本发明属于芳纶纳米纤维的制备，具体涉及到一种高分散性和高稳定性的芳纶纳米纤维水性浆料的制备方法。
背景技术：
1、芳纶纤维全称为“芳香族聚酰胺纤维”，与碳纤维和超高分子量聚乙烯纤维合称世界三大高性能纤维。芳纶纤维是由至少85％的酰胺基团直接连接到两个芳香环上形成的长链。具有高强度、高模量、耐酸碱、质量轻的特点，但芳纶纤维表面光滑，与其他材料结合性能差，因此将微米尺度的芳纶纤维剥离成纳米尺度的芳纶纳米纤维可以提高比表面积，增强与其他基材的结合性能，从而得到更加广泛的应用。
2、目前，芳纶纳米纤维常用的制备方法主要有去质子化和聚合诱导自组装两种。去质子化方法的制备机理是芳纶纤维在二甲基亚砜(dmso)和氢氧化钾的作用下，氢氧化钾上的氢氧根夺取芳纶分子链上酰胺基团的质子氢，增加链间的静电斥力、破坏氢键，使分子链沿轴向方向剥离，然后加水进行再质子化制成芳纶纳米纤维。但是此方法如果将二甲基亚砜(dmso)体系的芳纶纳米纤维分散到水中或再质子化过程加水速度过快时芳纶纳米纤维间易发生相互作用，发生相互缠结或聚集，影响芳纶纳米纤维的水分散性。kotov和同事在2010年首次将宏观芳纶纤维用去质子化方法制成一维纳米纤维。chen等人在2021年对去质子化方法进行改进，在体系中加入水作为质子供体，再生酰胺键，构建酰胺键与水之间的氢键，将反应时间由之前的7天缩短至0.5小时。
3、yan等人在2013年开发了一种聚合诱导自组装的工艺来实现芳纶纳米纤维的制备。聚合诱导自组装方法是指将对苯二胺和对苯二甲酰氯两种单体溶于nmp中进行低温缩聚反应，随着反应进行，分子链生长，形成高分子量的芳纶分子链，然后将反应物在均质乳化机的高速剪切下分散在水中，形成芳纶纳米纤维的水分散液。但是此方法制备的芳纶纳米纤维分子链之间氢键相互作用强，容易发生自组装，产生无规则的聚集，影响浆料的稳定分散。文章引入甲氧基聚乙二醇(mpeg)，可以与芳纶分子链产生氢键和共价键的强相互作用且有一定的亲水性，有助于分子链的有序排列和芳纶纳米纤维稳定分散。但是mpeg会与芳纶分子链发生反应，生成副产物，影响材料力学性能和热稳定性，因此xie等人在2019年引入非反应性的聚乙二醇二甲醚(dme)来代替反应性的mpeg，获得了具有更高长径比(平均径向尺寸20±5nm)的芳纶纳米纤维，但是依然无法得到在低浓度下溶液稳定性更好的浆料。
技术实现思路
1、通常，芳纶纳米纤维以相互缠结的絮状物分散在水中，长时间静置会发生沉降，难以在水中形成高分散性和高稳定性的浆料，阻碍其在高性能纳米复合材料领域的应用。上述问题的主要原因是芳纶纳米纤维之间具有很强的非共价相互作用，缠结的纤维难以打开，且缺少可在水中稳定分散的基团，即使分散开也难以长时间稳定，纳米纤维易重新聚集。本发明提出一种利用芳纶纤维剥离制备芳纶纳米纤维的新方法，利用浓硫酸和高锰酸钾进行芳纶浸润和改性，减弱芳纶大分子链间相互作用，增加亲水性基团，使芳纶纤维在水中易于剥离并形成稳定的芳纶纳米纤维分散液。本发明所提供的高分散水性芳纶纳米纤维浆料在纳米复合材料领域具有巨大的应用前景。
2、本发明通过以下技术方案实现上述目的：
3、一种高分散性和高稳定性的芳纶纳米纤维水性浆料的制备方法，具体包括以下步骤：
4、(1)配制高锰酸钾的浓硫酸分散液
5、在冰浴下，将高锰酸钾加入浓硫酸中搅拌一段时间后，然后升温至20-45℃继续搅拌至混合均匀，得分散液；
6、(2)配制高锰酸钾改性制备的芳纶纳米纤维分散液：
7、将芳纶纤维加入步骤(1)的分散液中，在冰浴条件下搅拌一定时间，然后在20-60℃下继续搅拌4-12小时(优选在40℃下继续搅拌10小时)，得到高锰酸钾改性制备的的芳纶纳米纤维分散液；
8、(3)制备芳纶纳米纤维水分散液
9、去除体系中的酸，然后用均质乳化机以4000-15000转/分钟的转速均质2-30分钟(优选在7000转/分钟的转速下均质3分钟)，获得均匀的芳纶纳米纤维水分散液，测其固含量；
10、(4)后处理
11、将步骤(3)的芳纶纳米纤维水分散液用去离子水稀释至浓度为0.2mg/ml-5mg/ml(优选为0.5mg/ml)，然后在超声波细胞粉碎机中超声处理至浆料变澄清，无可见絮状物(优选以360w超声处理6分钟)，获得具有高分散性和高稳定性的芳纶纳米纤维水性浆料。
12、进一步的，所述步骤(1)中，在冰浴下，将高锰酸钾加入浓硫酸中搅拌2小时后，然后升温至35℃继续搅拌15分钟。
13、进一步的，所述步骤(2)中，将芳纶纤维加入步骤(1)的分散液中，冰浴下搅拌30分钟，然后在40℃下继续搅拌10小时。
14、进一步的，所述步骤(3)中去除体系中酸的方式为：将步骤(2)的高锰酸钾改性制备的芳纶纳米纤维分散液加入到冰水中，用滤布(优选为400目滤布)对体系进行多次过滤洗涤至体系接近中性。
15、进一步的，所述芳纶纤维为长度1mm-10mm的短切纤维(优选为3mm的短切纤维)。
16、进一步的，所述高锰酸钾与芳纶纤维的质量比为(0.5-4):1，优选为2:1。
17、与现有技术相比，本申请有以下优点和有益效果：
18、与传统dmso体系去质子化方法相比，本发明使用浓硫酸和高锰酸钾体系，对芳纶纤维进行改性和剥离，制备得到具有更好水分散性及溶液稳定性芳纶纳米纤维水性浆料。改性制备。具体原理如下，在高锰酸钾和浓硫酸的分散液中加入芳纶纤维，浓硫酸和高锰酸钾插层进入芳纶纤维中，减弱芳纶分子链间相互作用，增加亲水性基团，随着水洗过程硫酸逐渐被去离子水置换出去，亲水基团使其在水中稳定分散，分子间相互作用的减弱使缠结的芳纶纳米纤维仅通过超声处理就可以被剥离分散，形成在水中具有高分散性和高稳定性的芳纶纳米纤维水性浆料。
19、通过丁达尔现象图可以看到本发明制备的芳纶纳米纤维水性浆料具有更细更亮的光路。通过zeta电位测试图可以看出本发明制备的芳纶纳米纤维水性浆料的zeta电位为-51.00mv，说明其可以在水溶液中稳定分散。通过水性浆料2小时静置图可以看出浓度为0.5mg/ml的未加高锰酸钾改性的芳纶纳米纤维水性浆料静置1小时内就可见明显分层，而加入高锰酸钾制备的的芳纶纳米纤维水性浆料在相同浓度下2小时内都未见明显分层，说明其具有更好的溶液稳定性。
1.一种高分散性和高稳定性的芳纶纳米纤维水性浆料的制备方法，具体包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，在冰浴下，将高锰酸钾加入浓硫酸中搅拌2小时后，然后升温至35℃继续搅拌15分钟。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，将芳纶纤维加入步骤(1)的分散液中，冰浴下搅拌30分钟，然后在40℃下继续搅拌10小时。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中去除体系中酸的方式为：将步骤(2)的高锰酸钾改性制备的的芳纶纳米纤维分散液加入到冰水中，用滤布对体系进行多次过滤洗涤至体系接近中性。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述芳纶纤维为长度1mm-10mm的短切纤维。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述高锰酸钾与芳纶纤维的质量比为(0.5-4):1。
