CN103173879A - 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 - Google Patents

Abstract

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属于静电纺丝领域。装置包括喷丝头和滚筒收集器，水浴槽，水浴槽中的锥形流管装置，下水浴接收槽，带泵的恒温水浴装置，水浴槽与下水浴接收槽之间，通过恒温水浴装置的管道形成一个水流的循环系统。方法为配置一定浓度的聚合物纺丝溶液，聚合物溶液在电场力的驱动下经由喷丝头喷出，形成静电纺射流，在空气中发生弯曲扰动现象，射流中大部分溶剂通过挥发脱除，丝条基本凝固成纤后落到收集浴表面，在向下的水流带动下，纤维向下流动，并进一步沿纤维轴排布。最后纤维通过滚筒收集。本发明制备的静电纺纳米纤维，单向排列程度高，取向度高，单丝间的粘连少。

Description

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

技术领域

本发明涉及静电纺丝的方法及装置，具体涉及到制备一种具有高的单向排列程度，高取向度，单丝间的粘连少的静电纺纳米纤维的方法及装置。

背景技术

静电纺丝作为一种创新的纺丝方法用于制备连续的具有高度形态学和完美结构的亚微米级纤维。静电纺丝得到的纤维的直径一般在十几纳米至数百纳米，静电纺纤维的分子链取向和晶格的重排会表现出优异的力学性能，所以常被用于制备高性能的复合材料，应用于航天航空，防护，和其它工业领域。与传统的方法有着明显的不同，静电纺丝过程中将聚合物溶液或熔体带上几千至几万伏高压静电，带电的聚合物液滴在电场力的作用下被拉伸。当电场力足够大时，聚合物液滴可克服表面张力形成喷射细流。细流在喷射过程中溶剂蒸发后固化，最终落在接收装置上。但是，由于静电纺射流在空气中发生弯曲扰动现象，静电纺射流的运动路径非常复杂，所以最终收集得到的静电纺纳米纤维的单向排列程度均较低，多以无纺布的形式存在。这也是现阶段制约静电纺纳米纤维发展的一大颈瓶。许多研究者都在这方面做了大量的研究，但是均或多或少的存在一些不足。Katta等用铜线制成的线圈滚筒收集装置虽然可以得到大面积的部分取向排列的纤维，但是高度有序排列的纤维聚集体很难得到，而且随着收集时间的延长，纤维的取向越来越差，同时如果旋转速度太快还会导致纤维断裂；Dan等人利用高硅含量的金属板制成的平行板收集装置，所得的纤维取向排列程度有很大提高，排列纤维面积也有很大增加，但是得到的排列纤维的长度受到一定的限制。Theron利用尖端圆盘接受装置同样可以得到高度有序排列的纤维，但是沉积的纤维变厚时得不到高度有序排列的纤维，仅仅用于收集小面积的纤维。上述装置虽然均能够得到一定取向的纳米纤维，但是却不能得到连续的长纤维束，使得后续的牵伸以及热处理过程中的张力控制受到很大的限制。为了得到长纤维，研究者们在收集过程中引入了水浴，Smit利用静态水浴收集可以得到长的纱线，纤维在纱线里面一般具有很好的排列，但是存在的不足是纱线的收集速度比较慢。Wee-EongTeo利用水流漩涡牵引静电纺纤维定向流动，纤维具有一定的取向度，但是由于水浴表面漩涡的存在会造成水流不稳定，水浴表面不平稳，从而导致静电纺电场不稳定，静电纺过程不能够稳定连续的进行。

发明内容

一种制备单向排列的静电纺纳米初生长纤维的立式流动水浴收集装置，包括喷丝筒和滚筒收集器，其特征在于：还包括在喷丝筒的喷丝头下方设置的接地水浴槽，水浴槽中心放置着一个圆锥形的流管装置，圆锥形的流管装置的尖端为直径为5mm±2mm的圆孔，所述的水浴槽下方为下水浴接收槽，下水浴接收槽在其上端有一块承重板用以托起水浴槽，承重板与水浴槽的中心均开有一个与圆锥形的流管装置尖端相同大小的圆孔，承重板的上方空间用以接收水浴槽溢流出的水，在承重板边缘处也开有一个孔，用于水浴槽溢流出的水，流入下水浴接收槽；水浴槽与下水浴接收槽通过恒温水浴装置的管道连接形成一个循环系统；收集滚筒用支架架在下水浴接收槽中心位置处。

本发明装置具有锥形流管和水浴槽。锥形流管装置可以有效提高水流的流速，且水流速度与纤维束同相流动，在这样的流动状态下，纤维束运行阻力小，不易产生断丝，不易堆积粘并。水浴槽表面有部分水溢流，可以保证水浴液面保持平稳，纺丝过程稳定。

锥形流管装置的角度为θ=30°±10°，由流动力学相关知识知：当流管角度θ=30.4°时，流速系数φmax=0.963，流量系数μmax=0.943，此时流管中液体流速最大。为计算和加工方便，将权利要求1所示装置的流管角度θ设为30°±10°。

锥形流管装置尖端的孔的孔径Ф为5 mm±2 mm，锥形流管装置的上表面口径为10 cm~80 cm。

喷丝头的数目可控为1~100，喷丝头的喷丝孔数目为1~100，喷丝孔的孔径为0.5 mm~3 mm。

喷丝头与水浴槽表面的距离为5 cm~30 cm。

应用于制备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：在静电纺丝过程中，配置浓度为8 % wt~35 % wt的聚合物纺丝溶液，将配置的纺丝溶液注入喷丝头中，直流电压10 kV~35 kV通过金属棒传导给溶液，在电场力的作用下，静电纺丝溶液经喷丝孔喷出，在空气中发生弯曲扰动，溶液中大部分溶剂通过挥发脱除，已经基本凝固成型的纤维进入凝固浴，在向下的水流带动下，纤维向下定向流动，再经滚筒收集，滚筒收集的转速为30 r/min~1000 r/min。

所述的聚合物纺丝溶液中的聚合物为聚丙烯腈PAN、聚乙烯醇PVA、聚酰胺、聚氨酯、壳聚糖、聚乳酸、聚偏氟乙烯PVDF、核酸、蛋白质、纤维素或聚乙烯；聚合物纺丝溶液溶剂为水、无水乙醇、N，N-二甲基甲酰胺DMF、二甲基亚砜DMSO、四氢呋喃THF或硫氰酸钠NaSCN。

 本发明制备的静电纺纤维，单向排列程度高，取向度高，单丝间的粘连少。

本发明的效果：在静电纺丝弯曲扰动过程中，纤维中大部分溶剂通过挥发脱除，已经基本凝固成形，在向下的水流的带动下，静电纺纤维间的静电作用被大大削落，能有效减少纤维间的粘并，而且水流对纤维有进一步的牵伸作用，最后纤维通过滚筒收集，能够得到单向排列程度高，取向度高，单丝间粘连少的长纤维束。该方法操作简单，成本低，易于控制。

附图说明

图1 是本发明装置的示意图。

图2是本发明装置的锥形流管立体图。

图3为实施例1的电镜照片。

图4为实施例2的电镜照片。

图5为实施例3的电镜照片。

具体实施方式

如图1 所示，包括有喷丝头1；锥形流管2；水浴槽3；恒温水浴泵4；下水浴接收槽5；滚筒收集装置6。在静电纺丝过程中，配置浓度为8% wt~35 % wt的聚合物纺丝溶液，将配置的纺丝溶液注入喷丝头中，直流电压10~35 kV通过金属棒传导给溶液，在电场力的作用下，静电纺丝溶液经喷丝孔喷出，在空气中发生弯曲扰动，溶液中大部分溶剂通过挥发脱除，已经基本凝固成型的纤维进入凝固浴，在向下的水流带动下，纤维向下定向流动，再经滚筒收集。喷丝头和立式接收器凝固浴表面的距离为5 cm~30 cm，滚筒收集装置的转速为30 r/min~1000 r/min。

本装置可适用于聚丙烯腈PAN、聚乙烯醇PVA、聚酰胺、聚氨酯、壳聚糖、聚乳酸、聚偏氟乙烯PVDF、核酸、蛋白质、纤维素、聚乙烯；聚合物纺丝溶液溶剂为水、无水乙醇、N，N-二甲基甲酰胺DMF、二甲基亚砜DMSO、四氢呋喃THF、硫氰酸钠NaSCN。

实施例1：纺丝装置包括喷丝头、接收器和滚筒收集器。接收器包括水浴槽和水浴槽中的锥形流管装置。聚合物溶液为聚丙烯腈PAN/N，N-二甲基甲酰胺DMF，浓度为16 % wt，纺丝电压为35 kV。聚合物纺丝溶液由喷丝头喷出，射流在空气中发生弯曲扰动，大部分容易挥发，然后落到立式水浴槽表面，然后在水流的带动下，向下运动，最后由滚筒收集。喷丝头采用单个孔的喷丝头，喷丝头的数目为100，喷丝头的孔径为1 mm。喷丝头到凝固浴表面的间距为30 cm，滚筒转速为130 r/min。纺丝过程中泰勒锥锥小，锥尖稳定，偶尔有放电现象，纺丝过程可以连续2个小时不间断，电镜观察，收集得到的纤维沿纤维轴平行排列，无乱丝，无粘连。

实施例2：装置及方法同实施例1。聚合物溶液为聚氨酯/四氢呋喃THF，浓度为8 % wt，纺丝电压为10 kV。聚合物纺丝溶液由喷丝头喷出，射流在空气中发生弯曲扰动，大部分容易挥发，然后落到立式水浴槽表面，然后在水流的带动下，向下运动，最后由滚筒收集。喷丝头采用50个孔的喷丝头，喷丝头的数目为1，喷丝头的孔径为0.5 mm。喷丝头到凝固浴表面的间距为10 cm，滚筒转速为1000 r/min。纺丝过程中泰勒锥锥大，锥尖有微摆现象，但是纺丝过程一直连续进行，电镜观察，收集得到的初生纤维沿纤维轴的取向排列程度较高，纤维束有少量乱丝，但是纤维间无粘连现象。

实施例3：装置及方法同实施例1。聚合物溶液为聚丙烯腈PAN/二甲基亚砜DMSO，浓度为35 % wt，纺丝电压为 20 kV。聚合物纺丝溶液由喷丝头喷出，射流在空气中发生弯曲扰动，大部分容易挥发，然后落到立式水浴槽表面，然后在水流的带动下，向下运动，最后由滚筒收集。喷丝头采用100个孔的喷丝头，喷丝头的数目为50，喷丝头的孔径为3 mm。喷丝头到凝固浴表面的间距为5 cm，滚筒转速为30 r/min。纺丝过程中泰勒锥锥小，偶尔出现断纺，但是电镜观察最后收集得到的纤维沿纤维轴平行排列，纤维直径较粗，纤维束之间基本无乱丝且无粘连现象。

Claims (8)

1.一种制备单向排列的静电纺纳米初生长纤维的立式流动水浴收集装置，包括喷丝筒和滚筒收集器，其特征在于：还包括在喷丝筒的喷丝头下方设置的接地水浴槽，水浴槽中心放置着一个圆锥形的流管装置，圆锥形的流管装置的尖端为直径为5mm±2mm的圆孔，所述的水浴槽下方为下水浴接收槽，下水浴接收槽在其上端有一块承重板用以托起水浴槽，承重板与水浴槽的中心均开有一个与圆锥形的流管装置尖端相同大小的圆孔，承重板的上方空间用以接收水浴槽溢流出的水，在承重板边缘处也开有一个孔，用于水浴槽溢流出的水，流入下水浴接收槽；水浴槽与下水浴接收槽通过恒温水浴装置的管道连接形成一个循环系统；收集滚筒用支架架在下水浴接收槽中心位置处。

2.根据权利要求1所述装置，其特征在于：圆锥形的流管装置的锥形角度为θ=30°±10°。

3.根据权利要求1所述装置，其特征在于：圆锥形的流管装置的上表面口径为10 cm~80 cm。

4.根据权利要求1所述装置，其特征在于：喷丝头的数目为1~100，喷丝头的喷丝孔数目为1~100，喷丝孔的孔径为0.5 mm~3 mm。

5.根据权利要求1所述装置，其特征在于：喷丝头和水浴槽表面的距离为5 cm~30 cm。

6.一种应用于权利要求1所述装置制备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，其特征在于：配置浓度为8 % wt~35 %wt的聚合物纺丝溶液，直流电压10 kV~35 kV通过金属棒传导给聚合物溶液，在电场力的作用下，纺丝溶液由喷丝孔口射出，在空气中发生弯曲扰动，溶液中大部分溶剂通过挥发脱除，已经基本凝固成型的纤维进入凝固浴，在向下的水流带动下，纤维向下定向流动，再经滚筒收集器收集。

7.根据权利要求6所述方法，其特征在于：滚筒收集器的转速为30 r/min~1000 r/min。

8.根据权利要求6所述方法，其特征在于：所述的聚合物纺丝溶液中的聚合物为聚丙烯腈PAN、聚乙烯醇PVA、聚酰胺、聚氨酯、壳聚糖、聚乳酸、聚偏氟乙烯PVDF、核酸、蛋白质、纤维素或聚乙烯；聚合物纺丝溶液溶剂为水、无水乙醇、N，N-二甲基甲酰胺DMF、二甲基亚砜DMSO、四氢呋喃THF或硫氰酸钠NaSCN。

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