一种聚酰亚胺纳米蛛网纤维过滤膜及其制备方法
阅读说明：本技术 一种聚酰亚胺纳米蛛网纤维过滤膜及其制备方法 (Polyimide nano spider-web fiber filtering membrane and preparation method thereof ) 是由 陆赵情 田萃钰 王亚芳 宁逗逗 张雨婷 赵瑞霞 耿博 代啟阳 于 2021-09-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种聚酰亚胺纳米蛛网纤维过滤膜及其制备方法,属于聚酰亚胺纤维制备领域。所述制备方法通过将4,4’-二氨基二苯醚溶解于溶剂中,继续缓慢加入均苯四甲酸酐后进行反应,得到聚酰胺酸前驱体溶液；在所得聚酰胺酸前驱体溶液中加入氯化锂,混合均匀得到待纺丝液；将所得待纺丝液纺丝成膜,得到具有蛛网结构的聚酰亚胺纤维膜；将所得具有蛛网结构的聚酰亚胺纤维膜去除溶剂后进行酰亚胺化处理,制得聚酰亚胺纳米蛛网纤维过滤膜。所制得的一种聚酰亚胺纳米蛛网纤维过滤膜,具有蛛网结构且具有过滤效率高及耐高温性,可过滤细小颗粒物并可多次循环使用。(The invention discloses a polyimide nano-cobweb fiber filtering membrane and a preparation method thereof, belonging to the field of polyimide fiber preparation. Dissolving 4, 4' -diaminodiphenyl ether in a solvent, continuously and slowly adding pyromellitic dianhydride, and then reacting to obtain a polyamic acid precursor solution; adding lithium chloride into the obtained polyamic acid precursor solution, and uniformly mixing to obtain a solution to be spun; spinning the obtained spinning solution into a film to obtain a polyimide fiber film with a spider-web structure; and removing the solvent from the obtained polyimide fiber membrane with the spider-web structure, and then carrying out imidization treatment to obtain the polyimide nano spider-web fiber filtering membrane. The prepared polyimide nano spider-web fiber filtering membrane has a spider-web structure, has high filtering efficiency and high temperature resistance, can filter fine particles and can be recycled for multiple times.)
技术领域
本发明属于聚酰亚胺纤维制备领域，涉及一种聚酰亚胺纳米蛛网纤维过滤膜及其制备方法。
背景技术
空气污染的来源有很多，包括有害气体，细小液滴以及固体颗粒物等，目前随着工业化的进一步推进，空气污染越来越肆虐，严重危害着人类的身心健康。空气污染问题已经成为亟需解决的重要环境问题之一，因此，研发高效空气过滤材料，对于维持人体健康和环境可持续发展都具有重要意义。
高性能蛛网结构过滤材料的研究为上述问题提供了一种新型解决途径。传统的过滤材料通常不耐高温且过滤效率不佳，难以解决高温高效过滤的问题。而聚酰亚胺(PI)，是综合性能最佳的有机高分子材料之一，由于PI纤维主链上特殊的酰亚胺环赋予了其高强度、耐腐蚀、自熄和抗辐射性能，特别是其高共轭结构和高芳香性使PI纤维具有优异的热稳定性，从而以PI为原料制备过滤材料是具有很大优势的。聚酰亚胺单独制备的滤膜过滤效率较差，如何提高聚酰亚胺过滤膜的过滤效率成为急需解决的问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种聚酰亚胺纳米蛛网纤维过滤膜及其制备方法，有效解决了当前高温条件下过滤效率低下的问题。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明公开了一种聚酰亚胺纳米蛛网纤维过滤膜的制备方法，包括以下步骤：将4,4’-二氨基二苯醚溶解于溶剂中，继续缓慢加入均苯四甲酸酐后进行低温缩聚反应，得到聚酰胺酸前驱体溶液；在所得聚酰胺酸前驱体溶液中加入氯化锂，混合均匀得到待纺丝液；将所得待纺丝液纺丝成膜，得到具有蛛网结构的聚酰亚胺纤维膜；将所得具有蛛网结构的聚酰亚胺纤维膜去除溶剂后进行酰亚胺化处理，制得聚酰亚胺纳米蛛网纤维过滤膜。
优选地，4,4’-二氨基二苯醚、均苯四甲酸酐和溶剂反应投料比为10～30g：10.5～31.5g：100～300mL。
优选地，聚酰胺酸前驱体溶液的低温缩聚反应参数包括：在0～4℃下反应12～24h。
优选地，聚酰胺酸前驱体溶液与氯化锂的反应投料比为10mL：0.003～0.01g。
优选地，将所得待纺丝液纺丝成膜的操作参数包括：待纺丝液置于注射器中，电压为25～30kV，推进器速度为0.2～0.5mL/h。
优选地，将所得具有蛛网结构的聚酰亚胺纤维膜在60℃中干燥12～24h，达到去除溶剂。
优选地，酰亚胺化处理的温度为25～300℃。
优选地，溶剂为N,N-二甲基甲酰胺。
本发明公开了采用上述制备方法制得的一种聚酰亚胺纳米蛛网纤维过滤膜。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种聚酰亚胺纳米蛛网纤维过滤膜的制备方法，通过低温缩聚制备得到各方面性能优异的多功能聚酰亚胺，并通过将该多功能聚酰亚胺作为基体，氯化锂作为制备纳米蛛网结构的重要物质，经静电纺丝后，于管式炉中高温酰亚胺化形成具有蛛网结构的聚酰亚胺纳米纤维膜。
进一步地，通过控制纺丝条件，如施加电压及推进速度，能够使形成的蛛网面积更大，过滤性能更高。
本发明还公开了采用上述制备方法制得的一种聚酰亚胺纳米蛛网纤维过滤膜，所述聚酰亚胺纳米蛛网纤维过滤膜以聚酰亚胺和氯化锂为原料制备，具有蛛网结构且具有过滤效率高及耐高温性，可过滤PM2.5等细小颗粒物并可多次循环使用；在本发明的具体实施例中可知，所述聚酰亚胺纳米蛛网纤维过滤膜的过滤效率可达99％以上。
附图说明
图1为本发明的聚酰亚胺纳米蛛网纤维过滤膜的SEM图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明提供了一种具有高温高效过滤性能优异的聚酰亚胺纳米蛛网纤维过滤膜的制备方法，具体步骤如下：
(1)将10～30g4,4’-二氨基二苯醚(ODA)溶于100～300mL N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，缓慢加入10.5～31.5g均苯四甲酸酐(PMDA)，在0～4℃下搅拌12～24h，通过低温缩聚反应制得聚酰胺酸(PAA)前驱体溶液；
(2)在10mL聚酰胺酸前驱体溶液中加入0.003～0.01g的氯化锂，混合均匀形成待纺丝液；
(3)取3～10mL待纺丝液置于注射器中，电压为25～30kV，推进器速度为0.2～0.5mL/h，纺丝成膜，制得具有蛛网结构的聚酰亚胺纤维膜；
(4)将(3)制得的具有蛛网结构的聚酰亚胺纤维膜在60℃烘箱中干燥12～24h，以去除多余溶剂；
(5)将(4)所得的具有蛛网结构的聚酰亚胺纤维膜在管式炉25～300℃下程序升温酰亚胺化3～4h，成功得到一种高温高效过滤的聚酰亚胺纳米蛛网纤维过滤膜。
采用上述制备方法制得的聚酰亚胺纳米蛛网纤维过滤膜，具有过滤效率高、耐高温性以及一定的循环性能，经相关测试表明，其过滤效率可达99.52～99.98％。且有一定的循环性，具体为在过滤薄膜使用超过60min后，还能保持97％以上的过滤效率。
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细描述：
实施例1
(1)将10g 4,4’-二氨基二苯醚(ODA)溶于100mL N-N二甲基甲酰胺(DMF)中，缓慢加入10.5g均苯四甲酸酐(PMDA)，在4℃下搅拌12h，制得聚酰胺酸(PAA)前驱体溶液；
(2)在10mL聚酰胺酸前驱体溶液中加入0.003g的氯化锂，混合均匀形成待纺丝液；
(3)取4mL待纺丝液置于注射器中，电压为28kV，推进器速度为0.3mL/h，纺丝成膜，制得具有蛛网结构的聚酰亚胺纤维膜；
(4))将(3)制得的具有蛛网结构的聚酰亚胺纤维膜在60℃烘箱中干燥24h，以去除多余溶剂；
(5)将(4)所得的具有蛛网结构的聚酰亚胺纤维膜在管式炉25℃下酰亚胺化3h，成功得到一种高温高效过滤的聚酰亚胺纳米蛛网纤维过滤膜。
经过滤测试表明，其过滤性能优异，最高过滤效率可达99.52％，循环次数可达6次。
实施例2
(1)将30g 4,4’-二氨基二苯醚(ODA)溶于300mL N-N二甲基甲酰胺(DMF)中，缓慢加入20g均苯四甲酸酐(PMDA)，在0℃下搅拌24h，制得聚酰胺酸(PAA)前驱体溶液；
(2)在10mL聚酰胺酸前驱体溶液中加入0.01g的氯化锂，混合均匀形成待纺丝液；
(3)取3mL待纺丝液置于注射器中，电压为30kV，推进器速度为0.2mL/h，纺丝成膜，制得具有蛛网结构的聚酰亚胺纤维膜；
(4))将(3)制得的具有蛛网结构的聚酰亚胺纤维膜在60℃烘箱中干燥12h，以去除多余溶剂；
(5)将(4)所得的具有蛛网结构的聚酰亚胺纤维膜在管式炉300℃下酰亚胺化4h，成功得到一种高温高效过滤的聚酰亚胺纳米蛛网纤维过滤膜。
经过滤测试表明，其过滤性能优异，最高过滤效率可达99.76％，循环次数可达6次。
实施例3
(1)将20g 4,4’-二氨基二苯醚(ODA)溶于150mL N-N二甲基甲酰胺(DMF)中，缓慢加入31.5g均苯四甲酸酐(PMDA)，在1℃下搅拌22h，制得聚酰胺酸(PAA)前驱体溶液；
(2)在10mL聚酰胺酸前驱体溶液中加入0.008g的氯化锂，混合均匀形成待纺丝液；
(3)取8mL待纺丝液置于注射器中，电压为25kV，推进器速度为0.4mL/h，纺丝成膜，制得具有蛛网结构的聚酰亚胺纤维膜；
(4))将(3)制得的具有蛛网结构的聚酰亚胺纤维膜在60℃烘箱中干燥18h，以去除多余溶剂；
(5)将(4)所得的具有蛛网结构的聚酰亚胺纤维膜在管式炉50℃下酰亚胺化3.5h，成功得到一种高温高效过滤的聚酰亚胺纳米蛛网纤维过滤膜。
经过滤测试表明，其过滤性能优异，最高过滤效率可达99.67％，循环次数可达6次。
实施例4
(1)将15g 4,4’-二氨基二苯醚(ODA)溶于200mL N-N二甲基甲酰胺(DMF)中，缓慢加入18g均苯四甲酸酐(PMDA)，在2℃下搅拌18h，制得聚酰胺酸(PAA)前驱体溶液；
(2)在10mL聚酰胺酸前驱体溶液中加入0.005g的氯化锂，混合均匀形成待纺丝液；
(3)取10mL待纺丝液置于注射器中，电压为28kV，推进器速度为0.5mL/h，纺丝成膜，制得具有蛛网结构的聚酰亚胺纤维膜；
(4))将(3)制得的具有蛛网结构的聚酰亚胺纤维膜在60℃烘箱中干燥20h，以去除多余溶剂；
(5)将(4)所得的具有蛛网结构的聚酰亚胺纤维膜在管式炉100℃下酰亚胺化3.5h，成功得到一种高温高效过滤的聚酰亚胺纳米蛛网纤维过滤膜。
经过滤测试表明，其过滤性能优异，最高过滤效率可达99.92％，循环次数可达6次。
实施例5
(1)将25g 4,4’-二氨基二苯醚(ODA)溶于260mL N-N二甲基甲酰胺(DMF)中，缓慢加入24g均苯四甲酸酐(PMDA)，在3℃下搅拌15h，制得聚酰胺酸(PAA)前驱体溶液；
(2)在10mL聚酰胺酸前驱体溶液中加入0.003g的氯化锂，混合均匀形成待纺丝液；
(3)取6mL待纺丝液置于注射器中，电压为25kV，推进器速度为0.3mL/h，纺丝成膜，制得具有蛛网结构的聚酰亚胺纤维膜；
(4))将(3)制得的具有蛛网结构的聚酰亚胺纤维膜在60℃烘箱中干燥15h，以去除多余溶剂；
(5)将(4)所得的具有蛛网结构的聚酰亚胺纤维膜在管式炉200℃下酰亚胺化3h，成功得到一种高温高效过滤的聚酰亚胺纳米蛛网纤维过滤膜。
经过滤测试表明，其过滤性能优异，最高过滤效率可达99.98％，循环次数可达6次。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，可以明显的看出主纤维间存在着均匀分布的蛛网结构，结构致密，从而使得过滤纤维膜的比表面积增大，孔隙率提高，有利于进一步拦截和捕获杂质粒子。这种作用方式主要涉及物体颗粒物与纤维间的物理接触，是最为常见的筛分方式。因此可见蛛网结构的形成对纳米纤维过滤膜的过滤效率提高有着至关重要的作用。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
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