一种PTFE/CNT复合纳米纤维膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及复合纳米纤维膜技术领域，具体涉及一种PTFE/CNT复合纳米纤维膜及其制备方法。

背景技术

聚四氟乙烯(PTFE)是一种非极性线型晶状聚合物，具有许多独特的物理和化学性能，如良好的电绝缘性和热稳定性、优良的耐老化性、极小的吸水率、优秀的抗紫外辐射性能以及优异的化学惰性等。因此，其被广泛应用于电子电气、防腐减磨、机械、石油化工、纺织及航空航天领域。

目前商用的PTFE膜大多通过机械拉伸和制孔剂的成型工艺方法制备，这些方法在制备过程中能耗较大，污染环境而且得到的PTFE膜孔径差异大，孔隙率低。并且，PTFE本身难溶解于各类溶剂，在熔融状态下的熔体强度很大，因此也不能直接通过溶液纺丝和熔融纺丝的方法去制备PTFE膜。

此外，目前制备的大多为纯PTFE纳米纤维膜，其力学、介电等性能难以满足某些领域的应用，为克服上述缺点并拓宽PTFE纳米纤维膜的应用领域，添加功能性纳米填料使其高性能及多功能化是目前PTFE膜领域亟需解决的难点及热点问题。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术的缺点和不足，提供了一种PTFE/CNT复合纳米纤维膜及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种PTFE/CNT复合纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：

1)配制PEO溶液：将聚氧化乙烯(PEO)溶于去离子水中，搅拌均匀，得到PEO溶液；

2)配制PTFE/PEO混合液：将PTFE悬浮液加入到上述PEO溶液中，搅拌均匀，得到PTFE/PEO混合液；

3)配制PTFE/PEO/CNT纺丝液：将碳纳米管(CNT)的水分散液加入上述PTFE/PEO混合液中，搅拌均匀，得到PTFE/PEO/CNT混合液；

4)静电纺丝制备PTFE/CNT复合纳米纤维膜：将上述PTFE/PEO/CNT混合液通过静电纺丝制得PTFE/PEO/CNT复合纳米纤维膜前驱体，经热处理，最终得到PTFE/CNT复合纳米纤维膜。

进一步地，步骤1)是将重均分子量为10

所述PEO溶液中PEO的含量为8-12wt.％，所述PTFE悬浮液中PTFE的含量为55-65wt.％。

步骤2)所述PTFE悬浮液与PEO溶液的质量比为88:12。

所述PTFE/PEO/CNT混合液中CNT的含量为0.5wt.％-1wt.％。

步骤4)所述的静电纺丝电压为14-16kV，纺丝喷嘴到对置电极滚筒收集器的距离为14-16cm，纺丝流速为0.8-1.2ml/h。

步骤4)所述的热处理是首先将PTFE/PEO/CNT复合纤维膜置于真空干燥箱中(45℃)干燥至少12h，接着在330-400℃马弗炉中进行烧结，使PEO分解去除，得到PTFE/CNT复合纳米纤维膜。

本发明克服了传统PTFE加工难的缺点，采用静电纺丝技术，使用PTFE悬浮分散液并结合水溶性PEO为助纺剂(牺牲体)来制备PTFE纳米纤维膜，通过在PTFE纳米纤维上引入CNT，最终制备获得具有良好力学、润湿性、导电及介电性的PTFE/CNT复合纳米纤维薄膜。由于PTFE难以溶解于所有溶剂，本发明采用PTFE悬浮分散液，有利于环境保护，且加入的CNT促进了所制备的薄膜的功能化和高性能化。

本发明还具有以下优点：

1、引入CNT使PTFE复合纳米纤维的表面结构、力学性能、疏水性能得到优化，使其在膜蒸馏，油水分离、电磁波吸收(介电)、电磁屏蔽(导电)等领域有很大的应用潜力。

2、制备的PTFE/CNT复合纳米纤维多孔膜纤维连续、孔径均匀，具有优异的热稳定性、力学性能、疏水性能。

3、本发明制备过程中采用水系聚氧化乙烯PEO和水系的PTFE悬浮液为原料，未使用有机溶剂，安全且利于环境保护。所以，此方法兼具操作简单、经济、和环保的优点。

附图说明

图1为PTFE/CNT复合纳米纤维膜制备过程的示意图。

图2(a)为实施例3静电纺丝制备的纯PTFE纳米纤维膜扫描电镜照片，图2(b)为图2(a)局部放大图。

图3(a)为实施例3静电纺丝制备的PTFE/CNT(99.5wt.％:0.5wt.％)复合纳米纤维膜扫描电镜照片，图3(b)为图3(a)局部放大图。

图4(a)为实施例3静电纺丝制备的PTFE/CNT(99.0wt.％:1.0wt.％)复合纳米纤维膜扫描电镜照片，图4(b)为图4(a)局部放大图。

图5为实施例3制备的复合纳米纤维膜水接触角，(a)纯PTFE纳米纤维膜，(b)PTFE/CNT(0.5wt.％)复合纳米纤维膜，(c)PTFE/CNT(1.0wt.％)。

图6为实施例3制备的纯PTFE纳米纤维膜，PTFE/CNT(0.5wt.％)复合纳米纤维膜，PTFE/CNT(1.0wt.％)复合纳米纤维膜应力-应变曲线。

具体实施方式

实施例1

一种PTFE/CNT复合纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：

1)配制PEO溶液：将重均分子量为10

2)配制PTFE/PEO混合液：将PTFE的含量为55wt.％的PTFE悬浮液加入到上述PEO溶液中，搅拌均匀，得到PTFE/PEO混合液；

所述PTFE悬浮液与PEO溶液的质量比为88:12；

3)配制PTFE/PEO/CNT纺丝液：将CNT的水分散液加入上述PTFE/PEO混合液中，搅拌均匀，得到PTFE/PEO/CNT混合液，所述PTFE/PEO/CNT混合液中CNT的含量为0.5wt.％；

4)静电纺丝制备PTFE/CNT复合纳米纤维膜：将上述PTFE/PEO/CNT混合液通过静电纺丝制得PTFE/PEO/CNT复合纳米纤维膜前驱体，其中，静电纺丝电压为14kV，纺丝喷嘴到对置电极滚筒收集器的距离为14cm，纺丝流速为0.8ml/h；

然后将PTFE/PEO/CNT复合纤维膜前驱体置于45℃真空干燥箱中干燥12h，接着在330℃马弗炉中进行烧结，使PEO分解去除，最终得到PTFE/CNT复合纳米纤维膜。

实施例2

一种PTFE/CNT复合纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：

1)配制PEO溶液：将重均分子量为10

2)配制PTFE/PEO混合液：将PTFE的含量为65wt.％的PTFE悬浮液加入到上述PEO溶液中，搅拌均匀，得到PTFE/PEO混合液；

所述PTFE悬浮液与PEO溶液的质量比为88:12；

3)配制PTFE/PEO/CNT纺丝液：将CNT的水分散液加入上述PTFE/PEO混合液中，搅拌均匀，得到PTFE/PEO/CNT混合液，所述PTFE/PEO/CNT混合液中CNT的含量为0.75wt.％；

4)静电纺丝制备PTFE/CNT复合纳米纤维膜：将上述PTFE/PEO/CNT混合液通过静电纺丝制得PTFE/PEO/CNT复合纳米纤维膜前驱体，其中，静电纺丝电压为6kV，纺丝喷嘴到对置电极滚筒收集器的距离为16cm，纺丝流速为1.2ml/h；

然后将PTFE/PEO/CNT复合纤维膜置于45℃真空干燥箱中干燥12h，接着在400℃马弗炉中进行烧结，使PEO分解去除，最终得到PTFE/CNT复合纳米纤维膜。

实施例3

一种PTFE/CNT复合纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：

1)配制PEO溶液：将重均分子量为10

2)配制PTFE/PEO混合液：将PTFE的含量为60wt.％的PTFE悬浮液加入到上述PEO溶液中，搅拌均匀，得到PTFE/PEO混合液；

所述PTFE悬浮液与PEO溶液的质量比为88:12；

3)配制PTFE/PEO/CNT纺丝液：将CNT的水分散液加入上述PTFE/PEO混合液中，搅拌均匀，得到PTFE/PEO/CNT混合液，所述PTFE/PEO/CNT混合液中CNT的含量分别为0wt.％、0.5wt.％、1wt.％；

4)静电纺丝制备PTFE/CNT复合纳米纤维膜：将上述PTFE/PEO/CNT混合液通过静电纺丝制得PTFE/PEO/CNT复合纳米纤维膜前驱体，其中，静电纺丝电压为15kV，纺丝喷嘴到对置电极滚筒收集器的距离为15cm，纺丝流速为1ml/h；

然后将PTFE/PEO/CNT复合纤维膜置于45℃真空干燥箱中干燥12h，接着在380℃马弗炉中进行烧结，使PEO分解去除，最终得到PTFE/CNT复合纳米纤维膜。

表1为实施例3制备的纯PTFE纳米纤维膜，PTFE/CNT(0.5wt.％)复合纳米纤维膜，PTFE/CNT(1wt.％)复合纳米纤维膜拉伸强度、断裂伸长率、杨氏模量。

表1

由表1可以看出，引入CNT使PTFE复合纳米纤维的力学性能得到优化。