生物基芳纶、生物基芳纶纳米纤维及制备方法

本发明涉及材料科学，尤其涉及生物基芳纶、生物基芳纶纳米纤维及制备方法。

背景技术：

1、芳纶是由芳环和酰胺键构成的一类重要的合成高分子材料，具有优异的耐高温性能、耐化学腐蚀性能和机械性能。在新能源、航空航天、国防军工等领域有着重要的应用。市场上使用的芳纶主要有聚对苯二甲酰对苯二胺（对位芳纶，ppta）、聚间苯二甲酰苯二胺（间位芳纶，pmia）等，其主要原料中的对/间苯二甲酰氯、对/间苯二胺均来源于石油基。化石资源的过度开采和使用导致大量温室气体的产生，对环境造成严重破坏，加剧气候变化，不利于可持续发展。并且由于苯环中的分子间存在较强的π键相互作用力，使得其分子间形成紧密堆积，在有机溶剂中的溶解性较差，使得后续再加工较为困难。

技术实现思路

1、有鉴于此，为了至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一，本发明提供了生物基芳纶、生物基芳纶纳米纤维及制备方法。

2、根据本发明一个方面的实施例，提供了一种生物基芳纶的制备方法，包括：在惰性气体氛围下，将呋喃二酰卤单体加入至呋喃二胺单体溶液后，进行缩聚反应，得到生物基芳纶；其中，呋喃二胺单体包括5，5’-亚甲基二糠胺；呋喃二酰卤单体包括呋喃二甲酰氯；呋喃二酰卤单体与呋喃二胺单体的摩尔比为0.5:1~2.5:1。

3、根据本发明的实施例，呋喃二酰卤单体与呋喃二胺单体的摩尔比为1:1；呋喃二胺单体溶液中的溶剂包括二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、n-甲基吡咯烷酮中的至少一种。

4、根据本发明的实施例，溶剂的水分含量在100ppm以下。

5、根据本发明的实施例，将呋喃二酰卤单体加入至呋喃二胺单体溶液的温度为-10~20℃，优选为-5~5℃。

6、根据本发明的实施例，缩聚反应的温度为20~80℃，优选为30~50℃；缩聚反应时间为1~5h。

7、根据本发明另一个方面的实施例，提供了一种生物基芳纶，利用如上述的制备方法制备得到。

8、根据本发明的实施例，生物基芳纶的分子量为10万~40万，优选为大于20万。

9、根据本发明再一个方面的实施例，提供了一种生物基芳纶纳米纤维的制备方法，利用如上述的生物基芳纶，在静电纺丝条件下进行喷射，得到生物基芳纶纳米纤维；静电纺丝条件为：在电压为10~40kv、湿度为30~65%之间时，设置喷射头与接收器之间的距离为5~20nm，喷射头的挤出速率为0.2~2ml/h。

10、根据本发明又一个方面的实施例，提供了一种生物基芳纶纳米纤维，通过如上述的方法制备得到。

11、根据本发明的实施例，生物基芳纶纳米纤维的平均直径为100~400nm。

12、根据本发明的实施例，通过将呋喃二酰卤单体和呋喃二胺单体进行缩聚反应，能够制备具有呋喃环的生物基芳纶。其中的呋喃环既具有与苯环相似的刚性和芳香性的同时，还具有较为优异的力学性能、耐热性能和机械性能。并且，具有呋喃环的生物基芳纶中的氧原子削弱了分子链中的氢键，使得生物基芳纶具有更高的溶解性，在常规溶剂中即可溶解。有利于将生物基芳纶加工成型，提高了其可加工性。另外，由于生物基芳纶的原材料来源于生物质，使得本发明的生物基芳纶具有环境友好和可持续发展的特点。

13、根据本发明的实施例，由于本发明制备的生物基芳纶具有较好的热性能和较高的柔韧性，在后续制备静电纺丝时，能够制备出纳米级别直径的超细纤维丝，利用制备得到的静电纺丝形成的薄膜结构具有比表面积大、孔隙率高等优势，在过滤、电池隔膜、生物医学等领域具有较为广阔的应用前景。

技术特征：

1.一种生物基芳纶的制备方法，包括：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述呋喃二酰卤单体与所述呋喃二胺单体的摩尔比为1:1；

3.根据权利要求2所述的制备方法，其中，所述溶剂的水分含量在100ppm以下。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述将所述呋喃二酰卤单体加入至所述呋喃二胺单体溶液的温度为-10~20℃，优选为-5~5℃。

5.根据权利要求1或4所述的制备方法，其中，所述缩聚反应的温度为20~80℃，优选为30~50℃；

6.一种生物基芳纶，利用如权利要求1~5中任一项所述的制备方法制备得到。

7.根据权利要求6所述的生物基芳纶，其中，所述生物基芳纶的分子量为10万~40万，优选为大于20万。

8.一种生物基芳纶纳米纤维的制备方法，利用如权利要求6或7所述的生物基芳纶，在静电纺丝条件下进行喷射，得到所述生物基芳纶纳米纤维；

9.一种生物基芳纶纳米纤维，通过如权利要求8所述的方法制备得到。

10.根据权利要求9所述的生物基芳纶纳米纤维，其中，所述生物基芳纶纳米纤维的平均直径为100~400nm。

技术总结
本发明提供了一种生物基芳纶、生物基芳纶纳米纤维及制备方法，属于材料科学技术领域。该生物基芳纶的制备方法，包括：在惰性气体氛围下，将呋喃二酰卤单体加入至呋喃二胺单体溶液后，进行缩聚反应，得到生物基芳纶；其中，呋喃二胺单体包括5，5’‑亚甲基二糠胺；呋喃二酰卤单体包括呋喃二甲酰氯；呋喃二酰卤单体与呋喃二胺单体的摩尔比为0.5:1~2.5:1。本发明通过使用具有呋喃环基团的呋喃二酰卤单体和呋喃二胺单体，使用呋喃环代替了苯环，降低对石油资源的依赖性，制备得到的生物基芳纶具有较高的耐热性能和较好的柔韧性，有利于后续静电纺丝制备纳米纤维。

技术研发人员：傅尧,储玉婷,李闯,陈鹏,张文艳
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23