CN108277541A - 一种高强度纳米纤维束的制备装置及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高强度纳米纤维束的制备装置，包括注射器、设于注射器输出端的喷头，喷头下方的水浴盘，水浴盘包括储液槽和设置于储液槽内的两个平行电极板。本发明的高强度纳米纤维束的制备装置及方法采用静电纺丝的方法，使纳米纤维沉积在配置有平行电极板的浴液中，并经集束、卷绕得到高强度纳米纤维束。浴液中的平行电极板使得纳米纤维沉积在浴液中时呈现高定向状态，因此经过水浴集束后，纳米纤维呈现高定向度与伸展度，从而使其强度利用率提高，纳米纤维束的力学强度也随之增强，制备的纳米纤维束可直接应用于三维纺织加工中，从而使得纳米纤维可以在超轻薄型纺织品、智能纺织品，传感器及生物医用材料领域得到很好的应用。

Description

一种高强度纳米纤维束的制备装置及制备方法
技术领域
本发明涉及一种纤维的制备装置，尤其涉及一种高强度纳米纤维束的制备装置，此外本发明还涉及高强度纳米纤维束的制备方法。
背景技术
纳米纤维具有极高的比表面积、优秀的表面性能以及柔韧的力学性能，因此在环保、个人防护、生物医药、化学催化、传感器、储能发电、电子、服装和军事等领域有重要的应用潜力。
目前，可以用多种方法生产纳米纤维，如静电纺丝法，海岛法，熔喷法等，综合比较，静电纺丝技术具有材料选择范围广，工艺操作简单、可控性强，纤维直径、取向和物理形状均可调，易于附带各种功能等突出优势，在纳米纤维的工业化生产方面具有巨大的潜力。然而，目前静电纺产品大多为纳米纤维膜，其产品形式单一，使得纳米纤维的应用范围有限；而且纳米纤维膜的无规取向结构及较差的力学强度极大地限制了纳米纤维的三维应用。应用中，将纳米纤维加工成纳米纤维束，便可非常容易的将纳米纤维加工成为三维纤维制品，从而弥补纳米纤维膜的缺点。
近十年来涌现出大量的纤维集束成形的方法，根据纤维的收集方式主要包括机械集束法、气流集束法和水浴集束法，其中水浴集束法应用较为广泛。通过对现有的纳米纤维束制备技术进行分析，发现近年来纳米纤维的集束方法虽得到了一定程度的发展，但纤维的集束状态不好，定向度与伸展度较差，因此力学性能较差。
有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种新型结构的高强度纳米纤维束的制备装置及制备方法，使其更具有产业上的利用价值。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种集束出的纳米纤维束定向度及伸展度较好的高强度纳米纤维束的制备装置。此外本发明还提供一种高强度纳米纤维束的制备方法，采用该方法集束出的纳米纤维束定向度及伸展度较好。
本发明的高强度纳米纤维束的制备装置，包括注射器、设于所述注射器输出端并与其连通的喷头，所述喷头的下方还设置有水浴盘，水浴盘包括用于存储液体的储液槽、设置于储液槽内并且平行设置的两个电极板。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：本发明的高强度纳米纤维束的制备装置，包括水浴盘，水浴盘内设有两个平行电极板，使用时，由于平行电极板的电导率与电极板间浴液的电导率不同，从而使得纤维更容易受电导率较大的电极板影响而沉积搭接在电极板的两端。由于电极板与纤维集束方向垂直设置，从而在集束方向上形成了定向度较高的纤维膜，从根源上提高了纤维的定向度与伸展度。具体工作时，水浴盘的储液槽内设置浴液，在卷绕罗拉的牵引下，沉积的纳米纤维膜在浴液中开始集束，在卷绕拉力与水阻力的共同作用下，湿法成形的薄片状纤维集合体开始集束，在浴盘边缘经集束三角区集束成为较细的湿纤维束，再经过烘干装置，形成干纤维束，最终卷绕到卷绕罗拉上形成初生纳米纤维束。在集束过程中由于外力与纤维间相互作用力的共同作用，纳米纤维束中的纤维定向度与伸展度提高。
综上所述，本发明的高强度纳米纤维束的制备装置集束出的纳米纤维束定向度及伸展度较好。
作为本发明进一步的优选结构，所述喷头的数目至少为两个。
将喷头的数目设置为至少为两个，大大提高了高强度纳米纤维束的制备速度。
作为上述优选结构的进一步改进，多个喷头的外侧设置有环状的辅助电极。
由于多喷头间的电场干扰会对纺丝空间内的电场分布，特别是射流产生较大的影响，从而影响静电纺丝与纤维的集束成形。电场干扰越大，射流偏移越大，同时泰勒锥及射流不稳定性增加，使射流产生更为复杂的扰动，纤维上产生更多不规则的弯曲，相邻的纤维间会产生更为复杂的纠缠。设置的辅助电极可以产生电场，其可以平衡喷头间的部分电场干扰，使得纺丝过程中电场干扰程度减小，从而使得射流间的斥力减弱。同时，辅助电极还可以抑制静电纺过程中射流的鞭动。辅助电极的这两个作用，使射流因扰动而产生的额外弯曲减少，从而减小了弯曲与圈圈纳米纤维形成的机会，改善了纤维束的定向度。
作为上述改进的进一步改进，本发明的高强度纳米纤维束的制备装置还包括纺丝板，所述喷头设置于纺丝板上。
纺丝板的设置方便了多个喷头的安装。
作为本发明进一步的优选结构，所述水浴盘的输出端设有传导方向与所述电极板垂直的导纱辊。
导纱辊的设置，使得从水浴盘输出的纤维束能够在导纱辊的引导下沿与电极板垂直的方向传输。
作为上述优选结构的进一步改进，本发明的高强度纳米纤维束的制备装置还包括烘干装置，所述烘干装置包括装置本体、设置于装置本体表面的烘干槽。
烘干装置的设置能够对纤维束进行烘干作业，从而减少纤维束中的水分。
作为上述改进的进一步改进，本发明的高强度纳米纤维束的制备装置还包括横移排纱装置，所述横移排纱装置包括横移台、驱动所述横移台沿与电极板平行方向移动的横移驱动装置。
横移排纱装置的设置方便了后期对纳米纤维束的卷绕。
作为上述改进的进一步改进，所述横移驱动装置包括与所述横移台连接的齿条、与所述齿条连接的驱动电机。
具体工作时驱动电机通过同步轮或齿轮等结构带动齿条移动，从而实现对横移台的横向移动。
作为上述改进的进一步改进，本发明的高强度纳米纤维束的制备装置还包括用于卷绕高强度纳米纤维束的纺丝卷绕机。
纺丝卷绕机的设置实现了对纳米纤维束的卷绕收集。
一种高强度纳米纤维束的制备方法，采用静电纺丝法，将聚合物溶液制备成纳米纤维沉积在配置有两个平行的电极板的浴液中，沉积在浴液中的纳米纤维经集束、卷绕得到高强度纳米纤维束。
本发明的高强度纳米纤维束的制备方法，浴液中的平行电极板使得纳米纤维沉积在浴液中时呈现高定向状态，因此经过水浴集束后，纳米纤维呈现高定向度与伸展度，从而使其强度利用率提高，纳米纤维束的力学强度也随之增强。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明的高强度纳米纤维束的制备装置的立体结构示意图；
图2是本发明的高强度纳米纤维束的制备装置制备出的高强度纳米纤维束电镜图。
图中，1：注射器；2：喷头；3：水浴盘；4：储液槽；5：电极板；6：辅助电极；7：纺丝板；8：装置本体；9：烘干槽；10：横移台；11：齿条；12：驱动电机；13：纺丝卷绕机；14：卷绕罗拉；15：高压电源；16：流量泵。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本实施例的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本实施例的范围。
实施例一：
参见图1，本发明一较佳实施例的高强度纳米纤维束的制备装置，包括注射器1、设于注射器输出端并与其连通的喷头2，喷头的下方还设置有水浴盘3，水浴盘包括用于存储液体的储液槽4、设置于储液槽内并且平行设置的两个电极板5。
优选地，喷头的数目至少为两个。
优选地，多个喷头的外侧设置有环状的辅助电极6。
优选地，本实施例的高强度纳米纤维束的制备装置还包括纺丝板7，喷头设置于纺丝板上。
使用时，操作人员将浴液导入储液槽内，然后通过静电纺丝放将纳米纤维从喷头喷出并沉积在浴液中，由于平行电极板的电导率与电极板间浴液的电导率不同，从而使得纤维更容易受电导率较大的电极板影响而沉积搭接在电极板的两端。由于电极板与纤维集束方向垂直设置，从而在集束方向上形成了定向度较高的纤维膜，从根源上提高了纤维的定向度与伸展度。其中，将喷头的数目设置为至少为两个，大大提高了高强度纳米纤维束的制备速度。此外，由于多喷头间的电场干扰会对纺丝空间内的电场分布，特别是射流产生较大的影响，从而影响静电纺丝与纤维的集束成形。电场干扰越大，射流偏移越大，同时泰勒锥及射流不稳定性增加，使射流产生更为复杂的扰动，纤维上产生更多不规则的弯曲，相邻的纤维间会产生更为复杂的纠缠。设置的辅助电极可以产生电场，其可以平衡喷头间的部分电场干扰，使得纺丝过程中电场干扰程度减小，从而使得射流间的斥力减弱。同时，辅助电极还可以抑制静电纺过程中射流的鞭动。辅助电极的这两个作用，使射流因扰动而产生的额外弯曲减少，从而减小了弯曲与圈圈纳米纤维形成的机会，改善了纤维束的定向度。纺丝板的设置方便了多个喷头的安装。
其中，辅助电极的形状可以是圆形、矩形和圆角矩形，辅助电极的材质可以是铁、不锈钢、铝和铜，辅助电极材料的形状可以是片状和线状。电极板材质可为铁、不锈钢、铝、铜、硅等。水浴盘的材料可为PP、PVC、POM、电木等。
此外，纳米纤维束可以利用碳纳米管、石墨烯、硅酸盐增强，也可以具有导电、抗菌、感光、催化等功能。纳米纤维束增强以及功能性的实现可以通过在纺丝液中添加增强剂及功能性添加剂实现。
实施例二：
参见图1，本实施例的高强度纳米纤维束的制备装置，包括注射器、设于注射器输出端并与其连通的喷头，喷头的下方还设置有水浴盘，水浴盘包括用于存储液体的储液槽、设置于储液槽内并且平行设置的两个电极板。水浴盘的输出端设有传导方向与电极板垂直的导纱辊。
优选地，本实施例的高强度纳米纤维束的制备装置还包括烘干装置，烘干装置包括装置本体8、设置于装置本体表面的烘干槽9。
优选地，本实施例的高强度纳米纤维束的制备装置还包括横移排纱装置，横移排纱装置包括横移台10、驱动横移台沿与电极板平行方向移动的横移驱动装置。
优选地，横移驱动装置包括与横移台连接的齿条11、与齿条连接的驱动电机12。
优选地本实施例的高强度纳米纤维束的制备装置还包括用于卷绕高强度纳米纤维束的纺丝卷绕机13。
导纱辊的设置，使得从水浴盘输出的纤维束能够在导纱辊的引导下沿与电极板垂直的方向传输。烘干装置的设置能够对纤维束进行烘干作业，从而减少纤维束中的水分。横移排纱装置的设置方便了后期对纳米纤维束的卷绕。驱动电机通过同步轮或齿轮等结构带动齿条移动，从而实现对横移台的横向移动。纺丝卷绕机的设置实现了对纳米纤维束的卷绕收集。具体工作时，操作人员在水浴盘的储液槽内设置水，高强度纳米纤维在高压电源的作用下沉积于水中，在卷绕罗拉14的牵引下，沉积的纳米纤维膜在浴液中开始集束，在卷绕拉力与水阻力的共同作用下，湿法成形的薄片状纤维集合体开始集束，在浴盘边缘经集束三角区集束成为较细的湿纤维束，再经过烘干装置，形成干纤维束，最终卷绕到卷绕罗拉上形成初生纳米纤维束。在集束过程中由于外力与纤维间相互作用力的共同作用，纳米纤维束中的纤维定向度与伸展度提高。
一种高强度纳米纤维束的制备方法，其采用静电纺丝法，将聚合物溶液制备成纳米纤维沉积在配置有两个平行的电极板的浴液中，沉积在浴液中的纳米纤维经集束、卷绕得到高强度纳米纤维束。具体地，高强度纳米纤维束的制备方法包括以下步骤：
(1)纺丝液的制备
将聚酰胺6(PA6)颗粒溶解在质量分数为88％的甲酸中，在室温下经磁力搅拌至聚酰胺6颗粒完全溶解，配制成质量分数为25％的聚酰胺6纺丝液。
(2)浴液的制备
将平平加O溶解在去离子水中，在室温下经磁力搅拌至表面活性剂完全溶解，配置成质量分数为0.5％的平平加O浴液。
(3)纳米纤维束的制备
在流量泵16的作用下，纺丝液被均匀地分配至喷头(喷头数为15)内；喷头连接高压电源15的正极，电极板连接高压电源的负极，并放置于浴液中，使得平行电极板的上表面略低于浴液表面，在它们形成的高压电场作用下，纺丝液从各喷丝头喷出并形成大量的纳米纤维沉积在浴液表面，经过集束、烘干、卷绕，最终形成连续的纳米纤维束。
所施加电压为26kV；流量为1.5mL/h；喷丝头尖端与溶液表面的垂直距离为60mm；浴液直径250mm，高度10mm；烘干装置的长度为200mm，温度为350℃；卷绕罗拉的线速度为588m/h。使用铜片作为辅助电极，铜片厚度为0.1mm；铜片高度为20mm；辅助电极尺寸为60mm*100mm，辅助电极下边缘据喷头的针尖10mm。平行极板的材质为铜板，长度为200mm，高9.95mm，宽10mm，间距10mm。
本实施例的高强度纳米纤维束的制备方法，浴液中的平行电极板使得纳米纤维沉积在浴液中时呈现高定向状态，因此经过水浴集束后，纳米纤维呈现高定向度与伸展度，从而使其强度利用率提高，纳米纤维束的力学强度也随之增强。
采用相同的工艺和参数制备不带平行电极板的纳米纤维束对比样，两者的定向度和强度如表1。
表1纳米纤维束的结构和力学性能
纤维束中纤维定向度/％ 强度/MPa
高强度纳米纤维束 97.62 102.45
对比样 82.87 32.67
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实施例的精神或基本特征的情况下，本领域技术人员能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实施例的保护范围由所附权利要求而不是上述说明限定。
此外，以上仅是本实施例的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本实施例的保护范围。同时，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种高强度纳米纤维束的制备装置，包括注射器、设于所述注射器输出端并与其连通的喷头，其特征在于：所述喷头的下方还设置有水浴盘，水浴盘包括用于存储液体的储液槽、设置于储液槽内并且平行设置的两个电极板。
2.根据权利要求1所述的高强度纳米纤维束的制备装置，其特征在于：所述喷头的数目至少为两个。
3.根据权利要求2所述的高强度纳米纤维束的制备装置，其特征在于：多个喷头的外侧设置有环状的辅助电极。
4.根据权利要求3所述的高强度纳米纤维束的制备装置，其特征在于：还包括纺丝板，所述喷头设置于纺丝板上。
5.根据权利要求1所述的高强度纳米纤维束的制备装置，其特征在于：所述水浴盘的输出端设有传导方向与所述电极板垂直的导纱辊。
6.根据权利要求5所述的高强度纳米纤维束的制备装置，其特征在于：还包括烘干装置，所述烘干装置包括装置本体、设置于装置本体表面的烘干槽。
7.根据权利要求6所述的高强度纳米纤维束的制备装置，其特征在于：还包括横移排纱装置，所述横移排纱装置包括横移台、驱动所述横移台沿与电极板平行方向移动的横移驱动装置。
8.根据权利要求7所述的高强度纳米纤维束的制备装置，其特征在于：所述横移驱动装置包括与所述横移台连接的齿条、与所述齿条连接的驱动电机。
9.根据权利要求8所述的高强度纳米纤维束的制备装置，其特征在于：还包括用于卷绕高强度纳米纤维束的纺丝卷绕机。
10.一种高强度纳米纤维束的制备方法，其特征在于：采用静电纺丝法，将聚合物溶液制备成纳米纤维沉积在配置有两个平行的电极板的浴液中，沉积在浴液中的纳米纤维经集束、卷绕得到高强度纳米纤维束。
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