节纺丝工艺参数来控制。复合纤维膜两层孔径差异，形成大孔向小孔方向增强的定向毛细力作用；同时，复合纤维膜的疏水层促进水滴团聚和生长成为更大体积的水滴有助于其向亲水层渗透，亲水层对水滴具有高效吸附的作用。所述的纤维膜，当微小水滴在由大孔径疏水层向小孔亲水层穿越时，更容易被捕获和吸收，从而展现出较由小孔径亲水向大孔径疏水层及单纯疏水、单纯亲水更高的微小水滴收集能力。

本发明所提供的一种利用静电纺丝大面积制备定向毛细力驱动高效集水疏水/亲水Janus复合纤维膜的方法，包括以下几个步骤：

第一步，制备静电纺丝前驱体溶液A:

将分析纯级别的疏水聚合物A干燥，加入到有机溶剂A中，加热搅拌至聚合物完全溶解，得到静电纺丝前驱体溶液A，静置备用。

所述疏水聚合物A为聚偏氟乙烯(PVDF)或聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)或聚苯乙烯(PS)等疏水性聚合物的一种或两种以上的混合物。