CN112301548B - 一种中空珠链结构的纤维膜及其制备方法和制备装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及静电纺丝领域，公开一种中空珠链结构的纤维膜的制备方法，通过供气装置的间断供气制备具有内部间断的气泡的电纺纤维，该电纺纤维能够储存更多的电荷量，使其具有更高的振动输出电压，能够广泛的应用于逆压电材料领域，本发明还公开了实现该制备方法的制备装置。

Description

一种中空珠链结构的纤维膜及其制备方法和制备装置

技术领域

本发明涉及静电纺丝领域，特别是一种中空珠链结构的纤维膜及其制备方法和制备装置。

背景技术

逆压电效应是指当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失，逆压电效应的强弱与电介质所带的电荷量相关。

现有的使用材料中，有的使用静电纺丝的电纺纤维作为逆压电材料，目前已经证明，中空电纺纤维比实心电纺纤维在同等频率下可产生更大峰值的电压，具有更高的面积/体积比和刚度的中空电纺纤维可以产生更多的潜在电压。因此中空电纺纤维在逆压电材料领域具有极大的应用前景，除此之外，中空电纺纤维在微能量储存、催化方面应用潜力巨大。

但是目前现有的中空电纺纤维内两端为开口结构，电纺纤维所带的电荷容易脱离，特别是在潮湿的环境中，保存不便。

发明内容

为此，需要提供一种中空珠链结构的纤维膜及其制备方法和制备装置，解决现有中空电纺纤维电荷存储不易的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种中空珠链结构的纤维膜的制备装置，包括供气装置、注射泵、控制系统、同轴纺丝针头、高压电源和收集板，所述同轴纺丝针头包括内针头和外针头，内针头设置在外针头内，所述内针头和外针头同心轴设置，内针头和外针头之间形成液体通道，所述控制系统控制供气装置间断的向内针头供气，所述注射泵与液体通道相通，所述注射泵持续向液体通道供液，所述高压电源连接同轴纺丝针头，所述收集板接地，所述收集板与同轴纺丝针头位置相对应。

进一步，所述内针头包括进气口和出气口，所述进气口与供气装置相通，所述出气口的形状为圆形或椭圆形，所述外针头包括进液口和出液口，所述液体通道通过进液口与注射泵相通，所述出液口的形状为多边形或圆形。

进一步，所述液体通道内设有分隔板，所述分隔板沿液体通道的轴线方向将其分成两个分通道，所述注射泵的数量为两个，两个注射泵与两个分通道分别连通

采用上述中空珠链结构的纤维膜的制备装置的制备方法，步骤如下：

高分子聚合物溶液经注射泵以第一流速通入同轴纺丝针头的液体通道，在收集板处收集电纺纤维；

经过时间T，通过供气装置以第一气压及第一频率向同轴针头内针头通气，在收集板处收集电纺纤维，得到具有中空珠链结构的纤维膜。

进一步，所述第一流速为40-130μl/h，所述时间T为2-5s。

进一步，所述第一气压为0.01-0.2MPa，所述第一频率为每分钟40-60次。

进一步，将制备的中空珠链结构的纤维膜进行真空干燥，真空干燥的温度为40℃-80℃，真空干燥的时间为1.5-2.5h。

一种采用上述制备方法制备的中空珠链结构的纤维膜，包括电纺纤维，所述电纺纤维内部沿其轴线方向间隔设有多个中空的气泡。

进一步，所述气泡为椭圆形，所述气泡的长轴方向与电纺纤维的轴线方向相同。椭圆形的气泡有更多的附着点，储存电荷的时候，相比于圆形气泡，椭圆的两侧边具有极性差，能够储存更多的电荷，且电荷不易相互中和。

进一步，所述电纺纤维包括两个纤维壳，两个纤维壳的相互连接，在应用中，两个纤维壳内部的极性不同。

上述技术方案具有以下有益效果：

本发明所生产的电纺纤维内部具有间隔设置的气泡，相比于常规的中空电纺纤维，气泡为封闭结构，气泡内存储电荷更不容易脱离，在潮湿的环境中，能够电荷能够储存更加，进而本发明的电纺纤维具有更好的储能效果。

附图说明

图1为实施例1所述制备装置结构图。

图2为实施例1所述制备装置的同轴纺丝针头结构图。

图3为实施例1和实施例2所制备的电纺纤维示意图。

图4为实施例2所述制备装置的同轴纺丝针头结构图。

图5为实施例3所述制备装置结构图。

图6为实施例3所述制备装置的同轴纺丝针头结构图。

图7为实施例3所制备的电纺纤维示意图。

附图标记说明：

1、供气装置；11、气泵；12、压力表；2、注射泵；3、控制系统；31、可编程控制器；32、电磁阀；33、精密气动控制阀；34、高频电磁阀；4、同轴纺丝针头；41、内针头；42、外针头；43、液体通道；431、分通道；5、高压电源；6、收集板；7、电纺纤维；71、纤维壳；8、气泡。

具体实施方式

为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。

实施例1

参考图1-3，一种中空珠链结构的纤维膜的制备装置，包括供气装置1、注射泵2、控制系统3、同轴纺丝针头4、高压电源5和收集板6，所述同轴纺丝针头4包括内针头41和外针头42，内针头41设置在外针头42内，所述内针头41和外针头42同心轴设置，内针头41和外针头42之间形成液体通道43，所述控制系统3控制供气装置1间断的向内针头41供气，所述注射泵2与液体通道43相通，所述注射泵2持续向液体通道43供液，所述高压电源5连接同轴纺丝针头4，收集板6接地，所述收集板6与同轴纺丝针头4位置相对应。所述内针头41包括进气口和出气口，所述进气口与供气装置1相通，所述出气口的形状为圆形，所述外针头42包括进液口和出液口，所述液体通道43通过进液口与注射泵2相通，所述出液口的形状为圆形。具体的，控制系统3包括可编程控制器31、电磁阀32、精密气动控制阀33和高频电磁阀34，所述供气装置1通过气体管道与进气口相通，气体管道上设有压力表12和气泵11，电磁阀32、精密气动控制阀33和高频电磁阀34依次设置在气泵11和压力表12之间，电磁阀32、精密气动控制阀33和高频电磁阀34均与可编程控制器31电连接，可编程控制器31通过控制电磁阀32、精密气动控制阀33和高频电磁阀34的启闭来控制供气。内针头41的内径为0.55mm，外针头42的内径为1.3mm。高压电源5可以为直流电源也可以是交流电源，收集板6为锡箔或光滑金属板。

本实施例注射泵2输送的溶液为PVDF溶液，具体的PVDF溶液的浓度为16wt％：溶液中的溶剂为DMF和丙酮的混合溶液，DMF和丙酮的体积比为7:3。注射泵2输送的溶液还可以是PANI、PVC等碳基结构的高分子聚合物溶液。

利用上述装置制备的中空珠链结构的纤维膜的制备方法的步骤如下：

(1)使用高压电源5为同轴纺丝针头4和收集板6提供2.5kV电压，调配好的高分子聚合物溶液经注射泵2以第一流速40μl/h通入同轴纺丝针头4的液体通道43，在收集板6处收集电纺纤维，此时得到的是实心电纺纤维；

(2)、经过时间T后，T为2s，实心电纺纤维纺丝稳定后，控制系统3控制电磁阀32、精密气动控制阀33和高频电磁阀34开启，供气装置1开始向同轴纺丝针头4的内针头41以第一气压和第一频率输送气体，第一气压为0.01MPa，第一频率为每分钟40次，时间T为实心纤维的运行稳定时间，第一频率为供气装置1与同轴纺丝针头4的通断频率；

(3)、具有中空珠链结构的纤维膜纺丝完成后，收集该电纺纤维并使用真空干燥箱对其进行真空干燥，真空干燥的温度为40℃，真空干燥的时间为2.5h。

通过上述方法制备的电纺纤维包括电纺纤维7，电纺纤维7内部沿其轴线方向间隔设有多个中空的气泡8，气泡8的形状为圆形。

实施例2

参考图3-4，一种中空珠链结构的纤维膜的制备装置，与实施例1的制备装置的不同点在于，所述内针头41出气口的形状为椭圆形，所述外针头42的出液口的形状为多边形，本实施例中为矩形。

应用上述装置制备的中空珠链结构的纤维膜的制备方法的步骤与实施例的制备方法一致，不同点在于，第一流速为90μl/h，高压电源5提供的电压为4kV，T为3s，第一气压为0.1MPa，第一频率为每分钟50次，真空干燥的温度为60℃，真空干燥的时间为2h。

通过上述方法制备的电纺纤维包括电纺纤维7，电纺纤维7内部沿其轴线方向间隔设有多个中空的气泡8，气泡8的形状为椭圆形，如图3所述，由于外针头为矩形，在纺丝液体在流动的过程中，呈不规则下落，在电纺纤维7的外表面形成凹凸结构。

实施例3

参考图5-7，一种中空珠链结构的纤维膜的制备装置，与实施例1的制备装置的不同点在于，所述内针头41出气口的形状为椭圆形，所述外针头42的出液口形状为多边形，本实施例中为矩形，且分液通道内设有分隔板，所述分隔板沿液体通道43的轴线方向将其分成两个分通道431，所述注射泵2的数量为两个，两个注射泵2与两个分通道431分别连通。

本实施例中，一个注射泵2输送的溶液为PVDF溶液，具体的PVDF溶液的浓度为16wt％，溶液中的溶剂为DMF和丙酮的混合溶液，DMF和丙酮的体积比为7:3，另一个溶液为PVC溶液，具体的PVC溶液的浓度为16wt％，溶液的溶剂为丙酮。

表1.实施例1-3和对照组的实验条件和纤维测试数据

表1中，实施例2和3的中空直径为椭圆形气泡的短轴直径。

应用实施例3的制备装置的中空珠链结构的纤维膜的制备方法的步骤与实施例的制备方法一致，不同点在于，第一流速为130μl/h，高压电源5提供的电压为5kV，第一气压为0.2MPa，T为5s，第一频率为每分钟60次，真空干燥的温度为80℃，真空干燥的时间为1.5h。

通过上述方法制备的电纺纤维包括电纺纤维7，电纺纤维7内部沿其轴线方向间隔设有多个中空的气泡8，气泡8的形状为椭圆形，电纺纤维7包括两个纤维壳71，两个纤维壳71的沿轴线相互连接，所述两个纤维壳71的材料分别为PVDF材料和PVC材料，在压电应用过程中，通过外部工艺对两个纤维壳进行极化，使得两者内部的极性不同。

对照组

使用内外针头均为圆形的同轴纺丝针头，制备方法与实施例1的不同点在于，第一流速为130μl/h，高压电源提供的电压为5kV，T为5s，供气气压为0.2MPa，没有供气的间隔，供气装置持续向同轴纺丝针头供气，真空干燥的温度为80℃，真空干燥的时间为1.5h。

由表1可以看出，本发明中生产的电纺纤维与对照组相比具有更高的带电荷量，具有更高的振动输出电压，其中实施例2和实施例3由于是椭圆形的气泡，所带的正负电荷能够在其两侧面均匀分布，所带的电荷量更多，而实施例3由于两侧面分别使用极性不同的PVDF材料和PVC材料，使得两侧面的极性加强，进一步增加其带电荷量。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。

尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (6)

1.一种中空珠链结构的纤维膜的制备装置，其特征在于，包括供气装置、注射泵、控制系统、同轴纺丝针头、高压电源和收集板，所述同轴纺丝针头包括内针头和外针头，内针头设置在外针头内，所述内针头和外针头同心轴设置，内针头和外针头之间形成液体通道，所述控制系统控制供气装置间断的向内针头供气，所述注射泵与液体通道相通，所述注射泵持续向液体通道供液，所述高压电源连接同轴纺丝针头，所述收集板接地，所述收集板与同轴纺丝针头位置相对应，所述内针头包括进气口和出气口，所述进气口与供气装置相通，所述出气口的形状为圆形或椭圆形，所述外针头包括进液口和出液口，所述液体通道通过进液口与注射泵相通，所述出液口的形状为多边形或圆形，控制系统包括可编程控制器、电磁阀、精密气动控制阀和高频电磁阀，所述供气装置通过气体管道与进气口相通，气体管道上设有压力表和气泵，电磁阀、精密气动控制阀和高频电磁阀依次设置在气泵和压力表之间，电磁阀、精密气动控制阀和高频电磁阀均与可编程控制器电连接。

2.如权利要求1所述的中空珠链结构的纤维膜的制备装置，其特征在于，所述液体通道内设有分隔板，所述分隔板沿液体通道的轴线方向将其分成两个分通道，所述注射泵的数量为两个，两个注射泵与两个分通道分别连通。

3.一种中空珠链结构的纤维膜的制备方法，采用权利要求1-2任一所述的中空珠链结构的纤维膜的制备装置，其特征在于，步骤如下：

高分子聚合物溶液经注射泵以第一流速通入同轴纺丝针头的液体通道，在收集板处收集电纺纤维；

经过时间T，通过供气装置以第一气压及第一频率向同轴针头内针头通气，在收集板处收集电纺纤维，得到具有中空珠链结构的纤维膜，

所述第一流速为40-130μl/h，所述时间T为2-5s，

所述第一气压为0.01-0.2MPa，所述第一频率为每分钟40-60次。

4.如权利要求3所述的中空珠链结构的纤维膜的制备方法，其特征在于，将制备的中空珠链结构的纤维膜进行真空干燥，真空干燥的温度为40℃-80℃，真空干燥的时间为1.5-2.5h。

5.一种中空珠链结构的纤维膜，采用权利要求3-4任一项所述的中空珠链结构的纤维膜的制备方法制备，其特征在于，包括电纺纤维，所述电纺纤维内部沿其轴线方向间隔设有多个中空的气泡。

6.如权利要求5所述中空珠链结构的纤维膜，其特征在于，所述电纺纤维包括两个纤维壳，两个纤维壳相互连接，在应用中，两个纤维壳内部的极性不同。

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