CN102206883A

CN102206883A - 一种蓬松状超细纤维的制备方法

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Publication number: CN102206883A
Application number: CN 201110148439
Authority: CN
Inventors: 王应德; 王兵
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2011-06-03
Filing date: 2011-06-03
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2031-06-03
Also published as: CN102206883B

Abstract

一种蓬松状超细纤维的制备方法。包括（1）先驱体的预处理；（2）纺丝液的配制；（3）静电纺丝；（4）空气预氧化；（5）高温烧成；所述步骤（3）中的静电纺丝是采用单针头静电纺丝机或多针头静电纺丝机进行纺丝；其收丝接收器是多柱状接收器或去盖长方体接收器；所得超细纤维的蓬松度为10^-4~10^-1g/cm。本发明通过设计接收器的空间结构、外观形状、孔洞和附加物的空间排列方式使制备的纤维蓬松化；并实现了对蓬松纤维的集中收集。这种蓬松状纤维能较大幅度的提高气凝胶等复合材料的力学性能和隔热效果，是一种理想的增强体；单独作为隔热材料时，可以用较少的蓬松碳纤维均匀分布于隔热层中，达到轻质隔热的效果；在隔热材料领域具有广阔的应用前景。

Description

一种蓬松状超细纤维的制备方法

技术领域

本发明涉及材料领域；具体是一种蓬松状超细纤维的制备方法。

背景技术

超细纤维超大的比表面积和亚微米/纳米级直径，使其具有许多特殊的性能，例如耐高温、热导率低、导电性好等，因此，被广泛用于航天、军事、体育、医学等领域。特别是在隔热材料领域，利用超细纤维作为增强体制备的隔热复合材料，如超细纤维增强气凝胶复合材料，力学性能和隔热性能均得到了较大幅度提高。超细纤维的制备方法很多，以制备超细碳纤维为例，主要有基体法、喷淋法、气相生长法和静电纺丝法。现有利用静电纺丝法制备超细纤维，一般是将针头与高压电源正极连接，接收器与电源负极或者大地连接。现有接收器类型较多，例如锥形盘、旋转框架、铜线框转鼓、平行排列次电极、平行放置的不锈钢圆环和凝固浴等等。但制备的纤维都是以纤维束、织物、纱、毡、席、带、纸等形态存在，很难将纤维均匀的分布在树脂、金属、陶瓷等各种基体中；若单独用超细纤维毡作为隔热材料，又必须使用大量的超细纤维来填充隔热层，使部件整体质量大大增加，提高了固体热导率，而且不能均匀分布在隔热层中，局部纤维含量偏高，使隔热性能降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种蓬松状超细纤维的制备方法。以实现制备的纤维直径达到亚微米/纳米水平，纤维外形蓬松，能均匀分布在树脂、金属、陶瓷等各种基体或者隔热层中，从而达到降低材料用量和提高隔热效果的双重效果；且工艺过程简单，生产周期较短，便于实现扩大化生产。

本发明的蓬松状超细纤维的制备方法，包括以下步骤：

（1）先驱体的预处理；（2）纺丝液的配制；（3）静电纺丝；（4）空气预氧化；（5）高温烧成；所述步骤（3）中的静电纺丝的条件是采用单针头静电纺丝机或多针头静电纺丝机进行纺丝；静电纺丝的收丝接收器是多柱状接收器或去盖长方体接收器；所得超细纤维的蓬松度为10^-4~10^-1g/cm。

所述多柱状接收器是10~100个柱长为1~15cm的非导体长柱和短柱交互排列固定在铝箔或其他导体上；相邻柱子的距离为1~10cm。

所述长柱和短柱的的形状是长方体、圆柱体或锥体。

所述去盖长方体型接收器是由导体或者非导体制作成去盖的长方体；所述由导体制作的去盖长方体可直接使用；所述非导体制作的去盖长方体是在其底部粘贴有导电片；在导电片底部开有1~1000个直径为0.1~10mm的小孔，在其1~1000个孔内放置有尖端导体，尖端导体与导电片之间用导线连接。

所述小孔的数量和小孔的直径可根据不同型号接收器而不同。

所述非导体是纸制品、木村或塑料制品。

所述导电片为金属材料；所述尖端导体为带有尖端的金属材料；所述金属材料是铁、铜、铝或其合金。

所述静电纺丝时是是针头与负极连接，正极连接接收器；或针头与正极连接，负极连接接收器。

本发明通过设计接收器的空间结构、外观形状、孔洞和附加物的空间排列方式使制备的纤维蓬松化；能制备出蓬松度为10^-4~10^-1g/cm的超细纤维；又通过改变普通静电纺丝法中电极与喷丝针头和接收器的连接方式，成功解决蓬松纤维在静电纺丝时四处分散的技术问题，实现了对蓬松纤维的集中收集。这种蓬松状纤维与其他形态的纤维相比，具有所需原料少，从而能较大幅度的提高气凝胶等复合材料的隔热效果；单独作为隔热材料时，可以用较少的蓬松碳纤维均匀分布于隔热层中，达到轻质隔热的效果。因而在隔热材料领域具有广阔的应用前景；又采用单/多针头静电纺丝法，工艺简单，生产周期短，便于批量生产。

附图说明

图1为实施例1中去盖长方体型接收器结构示意图：

图中A为长方体整体图；B为长方体俯视图；C为长方体仰视图；

图2为实施例2中多柱状接收器示意图；

图3为实施例2中多针头静电纺丝和电极连接方法示意图；

图4为实施例2中得到的蓬松聚丙烯腈原纤维普通光学照片；

图5为实施例2中得到的蓬松碳纤维的扫描电镜照片。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1.

本实施例中，静电纺丝方式为单针头静电纺丝，所使用的接收器为去盖长方体接收器。电极连接方式是将高压正极连接接收器，负极连接喷丝针头。

本实施例的去盖长方体接收器是这样制作的：

参照图1：由硬纸壳制作成非导体去盖长方体(a)；在其底部4粘贴有导电片5，导电片为铁片；在铁片底部凿10~100个的小孔1，孔的直径为0.1~10mm；选择其中5个孔放置有尖端的导体2，尖端导体为铁钉，孔洞排列方式如图1(b)。尖端导体与导电片之间用导线3连接。

具体工艺的步骤如下：

（1）先驱体的预处理：将聚丙烯腈置于50℃的恒温干燥箱中10h；

所述聚丙烯腈M_w=90000；

（2）配制纺丝溶液：将聚丙烯腈粉末加入到DMF中，加热到40℃，搅拌使聚丙烯腈完全溶解，聚丙烯腈粉末与DMF质量比为17:100，使用前超声脱泡30min；

（3）静电纺丝：

纺丝条件是：针头内径为0.8mm的钢制针头进行单针头纺丝，电压为15kV，接收距离为10cm，采用去盖长方体接收器收丝，制得蓬松的聚丙烯腈原纤维；

（4）空气预氧化：将上述原纤维置于预氧化炉中，在流动的空气气氛中按照1℃/min的速率升温，并在260℃保温1h，冷却至室温后得到不熔化的聚丙烯腈纤维；

（5）高温烧成：将上述不熔化纤维置于氮气气体保护下的高温炉中，以1℃/min的速率升温至1200℃，并保温1h，得到蓬松的纳米碳纤维。

所述蓬松状聚丙烯腈原纤维纤维蓬松且均匀分散，其蓬松度为1.08×10^-3g/cm³。

实施例2.

参照图2和图3：

本实施例中采用多针头静电纺丝，使用的接收器是多柱状接收器。电极连接方式为将高压正极与喷丝针头连接，负极与接收器连接。

所述多柱状接收器是将20~50个由聚氨酯泡沫切割成长短不等的1~15cm的长方体柱子6无序的固定在68×58cm的铝箔7上，再将铝箔固定在多针头静电纺丝机的旋转圆筒12上。静电纺丝时，将装好纺丝液的注射器9固定在绝缘板8上，纺丝液由针头10喷出，在高压电场力作用下形成射流11，最后，制备的原纤维收集在多柱状接收器上。

具体工艺的步骤同实施例1，不同的是：

配制纺丝溶液时，聚丙烯腈与DMF的质量之比为17:100；静电纺丝时，施加电压为23kV，接收距离为15cm，供料速率为0.0015mm/s，采用多柱状接收器收丝；空气预氧化时，保温温度为280℃；高温烧成时，保温温度为1000℃。

所述蓬松聚丙烯腈原纤维的普通光学照片如图5所示，其蓬松度为6.37×10^-2g/cm³。

蓬松状碳纤维的扫描电镜照片如图6所示。从图6可以看出，纤维呈无序状态，平均直径约500nm。

实施例3：

本实施例中采用单针头静电纺丝，用去盖长方体接收器收丝。电极连接方式同实施例1。

所述去盖长方体是采用导体制作，长方体底部未粘贴导电片。

所述导体为铁丝网，铁丝直径0.1~0.3mm；网孔为正方形，边长为2mm。

具体实验步骤同实施例1，不同的是静电纺丝时，所用针头内径为1.5mm，所用电压为25kV；空气预氧化时，升温速率为5℃/min。

实施例4：

本实施例中采用单针头静电纺丝，所用接收器和电极连接方式与实施例1相同。

（1）配制纺丝溶液：在搅拌下将聚碳硅烷粉末加入到二甲苯中，搅拌使聚碳硅烷完全溶解，溶液的浓度为1.4g/mL，在使用前超声脱泡30min。

（2）静电纺丝：纺丝条件是：温度20℃，针头内径为1.5mm，电压为25kV，接收距离为20cm，供料速率为30μl/min，采用去盖长方体收丝，制得蓬松的聚碳硅烷原纤维；

（3）空气预氧化：将上述原纤维置于氧化炉中，在流动的空气气氛中按照1℃/min的速率升温，至180℃保温2h，再以0.5℃/min的速率升温至210℃，并保温1h，冷却至室温后得到不熔化的聚碳硅烷纤维；

（4）高温烧成：将上述不熔化纤维置于惰性气体保护下的高温炉中，以5℃/min的速率升温至1000℃，并保温1h，得到蓬松的碳化硅纤维。

Claims

1.一种蓬松状超细纤维的制备方法，其特征在于，包括（1）先驱体的预处理；（2）纺丝液的配制；（3）静电纺丝；（4）空气预氧化；（5）高温烧成；其特征在于，所述第（3）步的静电纺丝是采用单针头或多针头静电纺丝机进行纺丝；其静电纺丝的收丝接收器是多柱状接收器或去盖长方体接收器；所得超细纤维的蓬松度为10^-4～10^-1g/cm。

2.根据权利要求1所述的一种蓬松状超细纤维的制备方法，其特征在于，所述多柱状接收器是10～100个柱长为1～15cm的非导体长柱和短柱交互排列固定在铝箔或其他导体上；相邻柱子的距离为1～10cm。

3.根据权利要求2所述的一种蓬松状超细纤维的制备方法，其特征在于，所述长柱和短柱的的形状是长方体、圆柱体或锥体。

4.根据权利要求1所述的一种蓬松状超细纤维的制备方法，其特征在于，所述去盖长方体接收器是由导体或者非导体制作成去盖长方体；所述由导体制作的去盖长方体是直接使用；所述非导体制作的去盖长方体是在其底部粘贴有导电片；在导电片上开有1～1000个直径为0.1～10mm的小孔，在孔内放置有尖端导体，尖端导体与导电片之间用导线连接。

5.根据权利要求4所述的一种蓬松状超细纤维的制备方法，其特征在于，所述非导体是纸制品、木村或塑料制品；所述导电片为金属材料；所述尖端导体为带有尖端的金属材料；所述金属材料是铁、铜、铝或其合金。

6.根据权利要求1所述的一种蓬松状超细纤维的制备方法，其特征在于，所述静电纺丝是针头与负极连接，正极连接接收器。

7.根据权利要求1所述的一种蓬松状超细纤维的制备方法，其特征在于，所述静电纺丝是针头与正极连接，负极连接接收器。