CN107217390B - 一种利用高温熔融静电纺丝法制备拉胀长丝纤维的装置、方法及用途 - Google Patents

一种利用高温熔融静电纺丝法制备拉胀长丝纤维的装置、方法及用途 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用高温熔融静电纺丝法制备拉胀长丝纤维的装置、方法及其在生产具有电磁特性的拉胀碳纤维非织造布中的应用。所述装置包括依次连接的喂入机构、加热熔融机构、拉胀静电纺丝机构、集束机构及后处理机构。所述方法为：将混有纳米四氧化三铁颗粒的碳纤维在经过喂入机构喂入加热熔融机构后，形成改性碳纤维熔融液体，通过拉胀静电纺丝机构制成具有拉胀结构的薄纤维片，薄纤维片在集束机构作用下形成拉胀非织造布，并通过后处理机构进行后处理提高其力学性能或赋予其功能。本发明制备的拉胀非织造布具有电磁特性和良好的力学性能，结构稳定，可用于电磁屏蔽、过滤材料、光电材料、冲击防护、传感器、复合材料领域。

Description

一种利用高温熔融静电纺丝法制备拉胀长丝纤维的装置、方 法及用途
技术领域
本发明涉及一种利用高温熔融静电纺丝法制备拉胀长丝纤维的装置、方法及用途，具体涉及一种高温熔融静电纺丝法制备具有电磁特性的拉胀碳纤维非织造布的装置及用途，属于产业用拉胀结构材料技术领域。
背景技术
拉胀材料被称为21世纪智能材料之一，柔性拉胀材料，如拉胀纤维、拉胀纱线等的应用对智能纺织品的开发和应用具有重要意义。近二三十年来，拉胀纺织品的研究引起了人们的关注。有关于拉胀纤维的制备集中于从改变高聚物内部微结构入手，如改进传统熔融纺丝工艺，使高聚物长丝成形后内部具有微孔，从而具备拉胀效应，如授予Alderson等人的Auxetic filamentary materials(美国专利，发明专利号U.S.2007/7247265B2)；关于拉胀纱线的制备则主要采用传统正泊松比长丝通过螺旋结构成形，使其在受轴向拉伸作用时，长丝组分由于模量不同而导致结构变化，位置互换，表现为纱线的表观直径增大，如授予Hook的Uses of auxetic fibres(美国专利，发明专利号U.S.2011/8002879B2)，授予胡红等人的一种负泊松比纱线结构及其制造方法(发明专利号CN201210212844.3)；关于拉胀纺织品的应用，可用于穿戴，如授予Blakely等人的Articles of apparel with auxeticfabrics(美国专利，发明专利号U.S.2014/0109286A1)，可用于过滤，如授予Martin等人的Filtering face-piece respirator having an auxetic mesh in the mask body(美国专利，发明专利号U.S.2015/8967147B2)，可用于冲击防护，如授予Rossow等人的Blastcontrol blanket(美国专利，发明专利号U.S.2016/0040962A1)，授予Eberlein等人的Seating unit with auxetic support(美国专利，发明专利号U.S.2015/0320220A1)。
拉胀纺织品在过滤、生物医用、个体防护等领域具有潜在的广阔应用，但目前非织造布在制备过程中主要基于对传统纺丝工艺的改进，基本上都是低温的熔融纺丝过程，且形成的非织造布为正泊松比结构材料，故弹性回复性能差、塑性高；尤其是碳纤维非织造布的制备具有很好的实用性，但目前的碳纤维非织造布是通过对成形的碳纤维进行切割和机械梳理而成，不仅结构难以控制，而且成形不稳定，且不具有拉胀特性，纤维长度差异大、纤维的交叉和粘附力差。故为从关键技术上解决碳纤维的结构堆砌和形态控制，更好地展示碳纤维电磁特性的展示，极为必要提出一种新的思路和方法。
发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种能利用高温熔融静电纺丝法制备拉胀碳纤维非织造布的装置。
为了解决上述问题，本发明提供了一种利用高温熔融静电纺丝法制备拉胀长丝纤维的装置，其特征在于，包括依次连接的喂入机构、加热熔融机构、拉胀静电纺丝机构、集束机构及后处理机构；从带电喷嘴喷出的薄纤维片通过集束机构形成拉胀非织造布；所述后处理机构对形成的拉胀非织造布进行后处理，以提高拉胀非织造布的力学性能或赋予其功能性。
优选地，所述拉胀静电纺丝机构包括与加热熔融机构的出料口连接的带电喷嘴，带电喷嘴与高压电源连接，带电喷嘴下方设有收集装置，收集装置表面具有拉胀结构的图案。
更优选地，所述收集装置上的拉胀结构图案，通过在拉胀纹路的杆上选用材料A，杆间的空隙选用镂空或材料B，材料A与材料B为两种不同电导率或不同磁导率的材料，实现杆上沉积的纤维集合体较硬、较厚、高取向，杆间的孔隙上沉积的纤维集合体较柔、较薄、低取向或无序排列。
更优选地，所述收集装置的表面的拉胀结构的图案是指能够通过拉伸、弯曲、旋转、平移、铰接等变形机理作用形成拉胀效应的图案或结构，为二维或三维拉胀结构。
更优选地，所述拉胀结构的图案为内凹蜂窝、星形网络、内凹菱形、正十二面体、三角格栅、中心旋转矩形、中心旋转三角形、中心旋转四面体、手性蜂窝、中心旋转多面体、铰接六角形、铰接四边形和铰接三角形中的任意一种或几种的组合。
优选地，所述拉胀静电纺丝机构的静电纺丝方式为单针头式、多针头式或无针式。
优选地，所述集束机构为针刺集束加固装置、水刺集束加固装置或热轧集束加固装置。
本发明还提供了一种采用上述利用高温熔融静电纺丝法制备拉胀长丝纤维的装置制备拉胀长丝纤维的方法，其特征在于，将混有纳米四氧化三铁颗粒的碳纤维在经过喂入机构喂入加热熔融机构后，形成混合均匀的纳米四氧化三铁颗粒改性的碳纤维熔融液体，通过调节高压电源的电压改变带电喷嘴的电压场，并以磁场辅助，实现碳纤维熔融液体从带电喷嘴喷出的碳纤维的取向度，最后通过后处理机构进行后处理提高其力学性能或赋予其功能。
优选地，所述加热熔融机构的温度不低于1200℃。
优选地，所述提高力学性能的后处理方法为热处理法或化学法；所述赋予功能性的后处理方法为涂层法、浸渍法；所述后处理方法为提高力学性能的后处理方法和赋予功能性的后处理方法中的任意一种或几种的组合。
本发明还提供了一种上述利用高温熔融静电纺丝法制备拉胀长丝纤维的装置或制备拉胀长丝纤维的方法在生产具有电磁特性的碳纤维非织造布中的应用，所制备的碳纤维非织造布具有拉胀性能。
优选地，所述生产为连续化生产。
本发明的原理在于通过喂入装置和加热熔融装置形成高聚物熔液，在拉胀静电纺丝机构中沉积到具有拉胀图案的收集装置表面形成薄的拉胀纤维片，采用集束机构使薄纤维片形成拉胀非织造布，并通过后处理机构提高力学性能或赋予其功能。拉胀的薄的纤维片构筑拉胀结构，使后处理之后的拉胀非织造布仍然具有拉胀性，提供拉胀非织造布的功能，避免了传统拉胀非织造布制备过程中微孔的形成导致的力学性能下降；同时集束作用增强了纤维间的相互作用，增加了拉伸过程中受力纤维的根数，并依靠静电纺丝形成的局部无序作用增加相互摩擦力，提高拉胀非织造布的结构稳定性。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
①在喂入机构末端加装加热熔融机构，可以使碳纤维形成熔体，并可参杂电磁特性优良的纳米材料，便于熔体静电纺丝，且不限于特殊的可形成微孔结构的熔融高聚物，扩大拉胀纤维的高聚物范围；
②传统的碳纤维非织造布通过切割和机械梳理方式成网，导致纤维的力学性能大幅度下降；本装置及方法中拉胀静电纺丝机构可以形成薄的拉胀碳纤维片，以结构赋予最终拉胀性，形成的拉胀非织造布力学性能好；
③集束机构增强纤维间的相互作用，可以改善拉胀非织造布的力学性能；后处理方式多种多样，可赋予拉胀非织造布各种功能；
④本发明提供了一种制备拉胀非织造布的新方法，制备的具有拉胀效应，并具有电磁特性，可以应用于电磁屏蔽服装、高温电磁滤波过滤材料、光电材料、冲击防护、传感器、复合材料等领域，市场前景广阔。
附图说明
图1为本发明提供的利用高温熔融静电纺丝法制备拉胀长丝纤维的装置；
图2为实施例1制得的具有内凹六角蜂窝拉胀结构的非织造布的示意图；
图3为实施例2制得的具有星型网络拉胀结构的非织造布的示意图；
图4为实施例3制得的具有双箭头拉胀结构的非织造布的示意图；
图中：1-喂入机构；2-加热熔融机构；3-拉胀静电纺丝机构，31-带电喷嘴、32-高压电源、33-收集装置、34-薄纤维片、35-拉胀非织造布；4-集束机构；5-后处理机构。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
实施例1-5均采用本发明提供的一种利用高温熔融静电纺丝法制备拉胀长丝纤维的装置，如图1所示，该装置由喂入机构1、加热熔融机构2、拉胀静电纺丝机构3、集束机构4和后处理机构5构成，加热熔融机构2置于喂入机构1末端，为高聚物的熔融提供能量，为静电纺丝熔液形成做准备；拉胀静电纺丝机构3置于加热熔融机构2下方，包括带电喷嘴31、高压电源32、收集装置33，其收集装置33表面具有拉胀结构的图案，高聚物熔液在拉胀静电纺丝机构3内制备成具有拉胀结构的薄纤维片34；集束机构4将薄纤维片34集束形成拉胀非织造布35；后处理机构5在集束机构4之后，对形成的拉胀非织造布35进行后处理，以提高拉胀非织造布的力学性能或赋予其功能性。所述方法在于高聚物在经过喂入机构1末端时经加热熔融机构2作用，形成熔液，通过拉胀静电纺丝机构3制成具有拉胀结构的薄纤维片34，薄纤维片在集束机构4作用下形成拉胀非织造布35，并通过后处理机构5提高力学性能或赋予其功能。本发明制备的拉胀非织造布力学性能好(拉伸强度提升35％，压缩柔软、压缩模量降低约12％，压缩回复弹性提升约20％)，结构稳定，可用于服装、过滤材料、光电材料、冲击防护、传感器、复合材料等领域。
实施例1
采用碳纤维单针头熔融静电纺丝，内凹六角蜂窝结构的收集装置，制得的非织造布如图2所示。
实施例2
采用碳纤维多针头熔融静电纺丝，采用星型网络拉胀结构的收集装置，制得的非织造布如图3所示。
实施例3
采用碳纤维无针头熔融静电纺丝，采用双箭头拉胀结构的收集装置，制得的非织造布如图4所示。
实施例4
采用碳纤维多针头熔融静电纺丝，采用内凹六角蜂窝结构的收集装置，制得的非织造布容实施例1。
实施例5
采用碳纤维多针头熔融静电纺丝，采用双箭头拉胀结构的收集装置，制得的非织造布同实施例3。

Claims (11)

1.一种利用高温熔融静电纺丝法制备拉胀长丝纤维的装置制备拉胀长丝纤维的方法，其特征在于，所述利用高温熔融静电纺丝法制备拉胀长丝纤维的装置包括依次连接的喂入机构(1)、加热熔融机构(2)、拉胀静电纺丝机构(3)、集束机构(4)及后处理机构(5)；从带电喷嘴(31)喷出的薄纤维片(34)通过集束机构(4)形成拉胀非织造布(35)；所述后处理机构(5)对形成的拉胀非织造布(35)进行后处理，以提高拉胀非织造布的力学性能或赋予其功能性；将混有纳米四氧化三铁颗粒的碳纤维在经过喂入机构(1)喂入加热熔融机构(2)后，形成混合均匀的纳米四氧化三铁颗粒改性的碳纤维熔融液体，通过拉胀静电纺丝机构(3)制成具有拉胀结构的薄纤维片(34)，薄纤维片(34)在集束机构(4)作用下形成拉胀非织造布(35)，并通过后处理机构(5)进行后处理提高其力学性能或赋予其功能。
2.如权利要求1所述的制备拉胀长丝纤维的方法，其特征在于，所述拉胀静电纺丝机构(3)包括与加热熔融机构(2)的出料口连接的带电喷嘴(31)，带电喷嘴(31)与高压电源(32)连接，带电喷嘴(31)下方设有收集装置(33)，收集装置(33)表面具有拉胀结构的图案。
3.如权利要求2所述的制备拉胀长丝纤维的方法，其特征在于，所述收集装置(33)上的拉胀结构图案，通过在拉胀纹路的杆上选用材料A，杆间的空隙选用镂空或材料B，材料A与材料B为两种不同电导率或不同磁导率的材料，实现杆上沉积的纤维集合体较硬、较厚、高取向，杆间的孔隙上沉积的纤维集合体较柔、较薄、低取向或无序排列。
4.如权利要求2或3所述的制备拉胀长丝纤维的方法，其特征在于，所述收集装置(33)的表面的拉胀结构的图案为二维或三维拉胀结构。
5.如权利要求4所述的制备拉胀长丝纤维的方法，其特征在于，所述拉胀结构的图案为内凹蜂窝、星形网络、内凹菱形、正十二面体、三角格栅、中心旋转矩形、中心旋转三角形、手性蜂窝、中心旋转多面体、铰接六角形、铰接四边形和铰接三角形中的任意一种或几种的组合。
6.如权利要求1所述的制备拉胀长丝纤维的方法，其特征在于，所述拉胀静电纺丝机构(3)的静电纺丝方式为单针头式、多针头式或无针式。
7.如权利要求1所述的制备拉胀长丝纤维的方法，其特征在于，所述集束机构(4)为针刺集束加固装置、水刺集束加固装置或热轧集束加固装置。
8.如权利要求1所述的制备拉胀长丝纤维的方法，其特征在于，所述加热熔融机构(2)的温度不低于1200℃。
9.如权利要求1所述的制备拉胀长丝纤维的方法，其特征在于，所述后处理方法为提高力学性能的后处理方法和赋予功能性的后处理方法中的任意一种或几种的组合；提高力学性能的后处理方法为热处理法或化学法；赋予功能性的后处理方法为涂层法、浸渍法。
10.一种权利要求1-9任意一项所述的制备拉胀长丝纤维的方法在生产具有电磁特性的碳纤维非织造布中的应用，所制备的碳纤维非织造布具有拉胀性能。
11.如权利要求10所述的应用，其特征在于，所述生产为连续化生产。
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