一种无电场力作用下高韧性疏水纤维膜的制备方法

本发明属于功能高分子材料领域，具体涉及一种高韧性疏水纤维膜的制备方法。

背景技术：

1、通用级聚苯乙烯是一种热塑性树脂，易于加工成型，应用范围广泛。但是其质脆易裂、抗冲击强度较低，耐热性能较差，只能在较低温度和较低负荷下使用。超高分子量聚合物比分子量相对较低的相同聚合物具有独特的强度、更好的力学性能。高度的链缠结大大提高了其机械性能，耐磨性、热稳定性以及耐化学性等综合性能。超高分子量聚苯乙烯由于其优异的抗冲击性能、抗张强度、弯曲强度、断裂伸长率和热分解温度，使得该产品在制造、建筑、包装和家电等领域有着十分广泛的用途。

2、主链为饱和碳链，侧基为苯环，苯环的存在增大了聚合物链的刚性，因此聚苯乙烯(ps)是非结晶型的聚合物。聚苯乙烯分子结构中不含极性的基团和原子，可制备疏水或超疏水材料，由于超疏水材料具有独特的表面特性，使其可广泛应用于防水、防污、自清洁、流体减阻、抑菌等领域，同时在生物医学、金属防锈、燃料能源、光学工程等具有广阔的潜在应用前景，但是普通的制膜方法限制了聚苯乙烯膜在疏水材料方面的应用。

3、制备超疏水材料的方法有很多种，但基本均是基于这两个思路来制备：一种是在粗糙表面修饰低表面能物质；另一种则是在材料表面构建粗糙结构。基于这两个思路，大多数制备超疏水材料需要使用有毒的氟化剂处理，会造成环境的污染，而且产品的耐热性能和耐紫外性能较差，阻碍了超疏水材料的应用。因此，制备绿色无毒的超疏水薄膜是迫切需要的。

4、到目前为止，大多数纤维膜都是采用静电纺丝技术制备的，但制备过程需要使用高电压，可能会产生安全隐患，同时，静电纺丝制备纳米纤维膜还存在效率低下等问题。在现有技术中，仅研究了静电纺丝方法下溶剂对通用级聚苯乙烯纤维膜疏水性的影响，这里的聚苯乙烯原料的分子量一般是指10万以内，而对于超高分子量聚苯乙烯的分子量大于100万，对纺丝液的粘度等要求更高，不清楚静电纺丝工艺下如何制备超高分子量聚苯乙烯纤维膜。且聚苯乙烯属于刚性材料，很难得到高韧性聚苯乙烯纤维膜；再加上静电纺丝方法下制备的纤维膜是杂乱无序的(图12)，对于制备韧性聚苯乙烯纤维膜的难度很大。

5、而与静电纺丝法相比，溶液气喷纺丝作为一种新兴技术，是一种基于高速气流拉伸原理的新型亚微米/纳米纤维制备方法，是一种无高压电流、节能、安全且操作简便的纤维制备技术。该技术不需要高压集电极和导电集电极，具有工艺方便、能耗低、可规模化、生产效率高等优点。因此，使用微流体纳米气喷纺丝技术制备超高分子量聚苯乙烯(分子量大于100万)高韧性疏水纤维膜具有广阔的应用前景。

6、针对该问题，本发明提供了一种高韧性疏水纤维膜的制备方法，通过改变纺丝液溶剂的种类，调控超高分子量聚苯乙烯纤维膜的静态水接触角，从而调控产品的性能，为制备绿色无毒的高韧性疏水纤维膜提供了一种新思路。

技术实现思路

1、本发明的目的通过绿色环保的聚合方法设计合成一种超高分子量聚苯乙烯，将该超高分子量聚苯乙烯通过微流体纳米气喷纺丝技术，制备得到的纤维膜具有高韧性、超疏水性能的潜质，该方法绿色、高效、可控，操作过程十分简便。

2、本发明采用的技术方案为：

3、(1)称取适量阴离子乳化剂溶于去离子水中，充分溶解后加入苯乙烯单体，搅拌使其成为均匀的白色乳液，预乳化结束后，再在冰水浴中搅拌的条件下去除氧气-通氩气，在氩气氛围的状态下加入引发剂，密封后于室温下进行乳液聚合反应，在聚合过程中乳液稳定并且泛蓝光，反应8小时后终止乳液聚合反应，破乳，获得聚苯乙烯聚合物。

4、(2)称取适量聚苯乙烯，将其溶于极性溶剂中，配置成为不同质量百分比的聚苯乙烯纺丝液，在室温下进行溶液气喷纺丝。将纺丝液放入微流体纳米气喷纺丝机的推注装置中，调整纺丝工艺参数：接收距离为10cm～30cm，推进速度为0.5cm/min～3cm/min；纺丝完成后将所得纤维膜置于30℃真空干燥箱中干燥至恒重，即得到聚苯乙烯纤维膜；

5、优选的技术方案中，制备的超高分子量聚苯乙烯的相对重均分子量高于1000000g/mol。

6、优选的技术方案中，步骤(2)所述溶剂为n,n-二甲基甲酰胺；

7、优选的技术方案中，步骤(2)所述超高分子量聚苯乙烯纺丝液的质量百分比为1％～5％；

8、优选的技术方案中，所述聚苯乙烯纺丝液的黏度为180-200pa·s。

9、优选的技术方案中，若步骤(2)为通用级聚苯乙烯纺丝液，其质量百分比为1％～25％；

10、通过上述方法制备得到的超高分子量聚苯乙烯，聚合反应体系简单，操作易行，室温下反应，节省能耗和成本，环境友好，可规模化生产。通过微流体纳米气喷纺丝技术，制备得到高韧性疏水聚苯乙烯纤维膜。

11、本发明的优势如下：

12、1、本发明方法中具有超高分子量的聚苯乙烯树脂的制备方法简单，原料便宜易得，适用于工业化大规模生产。

13、2、本发明方法中具有超高分子量的聚苯乙烯树脂具有更高的韧性，与此同时，热性能与拉伸性能也较通用级聚苯乙烯的更为优异。

14、3、本发明方法中具有超高分子量聚苯乙烯的溶液气喷纺丝纤维膜具有较高的疏水性能，所述纤维膜的制备方法简便易行，可控性较强，可通过不同沸点和极性的溶剂简单调控其疏水性能。

技术特征：

1.一种无电场力作用下高韧性疏水纤维膜的制备方法，其特征在于：室温乳液聚合的方法制备得到超高分子量聚苯乙烯，经破乳沉淀后，将其溶于极性溶剂后，形成均匀稳定且有一定黏度的溶液，经微流体纳米气喷纺丝技术，得到具有高韧性、高疏水性的超高分子量聚苯乙烯纤维膜；其中所述的聚苯乙烯的相对重均分子量高于1000000g/mol。

2.根据权利要求1所述的无电场力作用下高韧性疏水纤维膜的制备方法，其特征在于，所述溶液的黏度180-200pa·s，所述的高韧性纤维膜的水接触角为126°-134°，所述的高韧性纤维膜断裂伸长率为17％-79％。

3.根据权利要求1所述的无电场力作用下高韧性疏水纤维膜的制备方法，其特征在于，所述的超高分子量聚苯乙烯与极性溶剂的质量百分比为1％-5％。

4.根据权利要求1所述的无电场力作用下高韧性疏水纤维膜的制备方法，其特征在于，所述的极性溶剂为n,n-二甲基甲酰胺(dmf)。

5.根据权利要求1所述的无电场力作用下高韧性疏水纤维膜的制备方法，其特征在于，所述微流体纳米气喷纺丝技术的工艺参数中的接收距离为10cm～30cm。

6.根据权利要求1所述的无电场力作用下高韧性疏水纤维膜的制备方法，其特征在于，所述成膜方法是微流体纳米气喷纺丝技术，纺丝的推进速度为0.5cm/min～3cm/min。

7.根据权利要求1所述的无电场力作用下高韧性疏水纤维膜的制备方法，其特征在于，所述的破乳沉淀剂为无水乙醇。

8.根据权利要求1-7任一项所述方法制备的高韧性疏水纤维膜。

技术总结本发明属于功能高分子材料领域，具体涉及一种无电场力作用下高韧性疏水纤维膜的制备方法。将室温乳液聚合制备的超高分子量聚合物，充分溶解在高沸点的极性溶剂中，利用微流体纳米气喷纺丝技术得到具有良好疏水性的高韧性的聚合物纤维膜。本发明制备方法操作简单无需静电场，可控性强，可纺性好，可牵引拉伸化学反应有序成膜，表干快，能耗低。技术研发人员：李剑寒,黄文艳,蒋必彪,江力,杨宏军,蒋其民,薛小强受保护的技术使用者：常州大学技术研发日：技术公布日：2024/5/27