CN110106598A - 一种高压力场下剪切拉伸的纳米纤维制备装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压力场下剪切拉伸的纳米纤维制备装置，包括锥形筒体、端盖、旋转体、旋转轴、加热管、冷却管、温度控制器、保温层、密封装置、驱动电机、升降油缸、加压泵站和粘性液体。旋转体安装在由锥形筒体和端盖组成的密闭工作腔内，旋转轴依次穿过盖板和密封装置，然后与驱动电机连接，驱动电机由升降油缸支撑在端盖上。锥形筒体外面包裹有加热管、冷却管和保温层，分别与加热站和冷却站相连。工作腔内的压力由加压泵站进行加压和保压。纤维放置在由锥形筒体和旋转体之间的环形空间内，在高压流场下塑性增强，结合可控温度场对纤维进行塑化，利用锥形筒体和旋转体之间粘性流体的速度差对纤维进行切向拉伸，可将纤维直径拉伸至100nm以下。
Description
技术领域
本发明涉及一种高压力场下剪切拉伸的纳米纤维制备装置，属纳米纤维制备领域。
背景技术
真正意义上的纳米纤维是指直径在100nm以下的纤维。现有纳米纤维生产工艺获得的纤维直径普遍大于100nm，只能称之为广义上的纳米纤维。尽管如此，相比于微米纤维，广义纳米纤维已经表现出了独特的力学性能、化学性能、电学性能、生物医学性能，受到了纺织、过滤、电池和生物工程等领域研究人员的广泛关注与研究。因此，真正意义上纳米纤维的性能又将如何，是纳米科研工作者所期待的；直径小于100nm纤维的规模化制备是纳米纤维走出实验室，走向商业化应用的关键技术。
纳米纤维的制备工艺主要有熔喷法、静电纺丝法、海岛法、模板聚合法、相分离法和自组装法等。熔喷法依靠高速热气流对纤维进行拉伸，拉伸作用时间较短，纤维所处环境温度场不容易控制，纤维直径均在500nm以上。静电纺丝法利用加载在针头与接收器之间的电势差，将聚合物溶液(熔体)射流从针尖的泰勒锥中引出，并在电场的作用下向接收器运动。在聚合物溶液(熔体)射流的过程中，受到电场的拉伸力及纤维上电荷间的库伦排除力而拉伸细化。同时，在射流过程中发生溶液的挥发(熔体的冷却)从而形成固态纤维。由于受供料量、溶剂挥发快(熔体迅速凝固)和拉伸作用时间短等因素的限制，静电纺丝纳米纤维直径普遍在200nm以上。模板法是通过制作纳米级孔洞的模板，然后将聚合物从孔洞中挤出的过程，其模板的生产成本较高，制备过程能量消耗较大，批量化生产效率低。
针对现有技术难以批量制备直径小于100nm纤维，纳米纤维制备技术的工艺过程不可控，纤维直径分布偏差大等现状，提出了一种高压力场下剪切拉伸的纳米纤维制备装置。该装置根据材料在高压力场下塑性增强特点，结合可控温度场对粗纤维进行塑化，利用粘性流体速度差产生的剪切力对纤维进行拉伸细化。在纤维拉伸的过程中，纤维轴向的各部分均受到剪切应力，使纤维各部分发生均匀的“蠕变”而伸长，从而实现超细纳米纤维的批量化制备。
发明内容
本发明以制备超细纳米纤维为目标，提出了一种高压力场下剪切拉伸的纳米纤维制备装置。该装置根据材料在高压力场下塑性增强特点，结合可控温度场对粗纤维进行塑化，然后利用由粘性流体速度差对纤维表面产生的剪切力，对纤维进行拉伸细化。该装置可以实现超细纳米纤维的批量制备，且具有使纤维可拉伸性提高、工艺过程可控、纤维受力均匀等优点。
本发明提出一种高压力场下剪切拉伸的纳米纤维制备装置，包括加热管、冷却站、加热站、温度控制器、冷却管、保温层、锥形筒体、温度传感器、端盖、旋转体、旋转轴、密封装置、驱动电机、升降油缸、螺栓、高压管、溢流调压阀、加压泵站和粘性液体，旋转体安装在由锥形筒体和端盖组成的高压密闭工作腔内，旋转体与旋转轴之间采用焊接连接，旋转轴依次穿过盖板和密封装置，然后与驱动电机连接，驱动电机由升降油缸支撑在端盖上；锥形筒体外面包裹有加热管、冷却管和保温层，加热管和冷却管分别与加热站和冷却站相连，且受温度控制器的控制；温度传感器通过螺纹安装在端盖上，并与温度控制器相连；加压泵站依次与溢流调压阀、高压管相连，高压管焊接在端盖上。
本发明一种高压力场下剪切拉伸的纳米纤维制备装置，其特征在于粗纤维放置在由锥形筒体和旋转体之间的环形空间内，其放置过程如下：首先打开端盖，装入旋转体，向锥形筒体内倒入一定量的粘度液体，将粗纤维随机放入旋转体和锥形筒体的圆环区域内，放置粗纤维时，注意不要将粗纤维缠绕在旋转体外壁上。用螺钉将端盖和锥形筒体固定，依次安装旋转轴上的密封装置和驱动电机。
本发明一种高压力场下剪切拉伸的纳米纤维制备装置，其由锥形筒体和端盖组成的工作腔在工作时充满了高压粘性液体，高压压力由高压管、溢流调压阀、加压泵站控制。
本发明一种高压力场下剪切拉伸的纳米纤维制备装置，其锥形筒体内包裹有加热管、冷却管和保温层。工作腔内的温度通过温度传感器检测，并与温度控制器内的设定温度进行对比，然后根据温度情况启动加热站或冷却站，从而保持工作腔内的温度恒定。
本发明一种高压力场下剪切拉伸的纳米纤维制备装置，其旋转体工作过程中，可以通过升降油缸调节旋转体在工作腔中的位置，当旋转体处于工作腔上部的时候，旋转体与锥形筒体的间隙大，剪切速率低，牵伸力小；当旋转体处于工作腔下部的时候，旋转体与锥形筒体的间隙小，剪切速率大，牵伸力大。
本发明一种高压力场下剪切拉伸的纳米纤维制备装置，其旋转体的外壁上沿母线方面具有多道凹槽，凹槽形状可以为半圆形、三角形等，其主要作用是破坏在旋转过程中沿壁面的层流，使粘性流体在径向方向具有一定的扰动，防止纤维在旋转体的外壁缠绕。
本发明一种高压力场下剪切拉伸的纳米纤维制备装置，其控制电机是可调速电机，能够根据需要改变电机的转速，从而改变剪切速率。
本发明一种高压力场下剪切拉伸的纳米纤维制备装置，利用了高压力场材料塑性增强的特点，结合可控温度场，实现了纤维的高度塑化。利用了粘性流体速度差产生的剪切力对纤维进行拉伸细化，在牵伸过程中，纤维轴向的各部分均受到剪切应力，使纤维各部分均匀的“蠕变”而伸长。并且在牵伸过程中，可以根据材料的属性实现可控改变纤维拉伸空间的温度场和牵伸力。该装置实现了超细纳米纤维的批量化制备。
附图说明
图1是本发明一种高压力场下剪切拉伸的纳米纤维制备装置半剖面示意图；
图2是图1所示的A-A剖面示意图；
图3是图1所示的旋转体示意图；
图中：1-加热管、2-冷却站、3-加热站、4-温度控制器、5-冷却管、6-保温层、7-锥形筒体、8-温度传感器、9-端盖、10-旋转体、11-密封装置、12-驱动电机、13-升降油缸、14-旋转轴、15-螺钉、16-高压管、17-溢流调压阀、18-加压泵站、19-粘性液体、20-纤维、21-凹槽。
具体实施方式
本发明一种高压力场下剪切拉伸的纳米纤维制备装置，如图1和图2所示，由加热管1、冷却站2、加热站3、温度控制器4、冷却管5、保温层6、锥形筒体7、温度传感器8、端盖9、旋转体10、密封装置11、驱动电机12、升降油缸13、旋转轴14、螺钉15、高压管16、溢流调压阀17、加压泵站18和粘性液体19组成。旋转体10安装在由锥形筒体7和端盖9组成的高压密闭工作腔内，旋转体10与旋转轴14之间采用焊接连接，旋转轴14依次穿过盖板9和密封装置11，然后与驱动电机12连接，驱动电机12由升降油缸13支撑在端盖9上。锥形筒体7外面包裹有加热管1、冷却管5和保温层6，加热1管和冷却管5分别与加热站3和冷却站2相连，且受温度控制器4的控制。温度传感器8通过螺纹安装在端盖9上，并与温度控制器4相连。加压泵站18依次与溢流调压阀17、高压管16相连，高压管16焊接在端盖9上。
旋转体10外壁上有沿母线方向的多道凹槽21，纤维20位于旋转体10和锥形筒体7之间的圆环区域内，如图3所示。
操作过程如下：首先打开端盖9，装入旋转体10，向锥形筒体7内倒入一定量的粘度液体19，在旋转体10和锥形筒体7的圆环区域内放置纤维20，在放置纤维的时候，并使纤维20各点距离旋转体10外表面距离不一致。用螺钉15将端盖9和锥形筒体7固定，依次安装旋转轴14上的密封装置11和驱动电机12。然后，启动加压泵站17，调节溢流调压阀16，设定并保持工作腔的压力，启动加热站3，将工作腔中的粘性液体19加热到预设温度。最后操作升降油缸13，将旋转体10提起到一定位置，开启驱动电机12，使旋转体10外壁面与锥形筒体7之间圆锥环空间内的粘性流体19产生沿径向方向的速度差，从而对纤维20进行剪切拉伸，获得超细纳米纤维。
Claims (4)
1.一种高压力场下剪切拉伸的纳米纤维制备装置，其特征在于：包括加热管、冷却站、加热站、温度控制器、冷却管、保温层、锥形筒体、温度传感器、端盖、旋转体、旋转轴、密封装置、驱动电机、升降油缸、螺栓、高压管、溢流调压阀、加压泵站和粘性液体，旋转体安装在由锥形筒体和端盖组成的高压密闭工作腔内，旋转体与旋转轴之间采用焊接连接，旋转轴依次穿过盖板和密封装置，然后与驱动电机连接，驱动电机由升降油缸支撑在端盖上；锥形筒体外面包裹有加热管、冷却管和保温层，加热管和冷却管分别与加热站和冷却站相连，且受温度控制器的控制，粘性液体和粗纤维放置在由锥形筒体和旋转体之间的环形空间内；温度传感器通过螺纹安装在端盖上，并与温度控制器相连；加压泵站依次与溢流调压阀、高压管相连，高压管焊接在端盖上。
2.根据权利要求1所述的一种高压力场下剪切拉伸的纳米纤维制备装置，其特征在于：由锥形筒体和端盖组成的工作腔在工作时充满了高压粘性液体，高压压力由高压管、溢流调压阀、加压泵站控制。
3.根据权利要求1所述的一种高压力场下剪切拉伸的纳米纤维制备装置，其特征在于：旋转体的外壁上沿母线方面具有多道凹槽。
4.根据权利要求1所述的一种高压力场下剪切拉伸的纳米纤维制备装置，其特征在于：控制电机是可调速电机。
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