一种高温可吸附的多孔聚酰亚胺纳米纤维及其制备方法和应用

本发明属于聚酰亚胺纳米纤维功能材料制备技术领域，涉及一种高温可吸附的多孔聚酰亚胺纳米纤维及其制备方法和应用。

背景技术：

随着人类针对工业化进程不断加快，空气污染也日趋严重，尤其是pm2.5污染更甚。pm2.5指的是大气中直径小于或等于2.5μm的细小颗粒物。由于其富含大量的有毒、有害物质且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。空气污染问题已经成为亟需解决的重要环境问题之一，如何快速高效地治理pm2.5污染已经引起了公众的广泛关注。

高性能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吸附过滤效率低下，难以循环利用。而聚酰亚胺，是综合性能最佳的有机高分子材料之一，被广泛应用于航空航天、高温过滤、绝缘隔热等各种领域。将其制备成过滤材料可用于细小颗粒物、高温介质及放射性物质的过滤等方面。聚酰亚胺单独制备的滤膜过滤效率和吸附效果较差，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。

技术实现要素：

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高温可吸附的多孔聚酰亚胺纳米纤维及其制备方法和应用，解决了聚酰亚胺材料过滤效率和吸附效果不佳的问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种高温可吸附的多孔聚酰亚胺纳米纤维的制备方法，将聚酰亚胺和聚乙烯吡咯烷酮均匀分散于溶剂中，制得纺丝前溶液；采用静电纺丝技术，将所得纺丝前溶液制成聚酰亚胺-聚乙烯吡咯烷酮复合纤维；将所得聚酰亚胺-聚乙烯吡咯烷酮复合纤维经成孔处理后干燥，制得高温可吸附的多孔聚酰亚胺纳米纤维。

优选地，制得纺丝前溶液的具体步骤如下：

先将聚酰亚胺均匀分散于溶剂中，制得反应初溶液，将聚乙烯吡咯烷酮均匀分散于所得反应初溶液中，制成纺丝前溶液。

优选地，聚酰亚胺、溶剂和聚乙烯吡咯烷酮的投料质量比为1～5：5～10：0.25～2。

优选地，静电纺丝技术的工艺参数包括：电压为14kv～20kv，推进器速度为2ml/h～5ml/h。

优选地，成孔处理的工艺参数包括：将所得聚酰亚胺-聚乙烯吡咯烷酮复合纤维在80℃～120℃真空下干燥12h～36h。

优选地，成孔处理的具体操作为：将所得聚酰亚胺-聚乙烯吡咯烷酮复合纤维膜用去离子水/乙醇交替洗涤5～10次。

优选地，溶剂为二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺。

本发明公开了采用上述制备方法制得的一种高温可吸附的多孔聚酰亚胺纳米纤维。

优选地，经过滤循环实验5～10次后，所述高温可吸附的多孔聚酰亚胺纳米纤维的过滤效率，比无孔纯聚酰亚胺纤维高达2～4倍。

本发明公开的上述高温可吸附的多孔聚酰亚胺纳米纤维作为pm2.5颗粒物过滤膜的应用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开的一种高温可吸附的多孔聚酰亚胺纳米纤维的制备方法，首先选用各方面性能优异的多功能的聚酰亚胺作为基体，聚乙烯吡咯烷酮作为制备多孔结构的重要媒介，经过成孔处理(如去离子水/乙醇洗涤的操作)，可以形成孔结构；经静电纺丝后，经成孔处理后形成具有多孔结构的聚酰亚胺基纳米纤维膜，然后再通过洗涤干燥去除表面溶剂，制得高温可吸附的多孔聚酰亚胺纳米纤维。因此，本发明所述一种高温可吸附的多孔聚酰亚胺纳米纤维的制备方法，利用特殊的多孔结构，能够高效的吸附空气中的细小颗粒和污染物，解决了聚酰亚胺材料过滤效率和吸附效果差的问题，同时具有耐高温和可循环利用的优点。

本发明还公开了采用上述制备方法制得的一种高温可吸附的多孔聚酰亚胺纳米纤维，本发明所述采用聚酰亚胺和聚乙烯吡咯烷酮为原料，制备的高温可吸附的多孔聚酰亚胺纳米纤维具有过滤效率高、耐高温性好、循环性能优异的特点。经相关测试表明，本发明所述高温可吸附的多孔聚酰亚胺纳米纤维经过过滤循环实验5～10次后，过滤效率比无孔的纯的聚酰亚胺纤维高达2～4倍。

本发明还公开了上述一种高温可吸附的多孔聚酰亚胺纳米纤维作为pm2.5颗粒物过滤膜的应用。所述高温可吸附的多孔聚酰亚胺纳米纤维可作为pm2.5颗粒物过滤膜，过滤pm2.5等细小颗粒物并可多次循环使用，针对其过滤效率和循环性能均具有提升。

附图说明

图1为本发明中实施例1制得的高温可吸附的多孔聚酰亚胺纳米纤维的sem图；

图2为本发明中实施例1制得的高温可吸附的多孔聚酰亚胺纳米纤维的过滤循环效率图；

图3为本发明中实施例1制得的高温可吸附的多孔聚酰亚胺纳米纤维的耐高温性能测试图。

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。

本发明公开了一种高温可吸附的多孔聚酰亚胺纳米纤维的制备方法，具体步骤如下：

(1)将聚酰胺酸(paa)前体-两步缩聚-热亚胺化，制得聚酰亚胺；

(2)将1g～5g聚酰亚胺粉末溶于5g～10g二甲基甲酰胺或二甲基乙酰胺，搅拌1h-5h后，加入0.25g～2g聚乙烯吡咯烷酮，制成纺丝前溶液；

(3)取3ml～10ml纺丝前溶液置于注射器中，电压为14kv～20kv，推进器速度为2ml/h～5ml/h，纺丝成膜，制得聚酰亚胺-聚乙烯吡咯烷酮复合纤维；

(4)将(3)制得的聚酰亚胺-聚乙烯吡咯烷酮复合纤维在80℃～120℃真空下放置12h～36h；

(5)将(4)所得的聚酰亚胺-聚乙烯吡咯烷酮复合纤维膜用去离子水/乙醇交替洗涤5～10次，干燥后成功得到一种高温可吸附的多孔聚酰亚胺纳米纤维。

采用上述制备方法制得的一种高温可吸附的多孔聚酰亚胺纳米纤维具有过滤效率高、耐高温性、循环性能，过滤循环实验5～10次后，过滤效率比无孔的纯的聚酰亚胺纤维高达2～4倍。

因此上述一种高温可吸附的多孔聚酰亚胺纳米纤维作为pm2.5颗粒物过滤膜的应用时，可过滤pm2.5等细小颗粒物并可多次循环使用。

下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步详细描述：

实施例1

(1)将聚酰胺酸(paa)前体-两步缩聚-热亚胺化；

(2)将3g聚酰亚胺粉末溶于7g二甲基甲酰胺，搅拌2h后，加入1g聚乙烯吡咯烷酮，制成纺丝前溶液；

(3)取5ml纺丝前溶液置于注射器中，电压为15kv，推进器速度为2.5ml/h，纺丝成膜，制得聚酰亚胺-聚乙烯吡咯烷酮复合纤维；

(4)将(3)制得的聚酰亚胺-聚乙烯吡咯烷酮复合纤维在100℃真空下放置24h；

(5)将(4)所得的复合纤维膜用去离子水/乙醇交替洗涤8次，干燥后成功得到一种高温可吸附的多孔聚酰亚胺纳米纤维；

参见图1，可知本实施例采用聚酰亚胺和聚乙烯吡咯烷酮为原料制备的高温可吸附的多孔聚酰亚胺纳米纤维具有过滤效率高、耐高温性、循环性能，过滤循环实验10次后，过滤效率比无孔的纯的聚酰亚胺纤维高达2倍。

参见图2，可知本实施例在过滤循环6次后，聚酰亚胺-聚乙烯吡咯烷酮复合纤维膜的过滤效率均在99％以上，且由曲线图变化趋势可预测在过滤10次左右时，其过滤效率仍然可以保持在99％左右。而纯的聚酰亚胺膜则没有如此显著的过滤效果。这是由于多孔结构增大了纤维膜的比表面积，使得颗粒物更容易被吸附沉积在膜上，从而提高膜的过滤效率。

参见图3，可知本实施例在温度升高至250℃时，膜的吸附效率仍可达99％以上，是因为原材料聚酰亚胺本身具有刚性的酰亚胺环结构，使其在高温条件下仍然具有高强高模的性能，具有优异的耐高温性。因此制成的膜结构也具有此性质。

实施例2

(1)将聚酰胺酸(paa)前体-两步缩聚-热亚胺化；

(2)将1g聚酰亚胺粉末溶于5g二甲基乙酰胺，搅拌1h后，加入0.25g聚乙烯吡咯烷酮，制成纺丝前溶液；

(3)取3ml纺丝前溶液置于注射器中，电压为14kv，推进器速度为2ml/h，纺丝成膜，制得聚酰亚胺-聚乙烯吡咯烷酮复合纤维；

(4)将(3)制得的聚酰亚胺-聚乙烯吡咯烷酮复合纤维在80℃真空下放置36h；

(5)将(4)所得的复合纤维膜用去离子水/乙醇交替洗涤5次，干燥后成功得到一种高温可吸附的多孔聚酰亚胺纳米纤维；

本实施例采用聚酰亚胺和聚乙烯吡咯烷酮为原料制备的高温可吸附的多孔聚酰亚胺纳米纤维具有过滤效率高、耐高温性、循环性能，过滤循环实验5次后，过滤效率比无孔的纯的聚酰亚胺纤维高达2倍。

实施例3

(1)将聚酰胺酸(paa)前体-两步缩聚-热亚胺化；

(2)将5g聚酰亚胺粉末溶于10g二甲基甲酰胺，搅拌5h后，加入2g聚乙烯吡咯烷酮，制成纺丝前溶液；

(3)取10ml纺丝前溶液置于注射器中，电压为20kv，推进器速度为5ml/h，纺丝成膜，制得聚酰亚胺-聚乙烯吡咯烷酮复合纤维；

(4)将(3)制得的聚酰亚胺-聚乙烯吡咯烷酮复合纤维在120℃真空下放置12h；

(5)将(4)所得的复合纤维膜用去离子水/乙醇交替洗涤10次，干燥后成功得到一种高温可吸附的多孔聚酰亚胺纳米纤维；

本实施例采用聚酰亚胺和聚乙烯吡咯烷酮为原料制备的高温可吸附的多孔聚酰亚胺纳米纤维具有过滤效率高、耐高温性、循环性能，过滤循环实验8次后，过滤效率比无孔的纯的聚酰亚胺纤维高达4倍。

实施例4

(1)将聚酰胺酸(paa)前体-两步缩聚-热亚胺化；

(2)将2g聚酰亚胺粉末溶于8g二甲基甲酰胺，搅拌4h后，加入0.7g聚乙烯吡咯烷酮，制成纺丝前溶液；

(3)取8ml纺丝前溶液置于注射器中，电压为18kv，推进器速度为4ml/h，纺丝成膜，制得聚酰亚胺-聚乙烯吡咯烷酮复合纤维；

(4)将(3)制得的聚酰亚胺-聚乙烯吡咯烷酮复合纤维在90℃真空下放置30h；

(5)将(4)所得的复合纤维膜用去离子水/乙醇交替洗涤6次，干燥后成功得到一种高温可吸附的多孔聚酰亚胺纳米纤维；

本实施例采用聚酰亚胺和聚乙烯吡咯烷酮为原料制备的高温可吸附的多孔聚酰亚胺纳米纤维具有过滤效率高、耐高温性、循环性能，过滤循环实验6次后，过滤效率比无孔的纯的聚酰亚胺纤维高达3倍。

实施例5

(1)将聚酰胺酸(paa)前体-两步缩聚-热亚胺化；

(2)将4g聚酰亚胺粉末溶于9g二甲基乙酰胺，搅拌3h后，加入1.5g聚乙烯吡咯烷酮，制成纺丝前溶液；

(3)取6ml纺丝前溶液置于注射器中，电压为16kv，推进器速度为3ml/h，纺丝成膜，制得聚酰亚胺-聚乙烯吡咯烷酮复合纤维；

(4)将(3)制得的聚酰亚胺-聚乙烯吡咯烷酮复合纤维在110℃真空下放置20h；

(5)将(4)所得的复合纤维膜用去离子水/乙醇交替洗涤7次，干燥后成功得到一种高温可吸附的多孔聚酰亚胺纳米纤维；

本实施例采用聚酰亚胺和聚乙烯吡咯烷酮为原料制备的高温可吸附的多孔聚酰亚胺纳米纤维具有过滤效率高、耐高温性、循环性能，过滤循环实验7次后，过滤效率比无孔的纯的聚酰亚胺纤维高达3倍。

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。