发明内容
针对现有技术存在的不足,本发明的目的在于提供一种高拉伸率的纤维膜制备装置及其制备方法。
为实现上述目的,本发明提供了如下技术方案:一种高拉伸率的纤维膜制备装置,包括用于喷出纺丝溶液的纺丝组件、用于喷出负载溶液的负载组件、接收器和用于产生静电的高压静电发生器,所述接收器用于接受纺丝溶液和负载溶液;所述纺丝组件包括纺丝喷头和用于存储纺丝溶液的纺丝溶液箱;所述负载组件包括负载喷头和用于存储负载溶液的负载溶液箱;所述纺丝喷头位于所述接收器轴线的正上方,所述纺丝喷头的轴线与所述接收器轴线重合;所述负载喷头设置在接收器的侧面,负载喷头的轴线与接收器的轴线垂直相交;所述接收器上还设置有导电环,所述导电环接地;所述接收器上还设置有旋转电机,所述旋转电机的输出轴与接收器固定连接;所述高压静电发生器与纺丝喷头电连接,所述高压静电发生器也与负载喷头电连接。
作为本发明的进一步改进,所述接收器为中空型回转体,所述接收器上部分为薄壳型圆锥体,下部分为圆柱体。所述薄壳型圆锥体上设置有若干个气孔,所述气孔连通薄壳型圆锥体的内壁和外壁;所述圆柱体轴线处设置有圆柱槽,所述圆柱槽与所述薄壳型圆锥体内部中空部分相贯通;所述导电环位于薄壳型圆锥体下部,且沿薄壳型圆锥体侧面铺设。
作为本发明的进一步改进,所述接收器下方设置有气泵,所述气泵上设置有气管,所述气管一端与气泵相连通,另一端位于圆柱槽内且延伸至薄壳型圆锥体内部中空部分。
作为本发明的进一步改进,所述纺丝组件还包括有纺丝液体泵,所述纺丝液体泵一端与纺丝喷头相连通,另一端与纺丝溶液箱相连通;当纺丝液体泵工作时,纺丝溶液箱中的纺丝溶液被输送至纺丝喷头;所述负载组件还包括有负载液体泵,所述负载液体泵一端与负载喷头相连通,另一端与负载溶液箱相连通;当负载液体泵工作时,负载溶液箱中的负载溶液被输送至负载喷头。
作为本发明的进一步改进,所述负载喷头上还设置有静电屏蔽罩,所述静电屏蔽罩位于于负载喷头与接收器之间,所述静电屏蔽罩由绝缘材料制成。
作为本发明的进一步改进,一种高拉伸率的纤维膜制备方法,包括以下步骤:
步骤一:将纺丝溶液装入纺丝溶液箱,将负载溶液装入负载溶液箱中。
步骤二:将纺丝喷头内径设置为50-1500μm,纺丝喷头与导电环竖直间距设置为18cm,负载喷头内径设置为50-1500μm,负载喷头与接收器间距12cm;
步骤三:开启纺丝液体泵,并设定纺丝液体泵流量为10μl/hr~100ml/hr;当纺丝喷头处持续出现稳定的纺丝溶液液滴时,开启负载液体泵,并设定负载液体泵流量为10μl/hr~100ml/hr;
步骤四:当负载喷头处持续出现稳定的负载溶液液滴时,开启高压静电发生器,其正极与纺丝喷头电性连接,其负极与负载喷头电性连接,设定正极电压输出值为0kV~50kV,设定负极电压输出值为-50kV~0kV;
步骤五:开启气泵,设定流速为0.2-0.8m3/h,气管开始对接收器内部通气;
步骤六:开启旋转电机,设定带动接收器的旋转速度为20-40RPM;旋转电机工作0.5-3小时后,关闭各装置,得到高拉伸率纤维膜。
作为本发明的进一步改进,所述纺丝溶液为聚氧化乙烯溶液;所述聚氧化乙烯溶液中溶质为聚氧化乙烯,溶剂为酒精和蒸馏水的混合溶液;所述混合溶液中酒精与蒸馏水的体积比为1:1;所述聚氧化乙烯溶液的浓度为10-20%。
作为本发明的进一步改进,所述负载溶液为聚苯胺/聚氧化乙烯溶液;所述聚苯胺/聚氧化乙烯溶液中溶质为聚苯胺和聚氧化乙烯的混合物,混合物中聚苯胺和聚氧化乙烯的质量比为1:1;溶剂为氯仿,所述聚苯胺/聚氧化乙烯溶液的浓度为1-5%。
通过上述技术方案:所述负载溶液为聚偏氟乙烯溶液,所述聚偏氟乙烯溶液中溶质为聚偏氟乙烯,溶剂为N,N-二甲基甲酰胺和丙酮的混合溶液;混合溶液中N,N-二甲基甲酰胺和丙酮的体积比为1:1;聚偏氟乙烯溶液浓度为2-4%。
本发明的有益效果:通过纺丝喷头与高压静电发生器电性连接,导电环接地,因此纺丝喷头与导电环之间形成高压静电场。纺丝溶液从纺丝喷头泵出,进入高压静电场后发生电液耦合作用,向导电环喷射过程中被电场力拉伸、固化成超细纤维。当接收器发生旋转时,将发生如下区别于现有技术的现象及收益:1、当接收器旋转时,最先沉积在导电环的纤维在导电环的旋转牵引下,受到周向力矩,以图3所示的形式沉积在接收器侧面上,使纤维之间互相同轴定向拧股;2、当接收器旋转时,对纺丝区域沿着电势差方向喷射的纤维具有周向的拉伸、牵引作用,能够进一步拉伸、细化纤维,降低纤维直径。本技术方案还设有负载喷头,对纳米纤维进行逐层负载导电材料:因为沉积于接收器的纳米纤维存在残余电荷,而负载喷头与高压静电发生器另一电性输出端电性连接(与残余电荷的电性相反),形成高压静电场,使负载喷头内的负载溶液发生静电喷雾,向接收器的纳米纤维喷射,使所得纳米纤维负载上导电材料,得到导电纳米纤维膜。经过上述过程,最后在接收器侧面之间生成目标纤维膜,其纤维互相拧股缠绕,且具有较高的拉伸率。
具体实施方式
下面结合附图和实施例,对本发明进一步详细说明。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。
参照图1至3所示,本实施例的一种高拉伸率的纤维膜制备装置,包括用于喷出纺丝溶液的纺丝组件、用于喷出负载溶液的负载组件、接收器1和用于产生静电的高压静电发生器6,所述接收器1用于接受纺丝溶液和负载溶液;所述纺丝组件包括纺丝喷头3和用于存储纺丝溶液的纺丝溶液箱5;所述负载组件包括负载喷头9和用于存储负载溶液的负载溶液箱7;所述纺丝喷头3位于所述接收器1轴线的正上方,所述纺丝喷头3的轴线与所述接收器1轴线重合;所述负载喷头9设置在接收器1的侧面,负载喷头9的轴线与接收器1的轴线垂直相交;所述接收器1上还设置有导电环1-2,所述导电环1-2接地;所述接收器1上还设置有旋转电机13,所述旋转电机13的输出轴与接收器1固定连接;所述高压静电发生器6与纺丝喷头3电连接,所述高压静电发生器6也与负载喷头9电连接。
通过上述技术方案:本发明的纺丝喷头3、负载喷头9均由导电材料制成,内径范围均为50μm~1500μm,采用点胶平口针头作为纺丝喷头3和负载喷头9;纺丝溶液箱5与纺丝喷头3相连通,纺丝溶液箱5用于存储纺丝溶液;负载溶液箱7与负载喷头9相连通,负载溶液箱7用于存储负载溶液;接收器1的导电环1-2由导电材料制成,导电环1-2选用可大幅度弯曲的薄型铜片;设有旋转电机13,与接收器1传动连接,带动接收器1按照预设的速度值自旋。本发明的高压静电发生器6的正极(或负极)与纺丝喷头3电性连接,输出电压范围为0kV~50kV(或-50kV~0kV),高压静电发生器6的负极(或正极)与负载喷头9电性连接,输出电压范围为-50kV~0kV(或0kV~50kV),本实施例的高压静电发生器6购自东文高压静电发生器6天津有限公司,型号DW-P503-1ACDE。
工作原理:纺丝喷头3与高压静电发生器6电性连接,导电环1-2接地,因此纺丝喷头3与导电环1-2之间形成高压静电场。纺丝溶液从纺丝喷头3泵出,进入高压静电场后发生电液耦合作用,向导电环1-2喷射过程中被电场力拉伸、固化成超细纤维。当接收器1发生旋转时,将发生如下区别于现有技术的现象及收益:1、当接收器1旋转时,最先沉积在导电环1-2的纤维在导电环1-2的旋转牵引下,受到周向力矩,以图3所示的形式沉积在接收器1侧面上,使纤维之间互相同轴定向拧股;2、当接收器1旋转时,对纺丝区域沿着电势差方向喷射的纤维具有周向的拉伸、牵引作用,能够进一步拉伸、细化纤维,降低纤维直径。本技术方案还设有负载喷头9,对纳米纤维进行逐层负载导电材料:因为沉积于接收器1的纳米纤维存在残余电荷,而负载喷头9与高压静电发生器6另一电性输出端电性连接(与残余电荷的电性相反),形成高压静电场,使负载喷头9内的负载溶液发生静电喷雾,向接收器1的纳米纤维喷射,使所得纳米纤维负载上导电材料,得到导电纳米纤维膜。经过上述过程,最后在接收器1侧面之间生成目标纤维膜,其纤维互相拧股缠绕,且具有较高的拉伸率。
作为改进的一种具体实施方式,所述接收器1为中空型回转体,所述接收器1上部分为薄壳型圆锥体1-4,下部分为圆柱体1-1。所述薄壳型圆锥体1-4上设置有若干个气孔1-3,所述气孔1-3连通薄壳型圆锥体1-4的内壁和外壁;所述圆柱体1-1轴线处设置有圆柱槽1-5,所述圆柱槽1-5与所述薄壳型圆锥体1-4内部中空部分相贯通;所述导电环1-2位于薄壳型圆锥体1-4下部,且沿薄壳型圆锥体1-4侧面铺设。
通过上述方案:本发明的接收器1的导电环1-2由导电材料制成,此外所有结构均由绝缘材料制成。其中导电环1-2选用可大幅度弯曲的薄型铜片,此外所有结构由3D打印机(型号:ProJet 3510SD型)一体打印制成,打印材料为VisiJet M3,结构如图2所示。接收器1为中空型回转体,上部分为薄壳型圆锥体1-4,下部分为圆柱体1-1。薄壳型圆锥体1-4设有多个气孔1-3,气孔1-3连通薄壳型圆锥体1-4的内部和外部。圆柱体1-1轴线处设有圆柱槽1-5,圆柱槽1-5与上部分的薄壳型圆锥体1-4内部中空部分贯通。导电环1-2设置于薄壳型圆锥体1-4下部,沿薄壳型圆锥体1-4侧面铺设,导电环1-2接地;这样的接收器1能很好的接受放置溶液以及负载溶液,从而生成目标纤维膜,其纤维拉伸率较高;该结构简单,实用,便于制造。
作为改进的一种具体实施方式,所述接收器1下方设置有气泵11,所述气泵11上设置有气管12,所述气管12一端与气泵11相连通,另一端位于圆柱槽1-5内且延伸至薄壳型圆锥体1-4内部中空部分。
通过上述方案:当开启气泵11后,设定流速为0.2-0.8m3/h,气管12开始对接收器1内部通气,使接收器1的气孔1-3开始均匀地对沉积纤维吐气,进一步提高纤维的拉伸率。
作为改进的一种具体实施方式,所述纺丝组件还包括有纺丝液体泵4,所述纺丝液体泵4一端与纺丝喷头3相连通,另一端与纺丝溶液箱5相连通;当纺丝液体泵4工作时,纺丝溶液箱5中的纺丝溶液被输送至纺丝喷头3;所述负载组件还包括有负载液体泵8,所述负载液体泵8一端与负载喷头9相连通,另一端与负载溶液箱7相连通;当负载液体泵8工作时,负载溶液箱7中的负载溶液被输送至负载喷头9。
通过上述技术方案:纺丝溶液箱5、纺丝液体泵4和纺丝喷头3三者连通,纺丝溶液箱5用于存储纺丝溶液,纺丝液体泵4用于将纺丝溶液泵送至纺丝喷头3,本实施例采用精密注射泵作为纺丝液体泵4,流量范围为10μl/hr~100ml/hr。负载溶液箱7、负载液体泵8和负载喷头9三者连通,负载溶液箱7用于存储负载溶液,负载液体泵8用于将负载溶液泵送至负载喷头9,本实施例采用精密注射泵作为负载液体泵8,流量范围为10μl/hr~100ml/hr。结构简单、实用。
作为改进的一种具体实施方式,所述负载喷头9上还设置有静电屏蔽罩10,所述静电屏蔽罩10位于于负载喷头9与接收器1之间,所述静电屏蔽罩10由绝缘材料制成。
通过上述技术方案:静电屏蔽罩10设置于负载喷头9与接收器1之间,由绝缘材料制成,保护负载区域不受外部电场、气流的影响,本实施例采用亚克力材料制成的透明薄壁圆筒作为静电屏蔽罩10。通过设置有静屏蔽罩,更有利于在负载喷头9处形成高压静电场,使负载喷头9内的负载溶液发生静电喷雾现象,向接收器1的纳米纤维喷射。
材料实施例
实施例1
一种高拉伸率应变复合纤维膜制备方法:
步骤一:本实施例采用PEO(聚氧化乙烯)溶液作为纺丝溶液,溶质为PEO,溶剂为酒精和蒸馏水(体积比1:1),溶液浓度12%,将5升纺织溶液放入纺丝溶液箱内。本实施例采用PANi(聚苯胺)/PEO(聚氧化乙烯)溶液作为负载溶液,溶质为PANi和PEO(质量比1:1),溶剂为氯仿,溶液浓度2%;将5升负载溶液装入负载溶液箱内;
步骤二按照图1组装装置,纺丝喷头内径350μm,纺丝喷头与导电环竖直间距18cm,负载喷头内径350μm,负载喷头与接收器间距12cm;
步骤三:开启纺丝液体泵,并设定纺丝液体泵流量为100μl/hr,纺丝喷头处持续出现稳定的纺丝溶液液滴,开启负载液体泵,并设定负载液体泵流量为80μl/hr,负载喷头处持续出现稳定的负载溶液液滴;
步骤四:开启高压静电发生器,其正极与纺丝喷头电性连接,其负极与负载喷头电性连接,设定正极电压输出值为+20kV,设定负极电压输出值为-12kV,此时纺丝喷头与导电环之间产生高压静电场,纺丝喷头处的溶液开始静电纺丝射流,负载喷头与接收器之间产生高压静电场,负载喷头处的溶液开始出现静电雾化液滴;
步骤五:开启气泵,设定流速为0.5m3/h,气管开始对接收器内部通气,使接收器的气孔开始均匀地对沉积纤维吐气;
步骤六:开启旋转电机,设定带动接收器的旋转速度为25RPM,纤维开始以图3形式沉积;
步骤七:1小时后,停止各装置,用接地导体轻触纤维以除去残余电荷,将纤维取出后最后得到高拉伸率应变复合纤维膜。
实施例2
一种高拉伸率应变复合纤维膜制备方法:
步骤一:本实施例采用PEO溶液作为纺丝溶液,溶质为PEO,溶剂为酒精和蒸馏水(体积比1:1),溶液浓度16%,将8L纺织溶液转入纺丝溶液箱内。本实施例采用PVDF溶液作为负载溶液,溶质为PVDF,溶剂为DMF和丙酮(体积比为1:1),溶液浓度3%,将8L负载溶液装入负载溶液箱内;
步骤二:按照图1组装装置,纺丝喷头内径210μm,纺丝喷头与导电环竖直间距20cm,负载喷头内径210μm,负载喷头与接收器间距15cm;
步骤三:开启纺丝液体泵,并设定纺丝液体泵流量为60μl/hr,纺丝喷头处持续出现稳定的纺丝溶液液滴,开启负载液体泵,并设定负载液体泵流量为50μl/hr,负载喷头处持续出现稳定的负载溶液液滴;
步骤四:开启高压静电发生器,其正极与纺丝喷头电性连接,其负极与负载喷头电性连接,设定正极电压输出值为+16kV,设定负极电压输出值为-10kV,此时纺丝喷头与导电环之间产生高压静电场,纺丝喷头处的溶液开始静电纺丝射流,负载喷头与接收器之间产生高压静电场,负载喷头处的溶液开始出现静电雾化液滴;
步骤五:开启气泵,设定流速为0.5m3/h,气管开始对接收器内部通气,使接收器的气孔开始均匀地对沉积纤维吐气;
步骤六:开启旋转电机,设定带动接收器的旋转速度为20RPM,纤维开始以图3形式沉积;
步骤七:当2小时后,停止各装置,用接地导体轻触纤维以除去残余电荷,将纤维取出后最后得到高拉伸率应变复合纤维膜。
对实施例1和实施例2制得的试样进行万能试验机进行力学性能实验
试样 |
拉伸率/% |
实施例1 |
573 |
实施例2 |
612 |
由上述图表可知,实施例1和实施例2制得的纤维膜都具有很高的拉伸率,具有较好的应用价值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例,凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。