一种功能性聚醚砜纤维及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于纺织领域，涉及功能性纤维的制备，特别是指一种功能性聚醚砜纤维及其制备方法和应用。

背景技术

聚醚砜（PES）具有热化学稳定性、良好的机械强度、质量轻、比表面积大、尺寸稳定性高、耐酸碱性能及血液相容性、极其优异的难燃性、内部孔隙连通性好等优点，因此，聚醚砜（PES）是目前应用最广泛的分离膜材料之一。聚醚砜（PES）作为聚砜类的材料，机械性能虽好，得到了广泛的应用，但由于其本身结构具有疏水性，使其成膜后容易被污染。膜污染主要是由非极性溶质、疏水粒子或细菌的吸附引起的。这是膜过滤中的一个比较关心的问题，滤膜一旦发生污染就会导致膜的能耗更高，膜寿命更短，分离性能难以实现。针对PES膜的这些优缺点，目前PES的研究趋势就是开发新的膜材料和结构，特别是对减少污染的影响，生物相容性和功能性等几方面。

对PES膜的改性一般有三种途径：一是对制备的PES膜表面进行改性，PES膜的表面改性是一种比较普遍的方法，通过改性可以改变PES膜表面的疏水性，从而在保持膜骨架不变的情况下引入亲水性能基团或粒子。改性后的PES膜的亲水性可以通过水接触角来测定的。二是对PES材料化学结构进行本体改性，然后制备改性膜。本体改性是指将官能团引入到聚合物大分子链的主链上，例如磺酸基团(-SO

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种功能性聚醚砜纤维及其制备方法和应用。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种功能性聚醚砜纤维的制备方法，步骤为：

（1）配制聚醚砜溶液，搅拌条件下加入离子液体和功能性粒子，得纺丝溶液；

（2）步骤（1）的纺丝溶液经真空脱泡后进行纺丝，经水洗晾干后，即得功能性聚醚砜纤维。

上述步骤（1）中聚醚砜溶液的溶剂为DMF、1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐或DMSO。

上述聚醚砜溶液的质量浓度为10-20%。

上述离子液体为1-烯丙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐。

上述功能性粒子为氧化石墨烯、石墨烯粉末、还原氧化石墨烯、石墨烯悬浮液纳米银离子、纳米TiO

上述纺丝溶液中聚醚砜、离子液体和功能性粒子的质量比为83:10:7。

上述步骤（2）中纺丝为静电纺丝、湿法纺丝和熔融纺丝中的任一种。

上述所述静电纺丝的参数为：电压16-24kv，流量0.3-0.8ml/h，纺丝距离7-12cm；湿法纺丝的参数为：粘度50-80mPa·s，凝固浴浓度20-80%；熔融纺丝的参数为：温度180-230℃，卷绕速度170-250米/分钟。

在纺丝过程采用的凝固浴选自下述方案中的任一种：离子液体水溶液，离子液体占凝固浴溶液的质量分数1-10%，凝固浴温度20-50℃；乙醇水溶液，无水乙醇占凝固浴溶液的质量分数1-25%，凝固浴温度10-45℃；空气凝固，温度为室温至100℃。

利用上述的方法制备的功能性聚醚砜纤维。

上述的功能性聚醚砜纤维在制备阻燃材料、导电材料、光催化降解染料、碳纤维复合材料中的应用。

本发明具有以下有益效果：

1. 本发明以聚醚砜为原料，通过选取合适的溶剂形成聚醚砜溶液，然后在聚醚砜溶液中添加功能性离子液体或功能材料，最终形成聚醚砜-离子液体-功能材料混合体系。由于聚醚砜、离子液体及加入的功能粒子三者相容，在溶解过程中由于受到连续相施加的剪切、拉伸等作用；搅拌均匀脱泡后，在室温情况下通过熔融或静电纺丝成型，成型后的纤维置于大气环境或去离子水中去除离子液体和其他助剂，将除去离子液体和助剂的纤维干燥。该纤维若采用熔融法纺丝，使聚醚砜的纺丝温度（300℃以上的的高温纺丝）降低到200℃左右纺丝，不需要采用特种纺丝设备，降低了设备成本和能耗，可有显著降低纺丝温度，降低能耗，节约成本。

2. 本发明的方法与其它制备功能性纤维的方法相比，采用常规的工业化的纺丝设备即可用来制造功能化纤维，从而降低了投资成本。本申请的具有纺丝温度低、可连续化生产、产量高等优点。可以为今后实现聚醚砜在碳纤维复合材料中的增韧、导流应用提供一条简便的工艺路线。

3. 本发明是以聚醚砜为原料，添加的功能粒子具备良好的相容性和高效性，满足经济、环保的要求。所制备的聚醚砜在阻燃材料、导电材料、光催化降解染料、碳纤维复合材料制备等方面具有广泛的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例1制备的静电纺聚醚砜阻燃纤维膜。

图2为静电纺PES纤维膜光催化和吸附性能随时间的变化图。

图3为实施例9熔融纺丝制备的聚醚砜纤维。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明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付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种功能性聚醚砜纤维的制备方法，步骤为：

（1）配制聚醚砜溶液，搅拌条件下加入离子液体和功能性粒子，得纺丝溶液；

（2）步骤（1）的纺丝溶液经真空脱泡后进行纺丝，经水洗晾干后，即得功能性聚醚砜纤维。

上述步骤（1）中聚醚砜溶液的溶剂为DMF、1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐或DMSO。

上述聚醚砜溶液的质量浓度为10-20%。

上述离子液体为1-烯丙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐。

上述功能性粒子为氧化石墨烯、石墨烯粉末、还原氧化石墨烯、石墨烯悬浮液纳米银离子、纳米TiO

上述纺丝溶液中聚醚砜、离子液体和功能性粒子的质量比为83:10:7。

上述步骤（2）中纺丝为静电纺丝、湿法纺丝和熔融纺丝中的任一种。

上述所述静电纺丝的参数为：电压16-24kv，流量0.3-0.8ml/h，纺丝距离7-12cm；湿法纺丝的参数为：粘度50-80mPa·s，凝固浴浓度20-80%；熔融纺丝的参数为：温度180-230℃，卷绕速度170-250米/分钟。

在纺丝过程采用的凝固浴选自下述方案中的任一种：离子液体水溶液，离子液体占凝固浴溶液的质量分数1-10%，凝固浴温度20-50℃；乙醇水溶液，无水乙醇占凝固浴溶液的质量分数1-25%，凝固浴温度10-45℃；空气凝固，温度为室温至100℃。

下面结合具体实施例进行说明：

实施例1

本实施例的功能性聚醚砜纤维的制备方法，步骤为：

（1）将烘至绝干的聚醚砜粉末，溶解于DMF中，在机械搅拌的作用下，室温溶解30min，得到浓度为15%的聚醚砜溶液，加入1-烯丙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐和还原氧化石墨烯，充分搅拌后得纺丝溶液；纺丝溶液中聚醚砜、1-烯丙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐和还原氧化石墨烯的质量分别为8.3g、1.0g、7.0g。

（2）纺丝溶液经真空烘箱脱泡、静电纺丝（电压20kv，流量0.5ml/h，纺丝距离10cm），经空气挥发DMF，3次水洗去除多余的离子液体，固化后将取出，经3次水洗后晾干即可得到改性后的聚醚砜阻燃纤维。其电镜图如图1所示。

经极限氧指数仪器测试检测，该纤维丝LOI：26.5%。

实施例2

本实施例的功能性聚醚砜纤维的制备方法，步骤为：

（1）将烘至绝干的聚醚砜粉末，溶解于1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐中，在机械搅拌的作用下，100℃溶解1h，得到浓度为20%的聚醚砜溶液；加入质量分数1%的氧化石墨烯和5%纳米银离子，充分搅拌后得纺丝溶液；纺丝溶液中聚醚砜、1-烯丙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐和1%的氧化石墨烯及5%纳米银离子的质量分别为8.3g、1.0g、7.0g。

（2）纺丝溶液经过滤、真空烘箱脱泡、湿法纺丝（纺丝溶液最佳粘度为 75.24mPa·s 时），以质量分数20%的乙醇水溶液作为凝固浴，凝固浴温度10-45℃，经固化后将取出，3次水洗后晾干即可得到改性后的聚醚砜导电纤维。聚醚砜初生纤维热拉伸倍数为15具有最佳的拉伸强度。

经检测：

该纤维电导率：1.4×10

实施例3

本实施例的功能性聚醚砜纤维的制备方法，步骤为：

（1）将烘至绝干的聚醚砜粉末，溶解于DMSO中，在机械搅拌的作用下，室温溶解30min，得到溶解度为10%的聚醚砜溶液；加入1-烯丙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、10%的纳米TiO

（2）纺丝溶液经过滤、真空烘箱脱泡、静电纺丝（电压20kv，流量0.5ml/h，纺丝距离10cm），经空气晾干固化后将取出，经3次水洗后晾干即可得到改性后的具有光催化和吸附性能聚醚砜纤维。

在紫外光源照射下，不同时间内对染料的吸附和催化性能，如图2所示，由图2可知，质量比为2:1的PES纤维随着时间的增加效果越来越好，增加废液的透过率越来越大，透过率为98%，说明废液中的染料几乎被完全催化。

实施例4

本实施例的功能性聚醚砜纤维的制备方法，步骤为：

（1）将烘至绝干的聚醚砜粉末，溶解于1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐中，在机械搅拌的作用下，100℃溶解1h，得到浓度为15%的聚醚砜溶液；加入质量分数1%的氧化石墨烯和5%纳米银离子，充分搅拌后得纺丝溶液；纺丝溶液中聚醚砜、1-烯丙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐和1%的氧化石墨烯及5%纳米银离子的质量分别为8.3g、1.0g、7.0g

（2）纺丝溶液经过滤、真空烘箱脱泡、湿法纺丝（纺丝溶液最佳粘度为 50mPa·s），以质量分数20%的乙醇水溶液作为凝固浴，凝固浴温度10-45℃，经固化后将取出，3次水洗后晾干即可得到改性后的聚醚砜导电纤维。聚醚砜初生纤维热拉伸倍数为15具有最佳的拉伸强度。

经检测：

该纤维电导率：1.38×10

实施例5

本实施例的功能性聚醚砜纤维的制备方法，步骤为：

（1）将烘至绝干的聚醚砜粉末，溶解于1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐中，在机械搅拌的作用下，100℃溶解1h，得到浓度为15%的聚醚砜溶液；加入质量分数1%的氧化石墨烯和5%纳米银离子，充分搅拌后得纺丝溶液；纺丝溶液中聚醚砜、1-烯丙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐和1%的氧化石墨烯及5%纳米银离子的质量分别为8.3g、1.0g、7.0g

（2）纺丝溶液经过滤、真空烘箱脱泡、湿法纺丝（纺丝溶液最佳粘度为 50mPa·s），以质量分数20%的乙醇水溶液作为凝固浴，凝固浴温度10-45℃，经固化后将取出，3次水洗后晾干即可得到改性后的聚醚砜导电纤维。聚醚砜初生纤维热拉伸倍数为14具有最佳的拉伸强度。

经检测：

该纤维电导率：1.38×10

实施例6

本实施例的功能性聚醚砜纤维的制备方法，步骤为：

（1）将烘至绝干的聚醚砜粉末，溶解于1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐中，在机械搅拌的作用下，100℃溶解1h，得到浓度为15%的聚醚砜溶液；加入质量分数1%的氧化石墨烯和5%纳米银离子，充分搅拌后得纺丝溶液；纺丝溶液中聚醚砜、1-烯丙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐和1%的氧化石墨烯及5%纳米银离子的质量分别为8.3g、1.0g、7.0g

（2）纺丝溶液经过滤、真空烘箱脱泡、湿法纺丝（纺丝溶液最佳粘度为 80mPa·s），以质量分数80%的乙醇水溶液作为凝固浴，凝固浴温度10-45℃，经固化后将取出，3次水洗后晾干即可得到改性后的聚醚砜导电纤维。聚醚砜初生纤维热拉伸倍数为13具有最佳的拉伸强度。

实施例7

本实施例的功能性聚醚砜纤维的制备方法，步骤为：

（1）将烘至绝干的聚醚砜粉末，溶解于DMF中，在机械搅拌的作用下，室温溶解30min，得到浓度为15%的聚醚砜溶液，加入1-烯丙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐和还原氧化石墨烯，充分搅拌后得纺丝溶液；纺丝溶液中聚醚砜、1-烯丙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐和还原氧化石墨烯的质量分别为8.3g、1.0g、7.0g。

（2）纺丝溶液经真空烘箱脱泡、静电纺丝（电压16kv，流量0.3ml/h，纺丝距离7cm），经空气挥发DMF，3次水洗去除多余的离子液体，固化后将取出，经3次水洗后晾干即可得到改性后的聚醚砜阻燃纤维。

经极限氧指数仪器测试检测，该纤维丝LOI：26.4%。

实施例8

本实施例的功能性聚醚砜纤维的制备方法，步骤为：

（1）将烘至绝干的聚醚砜粉末，溶解于DMF中，在机械搅拌的作用下，室温溶解30min，得到浓度为15%的聚醚砜溶液，加入1-烯丙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐和还原氧化石墨烯，充分搅拌后得纺丝溶液；纺丝溶液中聚醚砜、1-烯丙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐和还原氧化石墨烯的质量分别为8.3g、1.0g、7.0g。

（2）纺丝溶液经真空烘箱脱泡、静电纺丝（电压24kv，流量0.8ml/h，纺丝距离12cm），经空气挥发DMF，3次水洗去除多余的离子液体，固化后将取出，经3次水洗后晾干即可得到改性后的聚醚砜阻燃纤维。

经极限氧指数仪器测试检测，该纤维丝LOI：27.4%。

实施例9

本实施例的功能性聚醚砜纤维的制备方法，步骤为：

（1）将烘至绝干的聚醚砜粉末，溶解于1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐F中，在机械搅拌的作用下，室温溶解30min，得到浓度为15%的聚醚砜溶液，加入1-烯丙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐和还原氧化石墨烯，充分搅拌后得纺丝溶液；纺丝溶液中聚醚砜、1-烯丙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐和还原氧化石墨烯的质量分别为8.3g、1.0g、7.0g。

（2）纺丝溶液经真空烘箱脱泡、熔融纺丝（温度180℃，卷绕速度170米/分钟），经空气挥发DMF，3次水洗去除多余的离子液体，体积比25%的乙醇水溶液固化后取出，经3次水洗后晾干即可得到改性后的聚醚砜阻燃纤维。

经极限氧指数仪器测试检测，该纤维丝LOI：27.4%。

实施例10

本实施例的功能性聚醚砜纤维的制备方法，步骤为：

（1）将烘至绝干的聚醚砜粉末，溶解于DMSO中，在机械搅拌的作用下，室温溶解30min，得到溶解度为10%的聚醚砜溶液；加入1-烯丙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、10%的纳米TiO

（2）纺丝溶液经过滤、真空烘箱脱泡、熔融纺丝（温度180℃，卷绕速度170米/分钟），经空气晾干固化后将取出，经3次水洗后晾干即可得到功能性聚醚砜纤维。其电镜图如图3所示。

本实施例制得的功能性聚醚砜纤维的最大断裂强度为2.5cN/dtex，断裂伸长率为66.48±3.42%。

对比例1

本对比的功能性聚醚砜纤维的制备方法，步骤为：

（1）将烘至绝干的聚醚砜粉末，溶解于DMSO中，在机械搅拌的作用下，室温溶解30min，得到溶解度为10%的聚醚砜溶液；加入1-烯丙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、10%的纳米TiO

（2）纺丝溶液经过滤、真空烘箱脱泡、熔融纺丝（温度380℃，卷绕速度600米/分钟），经空气晾干固化后将取出，经3次水洗后晾干即可得到功能性聚醚砜纤维。

本实施例制得的功能性聚醚砜纤维的最大断裂强度为1.3cN/dtex，断裂伸长率为64.48%。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。