CN102560713B - 电解质溶液环流高压静电纺丝制备聚丙烯腈纳米纤维的方法 - Google Patents

电解质溶液环流高压静电纺丝制备聚丙烯腈纳米纤维的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN102560713B
CN102560713B CN201110350659.6A CN201110350659A CN102560713B CN 102560713 B CN102560713 B CN 102560713B CN 201110350659 A CN201110350659 A CN 201110350659A CN 102560713 B CN102560713 B CN 102560713B
Authority
CN
China
Prior art keywords
spinning
fiber
electrolyte
electrolyte solution
solution
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201110350659.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102560713A (zh
Inventor
余灯广
杨俊和
王霞
杨光智
秦宏敏
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Shanghai for Science and Technology
Original Assignee
University of Shanghai for Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Shanghai for Science and Technology filed Critical University of Shanghai for Science and Technology
Priority to CN201110350659.6A priority Critical patent/CN102560713B/zh
Publication of CN102560713A publication Critical patent/CN102560713A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102560713B publication Critical patent/CN102560713B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Spinning Methods And Devices For Manufacturing Artificial Fibers (AREA)
  • Artificial Filaments (AREA)

Abstract

本发明涉及一种电解质溶液环流高压静电纺丝制备聚丙烯腈纳米纤维的方法，是在一种电纺同轴纺丝头装置上进行，其特点是：采用同轴纺丝头进行电纺，同轴电纺的外鞘液为高电导率电解质溶液的N,N-二甲基乙酰胺溶液，芯液为聚丙烯腈纺丝溶液；通过两个单通道轴流注射泵对环流电解质溶液与聚丙烯腈纺丝液的流量分别进行调控；采用铝箔平板接收纳米纤维。所述的电解质为溶解于N,N-二甲基乙酰胺的无机盐，电解质在N,N-二甲基乙酰胺中的含量为1％～6％w/v。本发明方法制备工艺简单，制备出的聚丙烯腈纳米纤维不仅直径小、分布均匀，而且直径离散度低、纤维表面光滑。

Description

电解质溶液环流高压静电纺丝制备聚丙烯腈纳米纤维的方法
技术领域
本发明涉及一种电解质溶液环流高压静电纺丝制备聚丙烯腈纳米纤维的方法，属于聚合物超细纤维制备技术领域。
背景技术
聚丙烯腈(PAN)纳米纤维在生物医学、高吸水树脂、催化剂载体、离子交换树脂、污染控制、抗菌消臭、固体高聚物、电解质及过滤与分离等方面有着广泛的应用。并且以聚丙烯腈PAN原丝为原料，经氧化稳定化、碳化、石墨化和后可以制得PAN基碳纤维。因其含碳量在90％以上且具有类似微晶化的多环芳香族的结构特征，使它成为一种耐热性好、质量轻、抗拉强度高和杨氏模量高的高性能纤维，但是碳纤维性能主要决定于PAN原丝品质的高低。目前文献上普遍采用高压静电纺丝技术制备PAN纳米纤维。
高压静电纺丝技术是一种自上而下(top-down)的纳米制造技术，通过外加电场力克服喷头尖端液滴的液体表面张力和粘弹力而形成射流，在静电斥力、库仑力和表面张力共同作用下，被雾化后的液体射流被高频弯曲、拉延、分裂，在几十毫秒内被牵伸千万倍，经溶剂挥发或熔体冷却在接收端得到纳米级纤维。该技术工艺过程简单、操控方便、选择材料范围广泛、可控性强、并且可以通过喷头设计制备具有微观结构特征的纳米纤维，被认为是最有可能实现连续纳米纤维工业化生产的一种方法，应用该技术制备功能纳米纤维具有良好的前景。但是到目前为止，几乎所有的文献报道的纺工艺都是在大气环境下进行纳米纤维制备。由于聚合物纺丝液的溶剂在大气中的快速挥发，常常造成纺丝头堵塞，中断纺丝过程、并影响聚合物纳米纤维的质量。对于该问题的解决，已有文献和专利报道采用溶剂环流方法。通过高弹性硅胶管导流有机溶剂对纺丝头进行环流【(1)DG Yu,C Branford-White,NP Chatterton,K White,LM Zhu,XX Shen,W Nie.Electrospinning of concentrated polymer solutions.Macromolecules,2010,43(24):10743-10746.(2)朱利民,余灯广,黄丽娅.溶剂环流高压静电纺丝工艺制备聚合物纤维的方法.专利申请号:2010110800450690.(3)本发明采用一种特定同轴纺丝头为：朱利民，余灯广，申夏夏，聂伟。一种电纺同轴纺丝头装置，中国专利号：ZL200920212641.8.】,获得一定的效果。虽然对于解决纺丝头堵塞等具有较好的作用，但是由于单纯有机溶剂的导电性非常差，因此对于高质量纳米纤维的成形依然存在不足。
发明内容
本发明公开了一种电解质溶液环流高压静电纺丝制备聚丙烯腈纳米纤维的方法，可以克服现有技术存在的纺丝头易堵塞，中断纺丝过程、所生产的聚合物纳米纤维质量差等弊端。本发明首次将高电导率电解质溶液用于对聚丙烯腈纺丝液进行环流电纺，不仅能够获得直径小、分布均匀的纳米纤维，而且可以获得纤维表面更加光滑、纤维直径分布更加集中的高质量聚丙烯腈纳米纤维。
本发明技术方案是这样实现的：
一种电解质溶液环流高压静电纺丝制备聚丙烯腈纳米纤维的方法，是在一种电纺同轴纺丝头装置上进行，所述装置包括纺纱头套部和纺纱头轴芯部，纺纱头套部为L形管，纺纱头轴芯部穿过纺纱头套部中，并与其管道同轴，其特点是：采用同轴纺丝头进行电纺，同轴电纺的外鞘液为高电导率电解质的N,N-二甲基乙酰胺溶液，芯液为聚丙烯腈纺丝溶液；通过两台单通道轴流注射泵对环流电解质溶液与聚丙烯腈纺丝液的流量分别进行调控；采用铝箔平板接收纳米纤维。
所述的电解质为溶解于N,N-二甲基乙酰胺的无机盐类，所述无机盐类为氯化锂、或氯化钙、或氯化钠。它们具有较高的导电率，能够有效发挥电场力对聚丙烯腈的N,N-二甲基乙酰胺溶液射流的分裂、拉伸作用，制备高质量聚丙烯腈纳米纤维。其中电解质在N,N-二甲基乙酰胺中的含量为1％～6％w/v。
采用两个单通道轴流注射泵控制两种溶液流量，其所述的环流电解质溶液与聚丙烯腈纺丝液的流量比为0.1～1之间。
最佳的所述的电解质在N,N-二甲基乙酰胺中的含量为4％w/v。
本发明采用同轴纺丝头进行电纺；同轴纺丝头源自专利：一种电纺同轴纺丝头装置，中国专利号：ZL200920212641.8，，该装置的设计人为：朱利民，余灯广，申夏夏，聂伟。
本发明方法制备工艺简单，制备出的聚丙烯腈纳米纤维不仅直径小、分布均匀，而且直径离散度低、纤维表面光滑，有效克服了现有技术存在的纺丝头易堵塞，中断纺丝过程、所生产的聚合物纳米纤维质量差等弊端。
附图说明
图1为电解质溶液环流高压静电纺丝装置结构图；
图2为普通PAN电纺纳米纤维毡场扫描电镜图(5,000×)；
图3为普通PAN电纺纳米纤维直径统计分布图；
图4为普通PAN电纺纳米纤维场扫描电镜图(100,000×)；
图5为电解质溶液环流PAN电纺纳米纤维毡场扫描电镜图(5,000×)；
图6为电解质溶液环流PAN电纺纳米纤维直径统计分布图；
图7为电解质溶液环流PAN电纺纳米纤维场扫描电镜图(100,000×)。
1、电解质溶液轴流注射泵；2、PAN溶液轴流注射泵；3、同轴纺丝头；4、纤维接受平板；5、高压电源；6、高弹性硅胶管。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。这些实施例仅用于解释本发明而不是用于限制本发明。凡采用与本发明相同或相似的方法，或做出的等价修改，均应落入本发明保护范围。
电解质溶液环流高压静电纺丝装置结构如图1所示，包括：电解质溶液轴流注射泵1；PAN溶液轴流注射泵2；同轴纺丝头3；纤维接受平板4；高压电源5；高弹性硅胶管6。轴流注射泵1上安装内装电解质溶液的注射器，注射器通过高弹性硅胶管6，联通同轴纺丝头的鞘套；轴流注射泵2上安装内装聚丙烯腈溶液的注射器，注射器联通同轴纺丝头的芯管；高压电源5直接与同轴纺丝头通过鳄鱼钳相连接；通过两台单通道轴流注射泵调控环流聚电解质溶液与聚丙烯腈纺丝液的流量。纤维接受平板4为铝箔板。
实施例1：14％w/v聚丙烯腈(PAN)的单纺
采用削平的不锈钢注射针头(内径0.3mm)作为喷射细流的毛细管,连接高压发生器(ZGF2000型，上海苏特电器有限公司),纺丝液流量由微量注射泵(美国公司)控制，纤维接受平板4采用铝箔平板接收纳米纤维。
将14.0g PAN粉末在常温下分散于100毫升N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)中，然后在50℃恒温摇床中振摇过夜，调配出黄色半透明纺丝液，在大气中进行高压静电纺丝，制备纳米纤维膜。其他工艺条件参数为：流速为1.0mL/h，接收板离喷丝口距离为15cm,电压12kV。环境温度为(23±1)℃，环境湿度为62±4％。
采用场扫描电镜(FESEM)对所制备纤维进行表面喷碳后观察，结果如图2所示；采用ImageJ软件对纤维直径分布进行统计分析，结果如图3所示。所制备的纤维直径为540±280nm，分布比较宽散。进一步放大FESEM观察倍数到100,000倍，纳米纤维表面坑坑洼洼，非常粗糙，结果如图4所示。
实施例2：以4％w/v氯化锂DMAc溶液环流高压静电纺丝制备PAN纤维
以4％w/v氯化锂N,N-二甲基乙酰胺溶液为鞘液，以实施例1中的PAN溶液为芯液，采用同轴纺丝头，通过电解质溶液环流高压静电纺丝制备PAN纤维，并通过两台单通道轴流注射泵控制流量比。
具体工艺条件参数为：鞘/芯液流量比为0.4/2mL/h，接收板离喷丝口距离为15cm,电压12kV。环境温度为(23±1)℃，环境湿度为62±4％。
采用场扫描电镜(FESEM)对实施例3所制备纤维进行表面喷碳后观察，结果如图5所示；采用Image J软件对纤维直径分布进行统计分析，结果如图6所示。所制备的纤维直径为150±30nm，分布比较均匀，直径分布比较集中。进一步放大FESEM观察倍数到100,000倍，纳米纤维表面依然非常光滑，结果如图7所示。
实施例3：以1％w/v氯化锂DMAc溶液环流高压静电纺丝制备PAN纤维
以1％w/v氯化锂N,N-二甲基乙酰胺溶液为鞘液，以实施例1中的PAN溶液为芯液，采用同轴纺丝头，通过电解质溶液环流高压静电纺丝制备PAN纤维，并通过两台单通道轴流注射泵控制流量比，其他条件同实施例2。
实施例4：以6％w/v氯化锂DMAc溶液环流高压静电纺丝制备PAN纤维
以6％w/v氯化锂N,N-二甲基乙酰胺溶液为鞘液，以实施例1中的PAN溶液为芯液，采用同轴纺丝头，通过电解质溶液环流高压静电纺丝制备PAN纤维，并通过两台单通道轴流注射泵控制流量比，其他条件同实施例2。
实施例5：氯化钙DMAc溶液环流高压静电纺丝制备PAN纤维
以6％w/v氯化钙N,N-二甲基乙酰胺溶液为鞘液，以实施例1中的PAN溶液为芯液，采用同轴纺丝头，通过电解质溶液环流高压静电纺丝制备PAN纤维。具体工艺条件参数为：鞘/芯流速比为0.25/1.0mL/h，接收板离喷丝口距离为15cm,电压12kV。环境温度为(23±1)℃，环境湿度为62±4％。
实施例6：:氯化钠DMAc溶液环流高压静电纺丝制备PAN纤维
以5％w/v氯化钠N,N-二甲基乙酰胺溶液为鞘液，以实施例1中的PAN溶液为芯液，采用同轴纺丝头，通过电解质溶液环流高压静电纺丝制备PAN纤维。具体工艺条件参数为：鞘/芯流速比为0.25/1.0mL/h，接收板离喷丝口距离为15cm,电压12kV。环境温度为(23±1)℃，环境湿度为62±4％。

Claims (3)

1.一种电解质溶液环流高压静电纺丝制备聚丙烯腈纳米纤维的方法，是在一种电纺同轴纺丝头装置上进行，所述装置包括纺纱头套部和纺纱头轴芯部，纺纱头套部为L形管，纺纱头轴芯部穿过纺纱头套部中，并与其管道同轴，其特征在于：采用同轴纺丝头进行电纺，同轴电纺的外鞘液为高电导率电解质的N,N-二甲基乙酰胺溶液，芯液为聚丙烯腈纺丝溶液；通过两台单通道轴流注射泵调控环流电解质溶液与聚丙烯腈纺丝液的流速；采用铝箔平板接收纳米纤维；
所述高导电率的电解质为溶解于N,N-二甲基乙酰胺的无机盐类，所述无机盐类为氯化锂、或氯化钙、或氯化钠，电解质在N,N-二甲基乙酰胺中的含量为1％～6％w/v。
2.根据权利要求1所述的电解质溶液环流高压静电纺丝制备聚丙烯腈纳米纤维的方法，其特征在于：采用两台单通道轴流注射泵控制两种溶液流量，其环流电解质溶液与聚丙烯腈纺丝液的流量比为0.1～1之间。
3.根据权利要求1所述的电解质溶液环流高压静电纺丝制备聚丙烯腈纳米纤维的方法，其特征在于：所述的电解质在N,N-二甲基乙酰胺中的含量为4％w/v。
CN201110350659.6A 2011-11-08 2011-11-08 电解质溶液环流高压静电纺丝制备聚丙烯腈纳米纤维的方法 Expired - Fee Related CN102560713B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201110350659.6A CN102560713B (zh) 2011-11-08 2011-11-08 电解质溶液环流高压静电纺丝制备聚丙烯腈纳米纤维的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201110350659.6A CN102560713B (zh) 2011-11-08 2011-11-08 电解质溶液环流高压静电纺丝制备聚丙烯腈纳米纤维的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102560713A CN102560713A (zh) 2012-07-11
CN102560713B true CN102560713B (zh) 2014-08-20

Family

ID=46407253

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201110350659.6A Expired - Fee Related CN102560713B (zh) 2011-11-08 2011-11-08 电解质溶液环流高压静电纺丝制备聚丙烯腈纳米纤维的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN102560713B (zh)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103606689B (zh) * 2013-11-14 2015-08-19 清华大学 氧化改进型静电纺丝制备碳纳米纤维基非贵金属催化剂的方法
CN104032403B (zh) * 2014-06-19 2015-12-30 宜春学院 稀土金属氧化物/聚丙烯腈复合纤维及其制备方法
CN104631101A (zh) * 2015-01-15 2015-05-20 湘潭大学 一种超柔性高导电纳米碳纤维和镍/碳复合纤维膜的制备方法
CN106567193B (zh) * 2016-11-11 2019-06-28 上海理工大学 一种增大电纺蛋白质纳米纤维膜表面积的方法
CN106757414A (zh) * 2016-11-30 2017-05-31 上海理工大学 一种溶剂环流同轴高压静电喷雾方法及装置
CN109295511B (zh) * 2018-09-26 2022-05-31 上海理工大学 可拆卸同轴喷头、电纺装置及芯鞘纳米纤维的制备方法
CN112695437B (zh) * 2020-12-19 2022-11-04 杭州文宇纺织有限公司 一种枕套面料及其加工工艺

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101498057A (zh) * 2009-03-06 2009-08-05 北京化工大学 一种橡胶纳米纤维的制备方法
CN101736419A (zh) * 2009-12-07 2010-06-16 东华大学 采用电纺同轴纺丝头制备芯鞘结构纤维的方法
CN101785760A (zh) * 2010-03-25 2010-07-28 东华大学 一种自组装壳聚糖载药纳米粒及其制备方法
CN101979726A (zh) * 2010-11-08 2011-02-23 东华大学 一种溶剂环流静电纺丝装置
CN201826048U (zh) * 2009-12-07 2011-05-11 东华大学 一种电纺同轴纺丝头装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101498057A (zh) * 2009-03-06 2009-08-05 北京化工大学 一种橡胶纳米纤维的制备方法
CN101736419A (zh) * 2009-12-07 2010-06-16 东华大学 采用电纺同轴纺丝头制备芯鞘结构纤维的方法
CN201826048U (zh) * 2009-12-07 2011-05-11 东华大学 一种电纺同轴纺丝头装置
CN101785760A (zh) * 2010-03-25 2010-07-28 东华大学 一种自组装壳聚糖载药纳米粒及其制备方法
CN101979726A (zh) * 2010-11-08 2011-02-23 东华大学 一种溶剂环流静电纺丝装置

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Deng-Guang Yu等.Electrospinning of Concentrated Polymer Solutions.《Macromolecules》.2010,第43卷(第24期),
Electrospinning of Concentrated Polymer Solutions;Deng-Guang Yu等;《Macromolecules》;20101129;第43卷(第24期);10743-10746 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN102560713A (zh) 2012-07-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102560713B (zh) 电解质溶液环流高压静电纺丝制备聚丙烯腈纳米纤维的方法
Zhuang et al. Solution blowing of submicron-scale cellulose fibers
CN102102233B (zh) 一种聚丙烯腈基纳米碳纤维原丝的制备方法
CN101979726A (zh) 一种溶剂环流静电纺丝装置
CN201520821U (zh) 一种制备空间有序静电纺丝纳米纤维的装置
CN104451911B (zh) 一种静电辅助溶液喷射纺丝装置及纺丝方法
CN102071497B (zh) 一种海藻酸钠纳米纤维的制备方法
CN101736419B (zh) 采用电纺同轴纺丝头制备芯鞘结构纤维的方法
Yousefzadeh et al. A note on the 3D structural design of electrospun nanofibers
CN101805932A (zh) 一种电纺并列纺丝头装置及其方法
Wang et al. Preparation of flexible phenolic resin-based porous carbon fabrics by electrospinning
CN102517670B (zh) 表面活性剂溶液环流同轴电纺制备聚丙烯腈纳米纤维的方法
CN108728916B (zh) 一种适用于离心纺原位复合制备纳米纤维的分体式喷丝器
CN103741243B (zh) 一种含有多孔共价有机骨架化合物的纤维制备方法
CN201826048U (zh) 一种电纺同轴纺丝头装置
CN111020745A (zh) 一种海藻酸钠和壳聚糖复合纳米纤维的制备方法
CN108754639A (zh) 一种纳米纤维的制备方法
CN201738041U (zh) 一种电纺并列纺丝头装置
CN103173879B (zh) 单向排列的静电纺纳米初生长纤维的立式流动水浴收集方法及其装置
CN200999274Y (zh) 多喷头静电纺丝制膜装置
CN104313708A (zh) 高速气流和高压静电生产聚合物纳米纤维的方法及装置
CN102808286B (zh) 一种环氧树脂纳米纤维毡及其制备方法
CN201506861U (zh) 一种新型高效率的静电纺丝喷头
CN103668482B (zh) 一种电场均布的多射流静电纺丝喷头
WO2023185849A1 (zh) 一种纳米纤维纱线及其连续成纱方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20140820

Termination date: 20161108

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee