一种光学透明静电纺丝微纳纤维膜的制备方法

本发明涉及一种光学透明静电纺丝微纳纤维膜的制备方法，属于微纳纤维复合膜。

背景技术：

1、随着科技的不断进步，光学材料的研究越来越受到关注。光学透明是物体对可见光的透过程度，具有光学透明的材料因其特殊的结构，可以允许可见光范围内的光线高效透过，达到视觉上的透明效果，在光学领域中是一个非常重要的概念。光学透明膜因其优异的光学性能而被广泛应用在光电子学器件、生物医用、环境检测、光学传感器和个人防护等领域。例如透明纤维膜还可应用于生物传感器，实现对生物分子的高灵敏检测；通过结合纤维膜的透明性和光学特性，开发出更灵敏、高效的环境监测装置，用于监测大气污染、水质变化等环境参数，为环保和可持续发展提供一定数据支持。但随着人们生活水平的提高和科技的快速发展，不同工程领域对光学透明膜的性能提出了新的需求，研究光学透明性对于很多工业领域的应用都具有重要的意义。

2、纤维膜是一种具有独特结构和纤维网络的薄膜材料，具有一定的柔性、高孔隙率、耐久性和大比表面积，透明的纤维膜材料可以同时满足各个领域对新型透明材料的要求。微纳纤维膜因其微小的结构尺度而具有更高的表面积，具备更精细的控制能力，可以进一步提高其在特定应用中的性能和效率。光学透明微纳纤维膜是一种纳米纤维与微米纤维相互交织排列的薄膜，由于微纳纤维膜独特的结构，具有优异的物理、化学和光学性能，如高透过率、高强度、低热导率等。

3、近年来，静电纺丝技术作为一种微纳米纤维制备的有效方法，受到广泛关注。与传统制造纤维方法相比，由于特殊的互连开孔结构和可控制的膜厚度，静电纺丝技术可以制备具有更高孔隙率和高机械性能的纤维膜。但是静电纺丝微纳纤维膜存在复杂的纤维和孔道结构，会造成光反射和光散射损耗，使得原始微纳纤维膜具有低透明度，透明化困难。[chao wang，jing zhao，liu liu，peng zhang，xianfeng wang，jianyong yu，bin ding[j].transformation of fibrous membranes from opaque to transparent undermechanical pressing engineering 2022，84-92.]

4、聚合物原料的本体特性对所制备出的静电纺丝微纳米纤维膜的透光性能有一定影响，如pmma、ps等聚合物具有较好的光学透明度，所制备的纤维膜更易实现透明化[yingying he，xinyue liu，xiaoiun qi，yupeng guan，shuai li，hongxia liu.chuanbaiyu.(2020).robust cellulose nanofibrils reinforced poly(methyl methacrylate)/polystyrene binary blend composites with pebble-shaped structure usingpickering emulsion gel.polymers for advanced technologies(11)，2676-2686.]。透明度高的聚合物原料所制备的微纳纤维膜会有更高的透明度。除了从聚合物的本体特性来说，多数研究者从结构设计和纺丝后处理两种方法进行研究。近年来对透明静电纺丝纳米纤维膜的研究已有不少的报道，chen等人[ruowang chen，xiaowei zhang，pengjun wang，kaihe xie，jiawen jian，yuejun zhang.jun xu.transparent thermoplasticpolyurethane air filters for efficient electrostatic capture of particulatematter pollutants[j].nanotechnology，2019，30(1)：015703]以透明的tpu聚合物为原料制备纺丝前驱体溶液，在玻璃纤维网两侧表面溅射上150nm厚的金属铜涂层以此作为接收基材来收集tpu微纳米纤维，利用静电纺丝技术通过控制纺丝时间来制备具有不同透光率的纤维膜。lee等人[lee j h，kim j，liu d，et al.highly aligned，anisotropic carbonnanofiber films for multidirectional strain sensors with exceptionalselectivity[j].advanced functional materials，2019，29(29)：1901623]设计了一种特殊的收集装置来实现纳米纤维的定向排列，通过在两个铝收集器之间引入15°倾斜间隙，以实现电场在收集装置附近分裂。当带正电的聚丙烯腈(pan)纳米纤维接近收集器时，分裂电场产生了拉伸静电力，使纳米纤维平行穿过倾斜的间隙，获得了纤维平行排列的纳米纤维膜，具备一定的光学透明度。stachewicz等人[stachewicz u，modaresifar f，bailey r j，et al.manufacture of void-free electrospun polymer nanofiber composites withoptimized mechanical properties[j].acs applied materials & interfaces，2012，4(5)：2577-2582]使用pva聚合物来制造静电纺丝pa6纳米纤维的无孔隙复合材料，该方法可有效地实现连贯的纳米纤维-基质界面，并进一步证明了光学透明静电纺丝纳米纤维复合材料的功能性。kurokawa等人[kurokawa n，hotta a.thermomechanical properties ofhighly transparent self-reinforced polylactide composites with electrospunstereocomplex polylactide nanofibers[j].polymer，2018，153214-222.]利用热压技术将电纺sc-pla纳米纤维复合到plla中，制备高透明自增强pla复合材料。但是结构设计的技术发展还不够成熟，效率较低，而通过纺丝后处理例如热压处理的方式，虽然在一定范围内施加的压力越大，微纳纤维膜的透光率会增加，但是纤维表面的形貌也会损伤，失去了很多优势。

5、针对上述问题，本发明公开一种光学透明静电纺丝微纳纤维膜的制备方法，利用聚苯乙烯(ps)、热塑性聚氨酯(tpu)和聚二甲基硅氧烷(pdms)三种聚合物共混纺丝的方法，通过聚合物不相容性导致的微相分离原理，制备出多级微纳结构纤维膜，再通过常温机械轻压处理得到光学透明微纳纤维膜。通过调节微纳纤维膜中ps/tpu的比例和机械辊压的压力，且常温下轻压处理对不会对纤维表面的形貌造成明显损伤，在保证纤维形貌完整的同时能进一步提高材料透光率和力学综合性能，有望在水处理、个体防护、空气净化、生物医用等多个领域成为具有发展潜力的光学透明纤维膜材料。

技术实现思路

1、本发明提供了一种光学透明静电纺丝微纳纤维膜的制备方法，利用聚苯乙烯(ps)、热塑性聚氨酯(tpu)和聚二甲基硅氧烷(pdms)为原料，先通过一步静电纺丝技术制备出多级微纳纤维膜，再通过机械辊轻压处理得到光学透明微纳纤维膜。

2、一种光学透明静电纺丝微纳纤维膜的制备方法，包括以下步骤：

3、(1)将ps颗粒和tpu颗粒按照1∶1～5∶1的质量比加入到n，n-二甲基甲酰胺(dmf)溶剂中，室温下磁力搅拌2～8h，得到14～20％的ps/tpu聚合物溶液，将配置好的ps/tpu聚合物溶液中加入pdms溶液，室温下磁力搅拌1～4h，静置除掉气泡待用，得到不同配比分散均匀的纺丝液；

4、(2)将上述步骤(1)中得到的均匀分散的纺丝液在静电纺丝参数(纺丝电压25～35kv，接收距离15～20cm，纺丝液挤出速率为0.2～1.6ml·h-1，温度20～30℃，相对湿度25～40％下进行纺丝，制得初生pdms@ps/tpu微纳纤维膜；

5、(3)将上述步骤(2)得到的初生pdms@ps/tpu微纳纤维膜进行常温机械轻压处理，在15～40℃的条件下，加压0.01～10mpa，加压时间为1～20min，最终得到光学透明静电纺丝微纳纤维膜。

6、优选的，步骤(1)中所述溶解时间为3～6h；

7、优选的，步骤(1)中所述ps溶液质量分数为17～19％；

8、优选的，步骤(1)中所述磁力搅拌时间为1～3h；

9、优选的，步骤(1)中所述溶液ps/tpu质量分数为17～19％；

10、优选的，步骤(2)中所述纺丝电压28～32kv，接收距离16～19cm，纺丝液挤出速率为0.5～1.3ml·h-1，温度23～35℃，相对湿度25～35％；

11、优选的，步骤(3)中所述机械辊轻压处理温度为20～40℃，加压0.01～6mpa，加压时间1～18min。

12、本发明与现有的技术相比，具有以下优点及突出效果：

13、(1)聚苯乙烯(ps)为头尾结构，主链为饱和碳链，侧基为共轭苯环，分子结构简单，侧基中的苯环成线性排列紧密，相互之间有较强的吸引力，使得聚苯乙烯的透明度高、刚度大、玻璃化温度高、材料呈脆性，其制品具有极高的透明度。

14、(2)热塑性聚氨酯(tpu)是一种(ab)n型嵌段线性聚合物，由柔性软段和刚性硬段构成，因此它显示出具有柔性和弹性的聚合物链，使得tpu的耐磨性优异、硬度大、强度高、弹性好。pdms具有优异的透光性。通过静电纺丝技术使ps、tpu和pdms共混制备微纳纤维膜可以提高膜的强力，增加纤维膜的使用寿命。

15、(3)机械辊压处理为常温轻压，不会对纤维膜的取向造成影响，几乎不会影响微观结构，造成孔隙堵塞，影响纳微纤维膜的性质。机械辊轻压处理后的膜本发明中光学微纳纤维膜的制备简单可行，安全高效，透明微纳纤维膜具有良好的透光性和机械性能，所需装置简单、可重复性高，该纤维膜还具有一定的疏水性，在染料水处理方面具有广阔的应用前景。