一种采用静电纺丝制备高导热PBO复合纳米纤维膜

本发明属于高性能纤维领域，涉及一种采用静电纺丝制备高导热pbo复合纳米纤维膜的方法。背景技术：1、高性能聚合物复合纤维在航空航天、汽车工业、船舶工业、建筑领域、国防军工、体育器材等领域有着非常广泛的应用。随着社会的发展，高性能聚合物复合纤维正朝着高性能与高强度、轻量化和功能化的方向发展。虽然我国高性能聚合物复合纤维的研究方面取得了显著进展，但是在高端产品的制造和质量控制方面，仍存在关键原材料生产、核心技术和关键设备依赖外国技术的情况，限制了本土产业的成本控制和供应链安全，严重制约我国未来的产业升级。根据国家发展和改革委员会等部门联合发布的《战略性新兴产业发展重大项目指南》和《新材料产业发展指导意见》，明确将高性能纤维及其复合材料作为战略新兴材料产业的重点发展方向，旨在推动高性能聚合物复合纤维技术的进步，加速产业升级，增强国际竞争力。高性能聚合物复合纤维有芳纶复合纤维、聚对苯撑苯并二噁唑（pbo）类聚合物复合纤维、超高聚乙烯复合纤维等。其中，pbo复合纤维是一种超高性能的合成纤维，以其卓越的力学性能、耐高温性能和化学稳定性而著名。2、然而pbo复合纤维的加工性差，只能溶解在强酸溶液中，极大地限制了pbo复合纤维的进一步改性和利用。尤其是随着纳米科技的飞速发展，人们普遍认为当纤维尺寸降低至纳米级别时，会展现出独特的光学、电学、磁性学、机械性能等。近年来，多种聚合物复合纳米纤维的制备技术如模板聚合法、拉伸法、湿法纺丝、自组装法和静电纺丝法等已经被开发成功。其中，静电纺丝技术是一种将聚合物液态流体静电雾化并通过高压静电场喷射纺丝制备纳米纤维的方法，能够连续、高效地制备聚合物复合纳米米纤维。pbo复合纳米纤维加工困难，制备pbo复合纳米纤维的报道较少。东华大学的金俊宏等人首先通过静电纺丝技术制备了pbo前驱体的纳米纤维，进一步通过高温热环化制备了pbo纳米纤维，然而这种方法工艺复杂。通过“一步法”制备pbo复合纳米纤维极具挑战，目前还没有相关报道。技术实现思路1、本发明的目的在于克服传统pbo纳米纤维膜制备工艺复杂，且pbo纳米纤维膜导热系数不高的问题，进而提供了一种“一步法”制备高导热pbo复合纳米纤维膜的方法，并使其用于航空航天器的热管理、汽车发动机舱和电池包等热源周围的隔热和散热、建筑物的隔热材料、锂离子电池包的热管理和军事装备的隔热和散热等。2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：3、a、将pbo原纤溶解在甲基磺酸/六氟异丙醇（或八氟-1,6-己二醇、1,1,1,3,3,3-六氟-2-甲基-2-丙醇、六氟丁醇、无水六氟丙酮、三氟乙酸乙酯、三氟乙酸丁酯等）的混合溶剂中，搅拌形成均一、透明的黄色溶液；4、b、将一种或几种高导热无机填料加入到步骤a制备的溶液中，并进行超声分散。高导热无机填料包括但不限于：氮化硼（bn）、碳化硅(sic)、金刚石、氧化铝(al2o3)、氧化铜（cuo）、氧化铁（fe2o3）、石墨烯和碳纳米管；5、c、将步骤b制备的溶液转移至注射器中，使用静电纺丝机纺丝得到的pbo复合纳米纤维膜；6、d、对步骤c所得的pbo复合纳米纤维膜浸入去离子水中进行溶剂置换，然后置于真空干燥箱干燥，即得高导热pbo复合纳米纤维膜，可用于航空航天器的热管理、汽车发动机舱和电池包等热源周围的隔热和散热、建筑物的隔热材料、锂离子电池包的热管理和军事装备的隔热和散热等。7、优选地，步骤a中，所述的混合溶剂一方为甲基磺酸，一方为六氟异丙醇、八氟-1,6-己二醇、1,1,1,3,3,3-六氟-2-甲基-2-丙醇、六氟丁醇、无水六氟丙酮、三氟乙酸乙酯、三氟乙酸丁酯中的一种或几种。8、优选地，步骤a中，所述的混合溶剂的质量比为0.8~8 : 92~99.2。9、优选地，步骤a中，所述的溶质pbo与混合溶剂的质量比为2~35:65~98。10、优选地，步骤a中，所述的实验温度为24~100oc，搅拌速度为30~600 转/分钟，搅拌时间为2-48 h，避光搅拌。11、优选地，步骤b中，所述的实验温度为24~100oc，高导热无机填料与混合溶剂的质量比为5~40:60~95。12、优选地，步骤b中，所述的超声方式为600w超声波清洗器。13、优选地，步骤b中，所述的超声时间为2~24h。14、优选地，步骤c中，所述的静电纺丝注射器为平口针头。15、优选地，步骤c中，所述的静电纺丝参数为：纺丝注射器针头与金属收集基板之间的距离为12~18 cm，纺丝电压为13~28 kv，环境温度为25~55oc，湿度为10~30％，给液速度为0.2~1.2 ml/h。16、优选地，步骤c中，所述的静电纺丝pbo纳米纤维直径为50 nm~15 μm之间。17、优选地，步骤c中，所述的静电纺丝制备的pbo复合纳米纤维使用铝箔收集。18、优选地，步骤c中，所述的置换溶剂为去离子水、乙醇、甲醇、丙酮等溶剂，所述温度在24~100oc，置换时间为2~24 h。19、优选地，步骤c中，所述的干燥温度为24~250oc，干燥时间为2~24 h。20、优选地，步骤c中，所述的pbo复合纳米纤维膜，其用途可用于航空航天器的热管理、汽车发动机舱和电池包等热源周围的隔热和散热、建筑物的隔热材料、锂离子电池包的热管理和军事装备的隔热和散热等。21、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：22、1、克服了传统pbo复合纤维只能溶解在强酸性溶剂中的困难，通过一种温和的方式溶解pbo复合纤维，有效提高了pbo复合纤维的加工性能，拓展了pbo复合纤维的应用领域，并为pbo复合纤维的化学改性提供了基础。23、2、首次通过“一步法”制备了高导热pbo复合纳米纤维膜，大大节省了pbo复合纳米纤维膜的制备步骤，具有广阔的应用前景。24、3、本发明所述的pbo复合纳米纤维具有导热性能好、拉伸强度高、化学稳定性极佳、模量高、耐电强度很高、热稳定性能好、尺寸稳定性好、阻燃性好等特点，可适用于大规模工业化生产。技术特征：1.一种采用静电纺丝制备高导热pbo复合纳米纤维膜的方法，其特征在于：包括以下几个步骤：2.根据权利要求1所述的一种采用静电纺丝制备高导热pbo复合纳米纤维膜的方法，其特征在于：步骤a中，所述的混合溶剂的质量比为0.8~8:92~99.2。3.根据权利要求1所述的一种采用静电纺丝制备高导热pbo复合纳米纤维膜的方法，其特征在于：步骤a中，所述的溶质pbo与混合溶剂的质量比为2~35:65~98。4.根据权利要求1所述的一种采用静电纺丝制备高导热pbo复合纳米纤维膜的方法，其特征在于：步骤a中，所述的实验温度为24~100 oc，搅拌速度为30~600 转/分钟，搅拌时间为2-48 h，避光搅拌。5.根据权利要求1所述的一种采用静电纺丝制备高导热pbo复合纳米纤维膜的方法，其特征在于：步骤b中，所述的实验温度为24~100 oc，高导热无机填料与混合溶剂的质量比为5~40:60~95，所述的超声方式为600w超声波清洗器，所述的超声时间为2~24h。6.根据权利要求1所述的一种采用静电纺丝制备高导热pbo复合纳米纤维膜的方法，其特征在于：步骤c中，所述的静电纺丝注射器为平口针头，的静电纺丝参数为：纺丝注射器针头与金属收集基板之间的距离为12~18 cm，纺丝电压为13~28 kv，环境温度为25~55 oc，湿度为10~30％，给液速度为0.2~1.2 ml/h。7.根据权利要求1所述的一种采用静电纺丝制备高导热pbo复合纳米纤维膜的方法，其特征在于：步骤c中，所述的静电纺丝pbo纳米纤维直径为50 nm~15 μm之间，所述的静电纺丝制备的pbo复合纳米纤维使用铝箔收集。8.根据权利要求1所述的一种采用静电纺丝制备高导热pbo复合纳米纤维膜的方法，其特征在于：步骤c中，所述的置换溶剂为去离子水、乙醇、甲醇、丙酮其中的一种，所述温度在24~100 oc，置换时间为2~24 h。9.根据权利要求1所述的一种采用静电纺丝制备高导热pbo复合纳米纤维膜的方法，其特征在于：步骤c中，所述的干燥温度为24~250 oc，干燥时间为2~24 h。技术总结本发明属于高性能纤维领域，涉及一种采用静电纺丝制备高导热PBO复合纳米纤维膜的方法，具体包括如下步骤：首先将PBO溶解在甲基磺酸和醇类的混合溶剂中，随后向溶液中加入高导热无机填料，通过超声使无机填料均匀分散在溶液中，然后将溶液转移到注射器中，利用静电纺丝机制备PBO复合纳米纤维膜，随后将负载纳米纤维膜的铝箔浸入水中置换溶剂，最后放入真空干燥箱中干燥，即可得到高导热PBO复合纳米纤维膜，大大节省了传统PBO复合纳米纤维膜的制备流程，制备出的高导热PBO复合纳米纤维膜孔隙率大，密度低，强度高，电化学稳定性好，阻燃性优，耐高温，具有优异的热传导性能，在电子设备、航空航天、汽车、建筑等领域都有广泛的应用前景。技术研发人员：李洪飞,陈浩,徐海萍,郭丽和,夏东民,邢福煊受保护的技术使用者：上海第二工业大学技术研发日：技术公布日：2024/8/1