利用電紡絲技術制備的三維多孔紗線及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用電紡絲技術制備的三維多孔紗線及其制備方法。該方法是采用旋轉纖維作為支撐物收集電紡絲制備的聚合物或聚合物復合纖維，并通過后續(xù)處理制備得到三維多孔紗線。本發(fā)明的制備方法可以使紗線成型快速直接，并且該方法適合所有高壓靜電紡絲可制備的納米材料的手機成型；并且本發(fā)明制備得到的紗線具有互聯(lián)通的網(wǎng)絡結構，有利于實現(xiàn)大的電導率。所述納米纖維之間由大量互相聯(lián)通的孔隙填充，有利于液體如電解液在電極中的擴散。
【專利說明】
利用電紡絲技術制備的三維多孔紗線及其制備方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及納米材料制備技術領域，具體涉及一種利用電紡絲技術制備的三維多孔紗線及其制備方法。
【背景技術】
[0002]早在20世紀60年代，可穿戴智能設備的思想和雛形即已出現(xiàn)。近幾年，隨著信息技術、納米技術、材料科學、儲能技術等的快速發(fā)展，可穿戴設備開始進入了快速發(fā)展的階段，其形態(tài)和功能開始變得多樣化，逐漸在工業(yè)、醫(yī)療、軍事、教育、娛樂等諸多領域表現(xiàn)出重要的研究價值和應用潛力?？纱┐髟O備的發(fā)展為能源供給器件提出了更多的要求:可編織、輕質化、大容量、高倍率、高穩(wěn)定性等。
[0003]當前制備線狀電極的方法包括濕法紡絲技術，干法紡絲，限域水熱等技術。用濕法紡絲或干法紡絲技術制備紗線對材料的物理化學性質有一定要求，一些性能優(yōu)良的材料往往不滿足干法紡絲和濕法紡絲的條件。如干法紡絲需要材料為聚合物并具有一定的粘度、分子量足夠大、合適的導電性和表面張力等;濕法紡絲則利用材料在某些化學反應下的固化性質來制備紗線，只有適用于滿足特定的化學反應的材料。而限域水熱法除了要求滿足特定的化學反應、還需要反應產(chǎn)物生成連續(xù)的溶膠或者凝膠紗線。另外，限域水熱法受限域容器的限制，無法連續(xù)生產(chǎn)紗線。
[0004]從上面的分析可以看出，當前制備紗線的方法都有其局限性，而探索新的紗線制備技術來代替或者彌補當前技術成為當前納米材料領域的一個關鍵技術問題。該問題的解決將為超級電容器、鋰離子電池、鋰硫電池、光電化學電極、光催化、污染物吸附等領域提供新的材料制備技術。

【發(fā)明內容】

[0005][要解決的技術問題]
[0006]本發(fā)明的目的是解決上述現(xiàn)有技術問題，提供一種利用電紡絲技術制備的三維多孔紗線及其制備方法。
[0007][技術方案]
[0008]為了達到上述的技術效果，本發(fā)明采取以下技術方案:
[0009]本發(fā)明借助高壓靜電紡絲技術，采用特殊的電紡絲收絲器一一旋轉纖維來實現(xiàn)紗線電極的直接成型收集。
[0010]—種利用電紡絲技術制備三維多孔紗線的制備方法，該方法是采用旋轉纖維作為支撐物收集電紡絲制備的聚合物或聚合物復合纖維，并通過后續(xù)處理制備得到三維多孔紗線。
[0011]根據(jù)本發(fā)明更進一步的技術方案，所述旋轉纖維是直徑<lcm的金屬絲、棉線、化學纖維或玻璃纖維。
[0012]根據(jù)本發(fā)明更進一步的技術方案，所述化學纖維優(yōu)選碳纖維;所述的金屬絲為鈦絲、鋼絲、鉭絲、銅絲或鎳絲。
[0013]根據(jù)本發(fā)明更進一步的技術方案，所述旋轉纖維的旋轉轉速為O?20000rpm。
[0014]根據(jù)本發(fā)明更進一步的技術方案，所述聚合物或聚合物復合纖維包括聚丙烯腈PAN、聚乙烯吡咯烷酮PVP、聚乙烯醇PVA、聚氧乙烯PE0、聚醋酸乙烯酯PVAc、聚3，4-乙撐二氧噻吩PEDOT、聚苯胺中的一種或多種。
[0015]根據(jù)本發(fā)明更進一步的技術方案，所述后續(xù)處理為去除或不去除旋轉纖維，其后續(xù)處理包括碳化工藝、原位聚合、酸堿處理、光固化、電子或離子束輻照或放射性輻照。
[0016]上述利用電紡絲技術制備三維多孔紗線的制備方法是將電紡絲前驅體溶液在靜電壓為5?50kV、可導電的毛細針管孔徑為0.5?0.8nm的條件下，以0.02?0.5mL/h的流速從可導電的毛細針管中流出進行電紡絲作業(yè)的。
[0017]—種二維多孔紗線，該二維多孔紗線是由上述制備方法制備得到。所得紗線由納米纖維組成，所述納米纖維在結構上形成互聯(lián)通的網(wǎng)絡結構，有利于實現(xiàn)大的電導率。所述納米纖維之間由大量互相聯(lián)通的孔隙填充，有利于液體如電解液在電極中的擴散。
[0018]所述三維多孔紗線是由直徑<1μπι的納米纖維組成，所述納米纖維之間由互相聯(lián)通的孔徑>10nm的孔隙填充。
[0019]一種根據(jù)上述制備方法制備得到的三維多孔紗線的應用，該三維多孔紗線可應用于超級電容器、鋰離子電池、鋰硫電池、光電化學電極、光催化或污染物吸附領域。
[0020]—種上述制備方法使用的電紡絲裝置，它包括高壓電源、可導電的毛細針管和金屬收集平板，所述高壓電源的正負極分別與可導電的毛細針管、金屬收集平板連接，它還包括旋轉纖維，所述旋轉纖維置于可導電的毛細針管與金屬收集平板之間，并且所述旋轉纖維的軸與金屬收集平板平行;所述旋轉纖維置于可導電的毛細針管下方I?10cm處、金屬收集平板之上0.1?10cm處，并且所述旋轉纖維與金屬收集平板的距離比其與可導電的毛細針管的距離短;所述旋轉纖維可以與金屬收集平板相連或不相連。
[0021]下面將詳細地說明本發(fā)明。
[0022]本發(fā)明采用旋轉的纖維作為高壓靜電紡絲裝備的收絲器，然后通過電紡絲制備的纖維在旋轉纖維上的纏繞來實現(xiàn)紗線的成型收集。本發(fā)明使用的高壓靜電紡絲技術為現(xiàn)有技術，使用的裝置也可以是現(xiàn)有裝置，但是需要在現(xiàn)有裝置中可導電的毛細針管與金屬收集平板之間設置旋轉纖維。具體的制備方法如下:電紡絲前驅體溶液通過可導電的毛細針管流出，在高壓靜電場、溶液黏滯力、溶液表面張力、重力等綜合作用下被拉伸成納米纖維。所述高壓電場由高壓電源通過導線施加在可導電的毛細針管和金屬收集平板上。所述的旋轉纖維作為電紡絲產(chǎn)物的支撐物，制備成功之后可被去除制備空心的三維多孔電極，也可不去除作為電極的一部分，起載流子收集或者增加機械性能的作用。
[0023][有益效果]
[0024]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下的有益效果:
[0025]本發(fā)明的制備方法可以使紗線成型快速直接，并且該方法適合所有高壓靜電紡絲可制備的納米材料的收集成型；并且本發(fā)明制備得到的紗線由納米纖維組成，所述納米纖維在結構上形成互聯(lián)通的網(wǎng)絡結構，有利于實現(xiàn)大的電導率。所述納米纖維之間由大量互相聯(lián)通的孔隙填充，有利于液體如電解液在電極中的擴散。
【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明電紡絲裝置的結構示意圖；
[0027]圖2為本發(fā)明實施例1制備的三維多孔紗線的掃描電子顯微鏡照片。
【具體實施方式】
[0028]下面結合本發(fā)明的實施例對本發(fā)明作進一步的闡述和說明。
[0029]—種如圖1所示的電紡絲裝置，它包括高壓電源4、可導電的毛細針管2和金屬收集平板6，所述高壓電源4的正負極分別與可導電的毛細針管2、金屬收集平板6連接，它還包括旋轉纖維7，所述旋轉纖維7置于可導電的毛細針管2與金屬收集平板6之間，并且所述旋轉纖維的軸與金屬收集平板平行;所述旋轉纖維置于可導電的毛細針管下方I?10cm處、金屬收集平板之上0.1?10cm處，并且所述旋轉纖維與金屬收集平板的距離比其與可導電的毛細針管的距離短;所述旋轉纖維可以與金屬收集平板相連或不相連。
[0030]利用該電紡絲裝置進行制備的具體步驟如下:電紡絲前驅體溶液I通過可導電的毛細針管2流出，在高壓靜電場、溶液黏滯力、溶液表面張力、重力等綜合作用下被拉伸成納米纖維3。所述高壓電場由高壓電源4通過導線5施加在可導電的毛細針管2和金屬收集平板6上；電紡絲制備的納米纖維3在電場作用下向金屬收集平板6上聚集，在聚集過程中被置于金屬收集板上的旋轉纖維7纏繞收集而形成紗線。
[0031]以下實施例均由上述電紡絲裝置制備而成。
[0032]實施例1:
[0033]將0.5g PAN溶解于5mL dimethylformamide(DMF)中作為電紡絲溶液。然后以0.2mL/h的流速從可導電的毛細針管流出，可導電的毛細針管和直徑為300微米的旋轉鈦絲之間的距離為15cm，可導電的毛細針管到金屬收集平板間的距離為18cm，旋轉纖維置于金屬收集平板之上3cm出處，旋轉鈦絲的軸和收集平板平行，所述可導電的毛細針管和高壓電源的正(負)極相連，金屬收集板和負(正)相連。在可導電的毛細針管和金屬平板之間施加15kV的高壓?？刂菩DTi絲的轉速為3000rpm。
[0034]本實施例電紡絲制備的納米PAN納米纖維落到旋轉鈦絲上并被纏繞而裹在鈦絲表面形成PAN紗線。對所制備的含鈦絲的PAN紗線進行碳化處理之后得到如圖2所示的Ti/碳納米纖維紗線。
[0035]該產(chǎn)品Ti/碳納米纖維紗線可應用在紗線超級電容器領域，由于該結構同時具有互聯(lián)通的導電網(wǎng)絡和電解液擴散網(wǎng)絡，可以顯著提高活性材料利用率，提高器件的比容量、能量密度、功率密度。
[0036]實施例2
[0037]將0.5g PAN溶解于5mL dimethylformamide(DMF)中作為電紡絲溶液。然后以0.2mL/h的流速從可導電的毛細針管流出，可導電的毛細針管和直徑為300微米的旋轉銅絲之間的距離為15cm，可導電的毛細針管到金屬收集平板間的距離為18cm，旋轉纖維置于金屬收集平板之上3cm出處，旋轉銅絲的軸和收集平板平行，所述可導電的毛細針管和高壓電源的正(負)極相連，金屬收集板和負(正)相連。在可導電的毛細針管和金屬平板之間施加15kV的高壓?？刂菩D銅絲的轉速為3000r/min。
[0038]本實施例電紡絲制備的納米PAN納米纖維落到旋轉銅絲上并被纏繞而裹在銅絲表面形成PAN紗線。對所制備的含銅絲的PAN紗線進行碳化處理之后得到Cu/碳納米纖維紗線。用硝酸腐蝕掉銅絲之后得到碳納米纖維紗線。
[0039]該中空碳納米纖維紗線可應用在電催化、超級電容器等領域，由于該結構同時具有互聯(lián)通的導電網(wǎng)絡和電解液擴散網(wǎng)絡，可以顯著提高活性材料利用率，提高器件的電催化性能(對電催化)比容量、能量密度、功率密度(超級電容器)。
[0040]實施例3
[0041 ] 將0.5g PAN溶解于5mL dimethylformamide(DMF)中作為電紡絲溶液。然后以0.2mL/h的流速從可導電的毛細針管流出，可導電的毛細針管和直徑為400微米的旋轉銅絲之間的距離為15cm，可導電的毛細針管到金屬收集平板間的距離為18cm，旋轉纖維置于金屬收集平板之上3cm出處，旋轉銅絲的軸和收集平板平行，所述可導電的毛細針管和高壓電源的正(負)極相連，金屬收集板和負(正)相連。在可導電的毛細針管和金屬平板之間施加15kV的高壓?？刂菩D銅絲的轉速為3000r/min。
[0042]本實施例電紡絲制備的納米PAN納米纖維落到旋轉碳纖維束(由直徑7微米的碳纖維組成，直徑約100微米)上并被纏繞而裹在碳纖維束表面形成PAN紗線。對所制備的含碳纖維束的PAN紗線進行碳化處理之后得到碳纖維束/碳納米纖維紗線。
[0043]該中空碳納米纖維紗線可應用在超級電容器領域，由于該結構同時具有互聯(lián)通的導電網(wǎng)絡和電解液擴散網(wǎng)絡，可以顯著提高活性材料利用率，提高器件的比容量、能量密度、功率密度(超級電容器)。
[0044]盡管這里參照本發(fā)明的解釋性實施例對本發(fā)明進行了描述，上述實施例僅為本發(fā)明較佳的實施方式，本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，應該理解，本領域技術人員可以設計出很多其他的修改和實施方式，這些修改和實施方式將落在本申請公開的原則范圍和精神之內。
【主權項】
1.一種利用電紡絲技術制備三維多孔紗線的制備方法，其特征在于該方法是采用旋轉纖維作為支撐物收集電紡絲制備的聚合物或聚合物復合纖維，并通過后續(xù)處理得到三維多孔紗線。2.根據(jù)權利要求1所述的利用電紡絲技術制備三維多孔紗線的制備方法，其特征在于所述旋轉纖維是直徑<lcm的金屬絲、棉線、化學纖維或玻璃纖維。3.根據(jù)權利要求1所述的利用電紡絲技術制備三維多孔紗線的制備方法，其特征在于所述旋轉纖維的旋轉轉速為O?20000rpm。4.根據(jù)權利要求1所述的利用電紡絲技術制備三維多孔紗線的制備方法，其特征在于所述聚合物或聚合物復合纖維包括聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚氧乙烯、聚醋酸乙烯酯、聚3，4_乙撐二氧噻吩、聚苯胺中的一種或多種。5.根據(jù)權利要求1所述的利用電紡絲技術制備三維多孔紗線的制備方法，其特征在于所述后續(xù)處理為去除或不去除旋轉纖維，其后續(xù)處理包括碳化工藝、原位聚合、酸堿處理、光固化、電子或離子束輻照或放射性輻照。6.—種三維多孔紗線，其特征在于該三維多孔紗線是由權利要求1?5任意一項制備方法制備得到。7.根據(jù)權利要求6所述的三維多孔紗線，其特征在于所述三維多孔紗線是由直徑<1μπι的納米纖維組成，所述納米纖維之間由互相聯(lián)通的孔徑>10nm的孔隙填充。
【文檔編號】D01D5/00GK105839203SQ201610273756
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年4月28日
【發(fā)明人】李小東, 王斌, 程建麗, 倪偉, 官群
【申請人】中國工程物理研究院化工材料研究所, 四川省新材料研究中心