CN102277688A

CN102277688A - 一种纳米纤维复合透光材料的制备方法及装置

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Publication number: CN102277688A
Application number: CN2011101649415A
Authority: CN
Inventors: 张彦中; 袁卉华; 贺斌; 李碧云; 冯蓓
Original assignee: Donghua University
Current assignee: Donghua University
Priority date: 2011-06-17
Filing date: 2011-06-17
Publication date: 2011-12-14

Abstract

本发明涉及一种纳米纤维复合透光材料的制备方法及装置，包括：(1)分别配制PA-6纺丝液和PMMA纺丝液，采用均匀混纺装置进行纺丝得复合纳米纤维毡；(2)将上述复合纳米纤维毡叠放在模具内进行加热加压，保温、保压20～60min取下模具，待室温下完全冷却后，即得。装置包括接收滚筒(1)、喷丝头(2)、微量注射泵(3)和高压电源(4)。本发明工艺简单，成本低，操作简便；制备的复合透光材料中含有直径小于400nm的纳米纤维增强材料，不仅原有的透光性不受干扰，而且拉伸力学性能可以得到显著增强，因而非常适合于那些对轻质、力学性能等有较高要求的场合应用。

Description

一种纳米纤维复合透光材料的制备方法及装置

技术领域

本发明属于复合透光材料的制备领域，特别涉及一种纳米纤维复合透光材料的制备方法及装置。

背景技术

有机玻璃(如聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA)因其透光性优异、可加工性能好、不易破碎、重量轻而在车窗、面罩、眼镜片、飞机窗盖等众多领域得到广泛应用，但其机械性能尤其力学强度和冲击韧性较低。据美国联邦航空管理部门统计，在1990年至2002年期间美国仅商业飞机上的有机玻璃窗就与飞鸟等物体发生了7,212次相撞事故，其中造成严重损失的有449例。因此，进一步提高有机玻璃的力学性能具有十分重要的现实意义。

采用静电纺丝技术制备纳米纤维来增强有机透光材料是近年来采用的一种新的改进力学的研究方法。Bergshoef和Vancso首次尝试了应用静电纺丝获得的纳米纤维为增强体，制备复合透光材料[Bergshoef M.M.，Vancso G.J.，Transparent nanocomposites with ultrathin，electrospun Nylon-4，6 fiber reinforcement，Adv.Mater.，1999，11(16)：1362-1365.]。他们将直径为50～200nm的尼龙(Nylon)纤维无纺布与透明的环氧基体复合，所得到的薄膜不仅透光，而且拉伸模量与拉伸强度都得到显著提高。Krauthauser等人[Krauthauser C.，Deitzel J.M.，Wetzel E.D.，O′Brien D.ACS Polymer Reprints 2003，44(2)，p.110]提出将增强材料做成连续纳米纤维，再与透光聚合物树脂基体复合，以期使其力学性能得到增强。虽然采用纳米增强纤维-理论上当单根纤维直径小于可见光的衍射极限(约400纳米)时-不会影响透光聚合物树脂基体材料的光学性能，但是如果纳米纤维在透光基体材料中不能很好的分散，必然会影响到材料复合后的透光性能。目前文献中报道的制备透光复合材料的方法均属于先制备纳米纤维膜然后再复合的方法，这使得增强纳米纤维在基体组分中的均匀分散效果不够理想。陈卢松等人[陈卢松，黄争鸣，董国华等.PMMA透光复合材料的制备[J].航空材料学报，2008，28(1)：59-63.]利用同轴共纺技术制备出PMMA/PA-6壳-芯结构的复合纤维能较好的改善增强纳米纤维的分散性，之后经过热压制备的PA-6增强透光复合材料，在提升复合材料的拉伸、弯曲强度的同时，对复合材料的透光性能影响较小。但是同轴共纺制备的纳米纤维增强透明复合材料仍存在着一些不足：(1)同轴静电纺丝涉及的各种参数比较复杂，工艺不稳定，制备出的纤维并非所有都是壳-芯结构；(2)复合材料中增强纤维的含量低，材料力学性能提高效果不显著，若增加增强体材料含量则要提高芯层材料纺丝时的供给速率，从而导致增强体纤维的直径大于可见光的低端极限波长，最终影响复合材料的透光性；(3)增强体纤维-基体界面的性能不能改变。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种纳米纤维复合透光材料的制备方法及装置，该方法工艺简单，成本低，操作简便；制备的复合透光材料中含有直径小于400nm的纳米纤维增强材料，不仅原有的透光性不受干扰，而且拉伸力学性能可以得到显著增强。

本发明的一种纳米纤维复合透光材料的制备方法，包括：

(1)分别配制聚酰胺(PA-6)纺丝液和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)纺丝液，采用均匀混纺装置进行纺丝得复合纳米纤维毡；

(2)模具在压机上预热30～60min后，将上述复合纳米纤维毡叠放在模具内进行加热加压，保温、保压20～60min取下模具，待室温下完全冷却后，即得。

所述步骤(1)中的聚酰胺纺丝液质量百分比浓度为8％～15％，聚甲基丙烯酸甲酯纺丝液质量百分比浓度为20％～30％。

所述步骤(1)中的纺丝具体工艺条件为电压1～100kV，电场接收距离0.02～1m，喷丝头直径1μm～2mm，纺丝原液供给速率0.1～20mL/h，滚筒转速1～10000rpm，环境温度20～60℃，环境相对湿度20％～80％。

所述步骤(2)中的加热加压具体工艺条件为加热温度185～195℃，加压步骤为点触加压至0.3～0.5MPa保持10～30min；压力下降为0，继续点触加压至1～1.5MPa；间隔10～30min后加压至2～3.5MPa。

本发明的一种纳米纤维复合透光材料的均匀混纺装置，包括接收滚筒、喷丝头、微量注射泵和高压电源，接收滚筒在左右两侧分别设置喷丝头，通过微量注射泵控制纺丝原液供给速率，在左右两侧喷丝头与接收滚筒之间通过高压电源施加电压，喷丝头与接收滚筒之间形成稳定的射流，往复移动左侧喷丝头收集复合纳米纤维毡。

上述PA-6作为增强纤维材料和PMMA作为透光基体材料。

本发明将利用均匀混纺技术，即将增强材料和基体材料同步电纺形成混纺纳米纤维毡，然后通过热压成形得到均匀分散的增强透明复合材料，使之既具有光学性能又有良好的力学性能，其特点有如下几点：

(1)所述均匀混纺的增强体纤维在基体纤维中均匀分散，这将对复合材料透光性与力学性能的不利影响降到最低。

(2)增强纤维的含量可随意调节。在不影响复合材料透光性能的前提下，提高增强纤维在基体材料中的含量有利于复合材料的力学性能的提高。

(3)增强体纤维与基体之间的界面作用力可以通过物理或化学处理方法予以改进。即通过界面改性，提高增强体纤维与基体纤维之间的界面相容性，从而在显著提高复合材料的力学性能的同时又不影响其透光性。

有益效果

本发明工艺简单，成本低，操作简便；制备的复合透光材料中含有直径小于400nm的纳米纤维增强材料，由于增强体纳米纤维的直径小于可见光的衍射极限，不仅原有的透光性不受干扰，而且拉伸力学性能可以得到显著增强，因而非常适合于那些对轻质、力学性能等有较高要求的场合应用，比如，战斗机的前罩、摩托车头盔上的眼罩、各种镜片等。

附图说明

图1为均匀混纺装置示意图；

图2为均匀混纺所得复合纳米纤维毡扫描电镜图；

图3为热压成型模具图；

图4为热压成型复合透光材料拉伸力学性能随PA-6含量变化图；

图5为热压成型复合透光材料在600nm波长透光率随PA-6含量变化图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例l

用电子分析天平称取0.8g PA-6和4g PMMA分别溶于10g和16g的三氟乙醇中，搅拌24h至完全溶解，分别得到浓度为8％(溶质克/溶剂克)的PA-6增强纤维材料纺丝液和25％(溶质克/溶剂克)的PMMA透光基体材料纺丝液。

如图1所示为均匀混纺装置示意图，在接收滚筒1左右两侧设置喷丝头2，通过微量注射泵3分别控制纺丝透光基体材料、增强材料原液的供给速率，在两侧喷丝头2与接收滚筒1之间通过高压电源4施加电压，喷丝头2与接收滚筒1之间形成稳定的射流，往复移动左侧增强材料喷丝头2收集混纺纳米纤维毡。均匀混纺的条件如下：透光基体材料电压为18kV，电场或接收距离为10cm，喷丝头直径为1.2mm，PMMA纺丝原液供给速率为4mL/h；增强材料电压为19kV，电场接收距离为12cm，喷丝头直径为1.2mm，PA-6纺丝原液供给速率为0.1mL/h；滚筒收集装置转速为500rpm，环境温度为25℃，环境相对湿度为40％。如图2所示，为均匀混纺所得复合纳米纤维毡扫描电镜图。结果显示增强纤维均匀分布在透光基体材料纤维中，纤维平均直径在400nm以下。如图3所示，为热压成型模具图。热压成型的条件如下：热压温度为185℃，模具在压机上预热30min，0.3MPa点触加压40min，压力下降为0，继续点触加压至1MPa；间隔15min后加压至2.5MPa，保压20min，室温下完全冷却后开模取件。用万能材料试验机对复合透光材料进行拉伸力学性能测试，复合透光材料的平均拉伸强度在37.78MPa左右，相比纯的PMMA透明材料的拉伸强度提高了48％。用紫外可见分光光度计对复合透光材料进行透光率进行测试，在600nm波长下相对纯的PMMA透明材料下降了仅3.35％。

实施例2

用电子分析天平称取3g PA-6和3g PMMA分别溶于20g和10g的三氟乙醇中，搅拌24h至完全溶解，分别得到浓度为15％(溶质克/溶剂克)的PA-6增强纤维材料纺丝液和30％(溶质克/溶剂克)的PMMA透光基体材料纺丝液。

均匀混纺的条件如下：透光基体材料电压为1kV，电场或接收距离为2cm，喷丝头直径为1μm，纺丝原液供给速率为0.1mL/h；增强材料电压为20kV，电场或接收距离为4cm，喷丝头直径为1.2μm，PA-6纺丝原液供给速率为0.2mL/h；滚筒收集装置转速为1rpm，环境温度为20℃，环境相对湿度为20％。热压成型的条件如下：热压温度为190℃，模具在压机上预热40min，1MPa点触加压40min，0.3MPa点触加压10min，压力下降为0，继续点触加压至1.5MPa；间隔10min后加压至3MPa，保压60min，室温下完全冷却后开模取件。用万能材料试验机对复合透光材料进行拉伸力学性能测试，复合透光材料的平均拉伸强度在46.29MPa左右，相比纯的PMMA透明材料的拉伸强度提高了82％。用紫外可见分光光度计对复合透光材料进行透光率进行测试，在600nm波长下相对纯的PMMA透明材料下降了4.89％。

实施例3

用电子分析天平称取1g PA-6和3g PMMA分别溶于10g和10g的三氟乙醇中，搅拌24h至完全溶解，分别得到浓度为10％(溶质克/溶剂克)的PA-6增强纤维材料纺丝液和30％(溶质克/溶剂克)的PMMA透光基体材料纺丝液。

均匀混纺的条件如下：透光基体材料电压为100kV，电场或接收距离为50cm，喷丝头直径为0.1mm，纺丝原液供给速率为20mL/h；增强材料电压为80kV，电场或接收距离为60cm，喷丝头直径为0.2mm，PA-6纺丝原液供给速率为18mL/h；滚筒收集装置转速为10000rpm，环境温度为60℃，环境相对湿度为80％。热压成型的条件如下：热压温度为185℃，模具在压机上预热60min，0.5MPa点触加压20min，压力下降为0，继续点触加压至1.3MPa；间隔30min后加压至3.5MPa，保压40min，室温下完全冷却。用万能材料试验机对复合透光材料进行拉伸力学性能测试，复合透光材料的平均拉伸强度在50.33MPa左右，相比纯的PMMA透明材料的拉伸强度提高了98％。用紫外可见分光光度计对复合透光材料进行透光率进行测试，在600nm波长下相对纯的PMMA透明材料下降了29.38％。

实施例4

用电子分析天平称取1.2g PA-6和2g PMMA分别溶于10g和10g的三氟乙醇中，搅拌24h至完全溶解，分别得到浓度为12％(溶质克/溶剂克)的PA-6增强纤维材料纺丝液和20％(溶质克/溶剂克)的PMMA透光基体材料纺丝液。

均匀混纺的条件如下：透光基体材料电压为33kV，电场或接收距离为100cm，喷丝头直径为2mm，纺丝原液供给速率为8mL/h；增强材料电压为38kV，电场或接收距离为90cm，喷丝头直径为2mm，PA-6纺丝原液供给速率为6mL/h；滚筒收集装置转速为8000rpm，环境温度为40℃，环境相对湿度为30％。热压成型的条件如下：热压温度为195℃，模具在压机上预热40min，3.5MPa点触加压20min，压力下降为0，继续点触加压至1.5MPa；间隔25min后加压至2MPa，保压30min，室温下完全冷却。万能材料试验机对复合透光材料进行拉伸力学性能测试，复合透光材料的平均拉伸强度在51.59MPa左右。如图4为热压成型复合透光材料力学性能随PA-6含量变化图，结果显示复合透光材料力学性能随PA-6含量增加而增加。用紫外可见分光光度计对复合透光材料进行透光率测试，在600nm波长下透光率为14.9％。相对纯的PMMA透明材料下降了很多。如图5为热压成型复合透光材料透光随PA-6含量变化图，结果显示复合透光材料透光性能随PA-6含量增加而降低。在PA-6含量不高于5％时透光性能基本不变，力学性能则得到显著提高。

Claims

1.一种纳米纤维复合透光材料的制备方法，包括：

(1)分别配制聚酰胺纺丝液和聚甲基丙烯酸甲酯纺丝液，采用均匀混纺装置进行纺丝得复合纳米纤维毡；

2.根据权利要求1所述的一种纳米纤维复合透光材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的聚酰胺纺丝液质量百分比浓度为8％～15％，聚甲基丙烯酸甲酯纺丝液质量百分比浓度为20％～30％。

3.根据权利要求1所述的一种纳米纤维复合透光材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的纺丝具体工艺条件为电压1～100kV，电场接收距离0.02～1m，喷丝头直径1μm～2mm，纺丝原液供给速率0.1～20mL/h，滚筒转速1～10000rpm，环境温度20～60℃，环境相对湿度20％～80％。

4.根据权利要求1所述的一种纳米纤维复合透光材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的加热加压具体工艺条件为加热温度185～195℃，加压步骤为点触加压至0.3～0.5MPa保持10～30min；压力下降为0，继续点触加压至1～1.5MPa；间隔10～30min后加压至2～3.5MPa。

5.一种纳米纤维复合透光材料的均匀混纺装置，包括接收滚筒(1)、喷丝头(2)、微量注射泵(3)和高压电源(4)，其特征在于：接收滚筒(1)在左右两侧分别设置喷丝头(2)，通过微量注射泵(3)控制纺丝原液供给速率，在左右两侧喷丝头(2)与接收滚筒(1)之间通过高压电源(4)施加电压，喷丝头(2)与接收滚筒(1)之间形成稳定的射流，往复移动左侧喷丝头(2)收集复合纳米纤维毡。