一种基于多面体低聚硅倍半氧烷静电纺丝纤维及其制备方法和应用

本发明涉及一种高性能功能材料领域，具体涉及一种基于多面体低聚硅倍半氧烷静电纺丝纤维及其制备方法和应用，主要应用于过滤材料、隔热材料、电子器件等领域。

背景技术：

1、静电纺丝技术由于其简单、高效、能够制备出纳米级纤维的优势，近年来在各个领域得到广泛应用。其主要应用包括过滤材料、组织工程支架、药物释放系统以及高性能复合材料等。然而，传统静电纺丝技术所制备的纤维在某些性能上仍然存在一定的局限性，如强度、稳定性以及功能化等方面，亟待创新材料和工艺来提升其性能。

2、多面体低聚硅倍半氧烷（poss）是一类具有独特结构和优良性能的有机硅化合物，其在材料科学中的应用前景广阔。poss 具有类似于笼状结构的分子框架，这种结构不仅赋予了材料极高的热稳定性和化学稳定性，还能够显著改善材料的力学性能、抗老化性能和光学性能。因此，将poss应用于静电纺丝技术中，有望解决传统纤维材料在性能上的不足，并开辟新的应用领域。目前，poss在静电纺丝中的应用研究尚处于探索阶段。现有技术中，静电纺丝液通常使用聚合物溶液，而将poss单独或与聚合物混合使用，能够有效地改善静电纺丝纤维的整体性能。纯poss溶液由于其较高的黏度和较强的化学稳定性，在静电纺丝过程中能够形成稳定的纤维结构，从而提高纤维的强度和稳定性。然而，纯poss的静电纺丝可能会面临纤维形成困难、纤维直径不均匀等问题。另一方面，将poss与其他聚合物共混，能够综合两者的优点，制备出性能更加优异的复合纤维。poss与聚合物的结合可以提高纤维的力学性能和功能化特性，同时改善纤维的可加工性和稳定性。然而，poss与聚合物的相容性、配比以及静电纺丝工艺条件的优化仍然是挑战性的研究课题。

技术实现思路

1、在这一背景下，本发明提出了一种基于poss的静电纺丝纤维及其制备方法，考虑了纯poss和poss-聚合物两种静电纺丝液的使用。通过优化poss的使用比例和与聚合物的混合方式，可以有效地解决传统静电纺丝技术中的一些问题，制备出具有优良性能的纤维。这些新型纤维不仅在机械性能、热稳定性和化学耐受性方面表现出色，还具有广泛的应用潜力，包括高性能过滤材料、医用敷料以及复合材料等。

2、本发明的创新点在于通过对poss及其与聚合物混合物的优化，拓展了静电纺丝技术的应用范围，并提升了纤维的性能和功能，为材料科学领域提供了新的研究方向和实际应用解决方案。

3、本发明旨在提供一种新型的基于多面体低聚硅倍半氧烷静电纺丝纤维及其制备方法，以提高静电纺丝纤维的功能性和应用范围。具体地，本发明首先，把poss溶于有机溶剂中，不断调整溶液中poss的浓度，进行静电纺丝，选择能得到较好poss纤维形貌的纺丝液备用。其次，把聚合物溶于合适的有机溶剂中，不断调整溶液中聚合物的浓度，进行静电纺丝，选择能得到较好聚合物纤维形貌的纺丝液备用。最终选用合适的混合方式把以上两种纺丝液混合成poss-聚合物共混溶液，进行静电纺丝，针对所得poss-聚合物纤维形貌，微调、修正共混溶液poss及聚合物的浓度，再次进行静电纺丝，得到poss-聚合物复合纤维。

4、本发明提供的基于poss静电纺丝纤维的制备方法步骤简单，制备条件容易控制，不仅可以制得表面光滑、直径均匀的纯poss静电纺丝纤维，而且通过优化poss与聚合物的结合方式，还制备了poss-聚合物复合纤维。该复合纤维解决了现有技术中存在的溶解性和相容性问题，并表现出较高的强度、良好的耐热性、优越的化学稳定性和疏水性等性能特征。

5、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

6、本发明提供了一种基于poss静电纺丝纤维，由包括单纯poss-有机溶剂（ⅰ）纺丝液、poss-有机溶剂（ⅰ）与聚合物-有机溶剂（ⅱ）共混纺丝液，分别通过静电纺丝后制备得到纯poss纤维和poss-聚合物复合纤维。

7、按上述方案，所述poss与有机溶剂（ⅰ）混合溶液中poss的浓度（w/v）为0.1~3 g/ml，优选0.2~2 g/ml；所述聚合物与有机溶剂（ⅱ）混合溶液中聚合物的浓度（w/v）为0.05~1g/ml，优选0.1~0.6 g/ml。

8、进一步地，所述poss为分子周围带有长链有机基团的聚硅倍半氧烷，优选地，poss是指下式a、b、c、d、e、f和g中的一种或多种以任意比例混合的聚硅倍半氧烷，并且，所述的poss是指分子结构中外围有机基团同时含有苯基和丙烯酰氧基、苯基和环氧基、苯基和异氰酸酯基、苯基和巯基、苯基和氨基、苯基和磷杂菲基、磷杂菲基和丙烯酰氧基、磷杂菲基和环氧基、磷杂菲基和异氰酸酯基、磷杂菲基和巯基、磷杂菲基和氨基的聚倍半硅氧烷，或者所述poss是指分子结构中外围有机基团仅含有丙烯酰氧基、环氧基、异氰酸酯基、巯基、氨基、磷杂菲基基团中的一种的聚倍半硅氧烷，其分子是由内部稳定的si-o-si结构及其周围的有机基团构成，主要包括笼形聚硅倍半氧烷、无规聚硅倍半氧烷和梯形聚硅倍半氧烷。优选poss的详细结构如下：

9、；

10、其中，r为r1或r2，且物质a、b、c、d、e、f和g中的r不能都为r2中的苯基，且r1、r2及x结构如下：

11、。

12、进一步地，所述的聚合物为可溶解或熔融的高分子材料，优选地，聚合物是聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯、聚乳酸、聚己内酰胺、聚乙烯醇、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯中的一种多种以任意比例混合的聚合物。

13、进一步地，所述的有机溶剂（ⅰ）为甲醇、乙醇、二氯甲烷、二氯乙烷、丙酮、‌四氯乙烷、‌氯苯、‌环己酮、甲酸、‌四氢呋喃、‌二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、‌环氧丙烷中的一种或多种以任意比例混合的有机溶剂。

14、进一步地，所述的有机溶剂（ⅱ）为甲醇、乙醇、二氯甲烷、二氯乙烷、丙酮、‌四氯乙烷、‌氯苯、‌环己酮、甲酸、‌四氢呋喃、‌二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、‌环氧丙烷中的一种或多种以任意比例混合的有机溶剂。

15、一种基于多面体低聚硅倍半氧烷静电纺丝纤维材料的制备方法，具体制备步骤为：

16、步骤一：先将poss置于有机溶剂（ⅰ）中，搅拌混合呈均匀透明状态，得到单纯poss-有机溶剂（ⅰ）纺丝液；

17、步骤二：用注射器吸取配制好的纯poss-有机溶剂（ⅰ）纺丝液，进行静电纺丝；

18、步骤三：不断调整静电纺丝过程各参数，直至得到表面光滑、直径均匀的纯poss静电纺丝纤维；

19、步骤四：先将聚合物置于有机溶剂（ⅱ）中，搅拌混合呈均匀透明状态，得到聚合物-有机溶剂（ⅱ）纺丝液；

20、步骤五：用注射器吸取配制好的聚合物-有机溶剂（ⅱ）纺丝液，进行静电纺丝。

21、步骤六：不断调整静电纺丝过程各参数，直至得到表面光滑、直径均匀的聚合物纤维；

22、步骤七：配制步骤三和步骤六所得浓度的纺丝液，搅拌混合成poss-聚合物共混溶液，进行静电纺丝，针对所得poss-聚合物纤维形貌，微调、修正共混溶液中poss及聚合物的浓度，再次进行静电纺丝，直至得到形貌较好的poss-聚合物复合纤维。

23、步骤一、步骤四和步骤七中，搅拌速度为300～1000rpm，搅拌温度为15～80℃，搅拌时间为10～120min；

24、步骤一、步骤四和步骤七中，搅拌混合处理后没有得到理想状态的纺丝液时，可以用超声仪加速溶解，超声温度为20～60℃，超声时间为10～120min；

25、在以上各步骤中，都需要对静电纺丝前的纺丝液进行抽真空出泡处理，所述抽真空的真空度达到-0.01～-0.09mpa；

26、以上各步骤中，采用静电纺丝设备进行静电纺丝时，注射泵的推进速度0.5～4ml/h，纺丝针头内径为0 .1～2.5mm的平针头，高压直流电源为6～22kv，纺丝针头与滚筒的距离为5～25cm，滚筒转速为100～800rpm；

27、以上各步骤中，采用静电纺丝设备进行静电纺丝时，静电纺丝纤维收集时间为1～6小时，将得到具有一定厚度的白色超细纤维膜进行干燥，干燥温度为20～40℃，干燥时间为4～24小时。

28、有益效果

29、1）功能性提升：通过采用poss（多面体低聚硅倍半氧烷）作为静电纺丝纤维的主要成分，能够显著提高纤维的强度、耐热性和化学稳定性。这种纤维具有优良的疏水性，使其在防水、防油等特殊应用场景中表现出色。

30、2）制备方法简单：本发明提供了一种简便的制备方法，步骤清晰且易于操作。通过调整poss和聚合物的浓度及混合方式，能够在控制条件下获得高质量的纤维，大大降低了工艺复杂度和生产成本。

31、3）优化性能：通过对纯poss及poss-聚合物的合理共混和纺丝工艺优化，本发明能制备出具有优良表面光滑度和直径均匀性的纯poss纤维和poss-聚合物复合纤维。这些纤维在实际应用中表现出更佳的性能，如更高的机械强度和耐热性能。

32、4）解决技术难题：①本发明实现了纯poss纤维的制备。②本发明解决了传统技术中poss的溶解性和相容性问题，实现了poss与聚合物的有效结合。从而克服了现有技术中存在的性能瓶颈，提升了纤维的综合性能。

33、综上所述，本发明不仅拓宽了静电纺丝纤维的应用范围，还为相关领域的材料研发提供了新的思路和方法。