[发明专利]一种短棒状芳纶纳米纤维的制备方法及芳纶纳米纤维和应用

说明书

本发明公开一种短棒状芳纶纳米纤维的制备方法及芳纶纳米纤维和应用，属于聚合物纳米材料技术领域。本发明所制备的芳纶纳米纤维，其直径为100‑800nm的短棒状芳纶纳米纤维。其制备方法为将对位芳纶纤维置于PFI机中打浆，将得到的浆液加入KOH溶液中加热搅拌分散均匀，然后将得到的芳纶纤维分散体用真空抽滤洗至弱碱性，最后将其置于蒸汽爆破投料仓通过调控压力、时间等条件得到芳纶纳米纤维。本发明制备的芳纶纳米纤维呈短棒状且能分散于水中或亲水溶剂中，极大的拓展了芳纶纳米纤维的多元化应用。其制备过程中不使用有机溶剂，对环境友好，此方法成本低、处理效率高、工艺简单且制备以机械法为主适合大规模工艺生产。

技术领域

本发明属于聚合物纳米材料技术领域，具体涉及一种短棒状芳纶纳米纤维的制备方法及芳纶纳米纤维和应用。

背景技术

一维芳纶纤维特别是芳纶纳米纤维ANF，不仅保持了上述宏观芳纶纤维PPTA纤维的轻质高强、耐高温、耐腐蚀、高阻燃和绝缘性的优异性能，而且具有聚合物纳米纤维独特的纳米效应、大长宽比和高比表面积、优异的力学性能。其可作为与碳纳米管CNTs和纤维素纳米纤维相媲美的最有前景的构建块之一。纳米尺度的ANF为其带来芳纶纤维无法实现的机械性能和光学性能。此外，ANF表面丰富的活性基团、大的长径比和比表面积又赋予其纳米材料的优异特性。

芳纶纤维PPTA是一种高强度、阻燃性能优异、耐热性能好以及化学稳定性好的优异高性能化学纤维，是国防、航空航天、石油化工等领域的重要材料。芳纶纤维内部分子链间的π-π共扼形成的刚性链结构、分子间氢键以及范德华作用力等赋予了芳纶纤维高强、耐高温的特性，但同样也导致芳纶纤维表面活性基团少，难以与其他材料复合，限制了其在复合材料、纳米材料、生物医药材料等领域中的应用。芳纶纳米纤维是一种今年来兴起的聚合物纳米纤维材料。首先由美国Nicholas A.Kotov课题组教授提出的化学碱溶法(Yang M,Cao K，Sui L，et al .Dispersions of aramid nanofibers:a new nanoscale buildingblock [J] .Acs Nano , 2011, 5 (9) :6945-54 . )，通过将芳纶纤维与KOH和二甲基亚砜混合后在室温条件下连续搅拌7-10天，得到ANFs/DMSO分散液。虽然去质子化法制备的芳纶纳米纤维在直径及分布、纳米纤维质量以及方法可操作性方面具有明显的优势，得到了广大研究者的应用。但是，利用芳纶纤维发生去质子化反应制备芳纶纳米纤维的过程中，存在着反应周期长(7-10天)、反应浓度低(质量浓度一般为0.2%）等诸多问题。且ANF从DMSO中置换过程中芳纶纳米纤维的尺寸增大，甚至部分还原成宏观芳纶纤维，极大的破坏了其纳米结构的优异性。

芳纶纳米纤维能分散在有机溶剂中确实极大的拓宽了芳纶纳米纤维的应用范围但有机溶剂对环境污染大，若想大规模的应用芳纶纳米纤维材料，势必对坏境造成危害，同时因为芳纶纳米纤维不能分散在水中，不能很好的与水溶性聚合物共混，因此限制了芳纶纳米纤维在水溶性聚合物和亲水材料中的应用。纳米材料的特殊性能与纳米粒子的形貌密切相关，为了充分利用芳纶的优异性能和制备高性能复合材料，研发工艺简单，成本低，适合大规模工业使用的新型芳纶纳米材料是市场的迫切需求。

发明内容

本发明为克服现有技术中制备芳纶纳米纤维存在的反应周期过长、产量低、有机溶剂对环境污染等缺陷，提供一种短棒状芳纶纳米纤维的制备方法及其应用，方法操作简便，可以快速成功制备芳纶纳米纤维，极大缩短反应周期，推动芳纶纳米纤维的规模化生产与多元化应用。

为实现上述技术目的，本发明所采用的技术方案为：

一种短棒状芳纶纳米纤维的制备方法，包括以下步骤：

（1）将对位芳纶纤维加入水置于PFI机中打浆得到对位芳纶纤维A；

（2）将对位芳纶纤维A加入KOH水溶液中，得到对位芳纶纤维A和KOH水溶液混合体系，将其置于水浴锅中加热搅拌处理，得到对位芳纶纤维分散体A；