一种纳米纤维复合气凝胶及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种纳米纤维复合气凝胶及其制备方法和应用。本发明专利技术通过将水溶性聚酰胺酸纳米纤维与预氧化聚丙烯腈纳米纤维、二氧化硅纳米粒子和水混合后冷冻，获得大孔取向结构，在亚酰胺化处理过程中气凝胶的孔结构收缩较小，使得聚丙烯腈/聚酰亚胺

【技术实现步骤摘要】
一种纳米纤维复合气凝胶及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于气凝胶
，尤其涉及一种纳米纤维复合气凝胶其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]选择透过材料，尤其是超润湿选择透过材料，具有分离效率高、通量大、成本效益高、分离液体易于回收等优点，已经成为目前油水分离领域进行吸附和分离的主要研究对象。双超疏油水分离材料则可以通过单一的多孔材料，交替实现除油和除水，从而实现按需油水分离，很大程度上节约了成本。然而，理论上，同一界面的水下油接触角和油下水接触角是互补的。因此，水下亲油的界面一般在油下表现疏水，而油下亲水的界面一般在水下表现疏油。同一固体表面既可以表现水下超疏油性又可以表现油下超疏水性，在热力学上是很难实现的。一般来说，水下超疏油的表面具备“鱼鳞效应”即具有高表面能的纹理表面，可以使水优先通过；油下超疏水表面具备“莲花效应”，即具有低表面能的表面，可以保留滤材内部的油防止水通过。由于固体表面能一般低于水的表面张力而高于油的表面张力，所以很难通过单一表面涂覆光滑图层的方法使得固体表面具备双超疏性。
[0003]基于目前的技术难以制备双超疏性材料，因此有必要对此进行改进。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提出了一种纳米纤维复合气凝胶及其制备方法和应用，以解决现有技术中存在的技术问题。
[0005]第一方面，本专利技术提供了一种纳米纤维复合气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
[0006]将预氧化聚丙烯腈纳米纤维、水溶性聚酰胺酸纳米纤维、二氧化硅纳米粒子和水混合，得到混合分散液；
[0007]将所述混合分散液依次进行定向冷冻和冷冻干燥，得到聚丙烯腈/聚酰胺酸
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二氧化硅大孔取向纳米纤维气凝胶；
[0008]将所述聚丙烯腈/聚酰胺酸
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二氧化硅大孔取向纳米纤维气凝胶进行亚酰胺化处理，得到聚丙烯腈/聚酰亚胺
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二氧化硅大孔取向纳米纤维复合气凝胶。
[0009]优选的是，所述的纳米纤维复合气凝胶的制备方法，所述亚酰胺化处理依次包括：
[0010]以第一升温速率升温至第一温度，进行第一亚酰胺化处理；
[0011]以第二升温速率升温至第二温度，进行第二亚酰胺化处理；
[0012]以第三升温速率升温至第三温度，进行第三亚酰胺化处理；
[0013]其中，所述第一温度为80～120℃、第一亚酰胺化处理时间为45～90min；
[0014]所述第二温度为180～220℃、第二亚酰胺化处理时间为45～90min；
[0015]所述第三温度为280～320℃、第一亚酰胺化处理时间为45～90min；
[0016]所述第一升温速率、第二升温速率、第三升温速率独立地为2～10℃/min。
[0017]优选的是，所述的纳米纤维复合气凝胶的制备方法，所述水溶性聚酰胺酸纳米纤
维的质量为所述预氧化聚丙烯腈纳米纤维与水溶性聚酰胺酸纳米纤维总质量的5～15％；
[0018]和/或，所述二氧化硅纳米粒子的质量为所述预氧化聚丙烯腈纳米纤维质量的40～60％。
[0019]优选的是，所述的纳米纤维复合气凝胶的制备方法，所述冷冻干燥的温度为
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20～
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60℃，时间为24～72h。
[0020]优选的是，所述的纳米纤维复合气凝胶的制备方法，所述定向冷冻为取向冰晶模板法定向冷冻。
[0021]优选的是，所述的纳米纤维复合气凝胶的制备方法，所述定向冷冻包括以下步骤：
[0022]将所述混合分散液置于模具中，将模具的底面置于冷源中进行定向冷冻，其中，定向冷冻的时间为5～15min。
[0023]优选的是，所述的纳米纤维复合气凝胶的制备方法，所述预氧化聚丙烯腈纳米纤维的制备方法包括以下步骤：
[0024]将聚丙烯腈溶液进行静电纺丝，得到聚丙烯腈纳米纤维；
[0025]将所述聚丙烯腈纳米纤维于空气气氛中、200～300℃下氧化1～3h，得到预氧化聚丙烯腈纳米纤维。
[0026]优选的是，所述的纳米纤维复合气凝胶的制备方法，所述水溶性聚酰胺酸的制备方法包括以下步骤：
[0027]将4,4'
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二胺基二苯醚、均苯四甲酸二酐和极性溶剂混合，进行缩聚反应，得到非水溶性聚酰胺酸铵盐；
[0028]将所述非水溶性聚酰胺酸铵盐与三乙胺混合，进行中和反应，得到水溶性聚酰胺酸溶液；
[0029]将所述水溶性聚酰胺酸溶液进行冰水沉析，得到水溶性聚酰胺酸纳米纤维。
[0030]第二方面，本专利技术还提供了一种纳米纤维复合气凝胶，所述的制备方法制备得到，所述纳米纤维复合气凝胶具有多级孔结构，所述多级孔结构包括大孔、介孔和微孔，所述大孔排列在同一轴线上。
[0031]第三方面，本专利技术还提供了一种所述的制备方法制备得到纳米纤维复合气凝胶或所述的纳米纤维复合气凝胶作为油水分离材料或空气过滤材料的应用。
[0032]本专利技术的一种纳米纤维复合气凝胶及其制备方法和应用相对于现有技术具有以下有益效果：
[0033]1、本专利技术的纳米纤维复合气凝胶的制备方法，包括以下步骤：将预氧化聚丙烯腈纳米纤维、水溶性聚酰胺酸纳米纤维、二氧化硅纳米粒子和水混合，得到混合分散液；将混合分散液依次进行定向冷冻和冷冻干燥，得到聚丙烯腈/聚酰胺酸
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二氧化硅大孔取向纳米纤维气凝胶；将聚丙烯腈/聚酰胺酸
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二氧化硅大孔取向纳米纤维气凝胶进行亚酰胺化处理，得到聚丙烯腈/聚酰亚胺
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二氧化硅大孔取向纳米纤维复合气凝胶。本专利技术通过将水溶性聚酰胺酸纳米纤维与预氧化聚丙烯腈纳米纤维、二氧化硅纳米粒子和水混合后定向冷冻，获得大孔取向结构，在后续的亚酰胺化处理过程中气凝胶的孔结构收缩较小，使得聚丙烯腈/聚酰亚胺
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二氧化硅大孔取向纳米纤维复合气凝胶具有更高的比表面积，显著减少油水混合液通过路径，从而提高气凝胶的油通量；进一步的，经定向冷冻和酰胺化处理后，水溶性聚酰胺酸纳米纤维变成聚酰亚胺，聚酰亚胺作为粘结剂和交联剂使得二氧化硅均匀分
布在纤维上，增加了纤维表面粗糙度并获得可重入结构，使分离过程中能够保持稳定的油膜或水膜。该气凝胶既可以表现水下疏油性，又可以表现油下疏水性，可按需进行油水分离。具有三维空间结构的复合气凝胶以及取向的大孔使得该气凝胶在进行油水分离的过程中保持高过滤效率和高通量；
[0034]2、本专利技术提供的聚丙烯腈/聚酰亚胺
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二氧化硅大孔取向纳米纤维复合气凝胶具有大孔取向、多级孔结构、比表面积高、双超疏性可切换、物理化学性能稳定，是理想的高性能油水分离材料以及空气过滤材料，在油水分离、含油污水处理、空气过滤、气体吸附与存储、气体分离以及传感领域具有很好的应用前景。
附图说明
[0035]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳米纤维复合气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将预氧化聚丙烯腈纳米纤维、水溶性聚酰胺酸纳米纤维、二氧化硅纳米粒子和水混合，得到混合分散液；将所述混合分散液依次进行定向冷冻和冷冻干燥，得到聚丙烯腈/聚酰胺酸
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二氧化硅大孔取向纳米纤维气凝胶；将所述聚丙烯腈/聚酰胺酸
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二氧化硅大孔取向纳米纤维气凝胶进行亚酰胺化处理，得到聚丙烯腈/聚酰亚胺
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二氧化硅大孔取向纳米纤维复合气凝胶。2.如权利要求1所述的纳米纤维复合气凝胶的制备方法，其特征在于，所述亚酰胺化处理依次包括：以第一升温速率升温至第一温度，进行第一亚酰胺化处理；以第二升温速率升温至第二温度，进行第二亚酰胺化处理；以第三升温速率升温至第三温度，进行第三亚酰胺化处理；其中，所述第一温度为80～120℃、第一亚酰胺化处理时间为45～90min；所述第二温度为180～220℃、第二亚酰胺化处理时间为45～90min；所述第三温度为280～320℃、第一亚酰胺化处理时间为45～90min；所述第一升温速率、第二升温速率、第三升温速率独立地为2～10℃/min。3.如权利要求1所述的纳米纤维复合气凝胶的制备方法，其特征在于，所述水溶性聚酰胺酸纳米纤维的质量为所述预氧化聚丙烯腈纳米纤维与水溶性聚酰胺酸纳米纤维总质量的5～15％；和/或，所述二氧化硅纳米粒子的质量为所述预氧化聚丙烯腈纳米纤维质量的40～60％。4.如权利要求1所述的纳米纤维复合气凝胶的制备方法，其特征在于，所述冷冻干燥的温度为
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【专利技术属性】
技术研发人员：张由芳，葛晓晖，施德安，雷巍巍，尤俊，陈超，张群朝，蔡芳昌，郝同辉，蒋涛，
申请(专利权)人：湖北大学，
类型：发明
国别省市：