一种PVDF-MXene复合纤维膜及其制备方法和应用

本发明涉及pvdf纤维膜，尤其涉及一种pvdf-mxene复合纤维膜及其制备方法和应用。

背景技术：

1、本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

2、随着全球快速发展与人口数量激增，淡水资源的短缺已成为刻不容缓的问题。海水资源的丰富性使得越来越多的海水淡化技术出现，其中，界面太阳能蒸发是一种绿色、环保、高效的新兴技术。在此技术中，蒸发器中所含的光热材料受到阳光辐射后，可以迅速将光能转换为热能，实现对水体的局部加热，随后，蒸发器中的输水通道通过毛细管力等作用，将水分传输到加热表面，由于蒸发器的表面温度较高，从而实现界面太阳能蒸发。

3、mxene是一种新型的二维过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物。由于mxene具有高表面积、高亲水性、高光吸收率、光热转换效率可达100％等优异性能，所以其已经被广泛用于海水淡化领域。但单一的mxene材料具有机械脆性、环境稳定性差等缺点，所以在不影响其基本性能的前提下，需要将mxene与其他材料复合，以提高其机械性能和稳定性。

4、聚偏氟乙烯(pvdf)具有优异的耐化学腐蚀性、柔韧性、机械性能、耐热性，以及低热导率和高介电强度等性质，因此可以将其与mxene复合，得到兼具二者优良特性的复合材料。

5、专利cn 114164646 a(公开日：2022.03.11)公开了一种导热性亲水性优良的电纺pvdf纤维膜的制备方法及应用，其在pvdf-hfp静电纺丝膜的一侧通过喷涂或滴涂mxene悬浮液的方式负载mxene，在pvdf-hfp静电纺丝膜的另一侧浸泡在tris缓冲液进行亲水化处理。专利cn 112973476 b(授权公告日：2022.05.24)公开了一种疏水多孔mxene膜及其制备方法与应用，其是通过真空辅助过滤法，将mxene堆积在pvdf多孔膜上。以上专利均是在pvdf膜上通过滴涂、喷涂、沉积等方式负载mxene，该方法使得对pvdf膜的改性只是表面改性，性能提高有限，而且，mxene为无机材料，pvdf为有机高分子材料，二者之间的作用力较弱，也导致膜的稳定性较差，难以持久发挥作用。

6、将pvdf和mxene进行物理共混也是一种制备复合膜的方式，但是，由于两种材料的性质差异巨大，存在相容性差、结合不稳定、结合率低等缺点，同时mxene易团聚，难以在pvdf中均匀分散，从而导致难以高效地发挥材料优势，制备的复合膜的性能较差。

7、因此，如何提供一种稳定复合、相容性高且海水淡化性能优异的pvdf与mxene的复合膜是亟待解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种pvdf-mxene复合纤维膜及其制备方法和应用，本发明将pvdf和mxene之间进行化学连接，因此复合纤维膜的稳定性高，且具有优异的力学性能和海水淡化性能。

2、第一方面，本发明提供了一种pvdf-mxene复合纤维膜的制备方法，包括如下步骤：

3、(1)通过lif和盐酸对max进行刻蚀，经洗涤、离心后得到mxene水分散液；

4、(2)向mxene分散液中加入溶剂，然后加入含巯基的硅烷偶联剂，反应制备含巯基的mxene；

5、(3)将pvdf粉末经碱处理制备含双键的pvdf；

6、(4)将步骤(2)中的含巯基的mxene均匀分散到溶剂中，然后加入步骤(3)中的含双键的pvdf，加入光引发剂，在紫外光照射下反应得到pvdf-mxene；

7、(5)将步骤(4)中的pvdf-mxene溶于溶剂中制备纺丝液，进行静电纺丝，即得pvdf-mxene复合纤维膜。

8、优选的，所述max选自ti3alc2或ti3sic2；所述含巯基的硅烷偶联剂包括γ-巯丙基三甲氧基硅烷或γ-巯丙基三乙氧基硅烷；所述含巯基的硅烷偶联剂的添加量为mxene质量的10～20wt％。

9、优选的，步骤(2)中，溶剂为乙醇或甲醇，mxene水分散液与溶剂的体积比为1:3～6；反应温度为20～40℃，反应时间为20～30h。

10、优选的，步骤(3)中，所述碱处理具体为：向强碱的水溶液中加入pvdf粉末，在50～60℃下搅拌2～5min，过滤、洗涤、干燥，得到含双键的pvdf。

11、进一步的，所述强碱包括naoh、koh或ba(oh)2；强碱的质量浓度为10～20％。

12、优选的，步骤(4)和步骤(5)中的溶剂选自n,n-二甲基甲酰胺(dmf)、二甲基亚砜(dmso)、四氢呋喃(thf)中的一种或几种；步骤(4)中的光引发剂为苯偶酰双甲醚(dmpa)，紫外光的波长为360～370nm。

13、优选的，步骤(4)中，含巯基的mxene与含双键的pvdf的质量比为1:9～2:8；含双键的pvdf的质量为含巯基的mxene、含双键的pvdf和溶剂总质量的8～10wt％；所述光引发剂的添加量为3～8％。

14、优选的，步骤(5)中，pvdf-mxene在纺丝液中的质量分数为10～30％。

15、第二方面，本发明提供了上述制备方法制备得到的pvdf-mxene复合纤维膜。

16、第三方面，本发明提供了上述pvdf-mxene复合纤维膜在海水淡化中的应用。

17、与现有技术相比，本发明取得了以下有益效果：

18、本发明提供的制备方法中，mxene和pvdf之间以化学键连接，相较于物理共混、沉积、喷涂或滴涂等方式，本发明的方法所得产物的机械性能和化学稳定性较高；同时，当本发明的pvdf-mxene复合纤维膜用于海水淡化时，展现出更优的海水淡化性能。

技术特征：

1.一种pvdf-mxene复合纤维膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述max选自ti3alc2或ti3sic2；所述含巯基的硅烷偶联剂包括γ-巯丙基三甲氧基硅烷或γ-巯丙基三乙氧基硅烷；所述含巯基的硅烷偶联剂的添加量为mxene质量的10～20wt％。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，溶剂为乙醇或甲醇，mxene水分散液与溶剂的体积比为1:3～6；反应温度为20～40℃，反应时间为20～30h。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述碱处理具体为：向强碱的水溶液中加入pvdf粉末，在50～60℃下搅拌2～5min，过滤、洗涤、干燥，得到含双键的pvdf；所述强碱包括naoh、koh或ba(oh)2；强碱的质量浓度为10～20％。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)和步骤(5)中的溶剂选自n,n-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、四氢呋喃中的一种或几种。

6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中的光引发剂为苯偶酰双甲醚，紫外光的波长为360～370nm。

7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，含巯基的mxene与含双键的pvdf的质量比为1:9～2:8；含双键的pvdf的质量为含巯基的mxene、含双键的pvdf和溶剂总质量的8～10wt％；所述光引发剂的添加量为3～8％。

8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，pvdf-mxene在纺丝液中的质量分数为10～30％。

9.如权利要求1～8任一项所述的制备方法制备得到的pvdf-mxene复合纤维膜。

10.如权利要求9所述的pvdf-mxene复合纤维膜在海水淡化中的应用。

技术总结本发明公开了一种PVDF‑MXene复合纤维膜及其制备方法和应用，属于PVDF纤维膜技术领域。制备方法包括如下步骤：向MXene分散液中加入溶剂，然后加入含巯基的硅烷偶联剂，反应制备含巯基的MXene，将其均匀分散到溶剂中，然后加入含双键的PVDF，加入光引发剂，在紫外光照射下反应得到PVDF‑MXene；然后制备PVDF‑MXene纺丝液，进行静电纺丝，即得。本发明提供的制备方法中，MXene和PVDF之间以化学键连接，相较于物理共混、沉积、喷涂或滴涂等方式，本发明的方法所得产物的机械性能和化学稳定性较高；同时，当本发明的PVDF‑MXene复合纤维膜用于海水淡化时，展现出更优的海水淡化性能。技术研发人员：张炉青,王研,宋禹锌,马廷滨,张亚彬,张书香受保护的技术使用者：济南大学技术研发日：技术公布日：2024/5/19