[发明专利]制备沿纤维轴单向排列纳米长纤维的静电纺丝方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及静电纺丝的方法及装置，具体涉及一种制备单丝间粘连少、缠绕少、单向排列好，取向度高，序态结构优良以及残余溶剂少、纤维表面形态可控的纳米长纤维的静电纺丝方法及装置。

背景技术

静电纺丝是目前获得纳米级或亚微米级纤维最有效的纺丝方法，所得的纳米纤维的直径一般在几十纳米～几微米之间，无纺毡的孔尺寸从几微米～几百微米之间，具有超高的比表面积和大的孔隙率，纤维分子链的取向和晶格的重排会表现出更优异的力学性能，是制备高性能复合材料的重要增强材料。电纺纳米纤维，获得沿纤维轴单向排列的单根纳米纤维或单轴纤维束十分艰难。这是因为聚合物射流的飞行轨迹是十分复杂的三维“抖动或鞭动”，这种鞭动是由于弯曲不稳定性引起的，而不是在直线路径处产生的。因此电纺超细纤维多以无纺布形式得到，这在一定程度上限制了超细纤维的应用，能够得到连续而且定向排列的超细纤维一直是研究者的目标。全世界众多的研究者均在这方面做了大量的研究，可是直到今天，还没有制得纳米连续长纤，有关平行排列纤维的文献报导也很少。Matthew等以高速旋转的金属转鼓作为阴极，可以得到面积较大的定向排列的纤维，但仍存在较多的无定向排列的纤维，而且当转速过高时，纤维间会出现空隙。Katta等把导线组合成鼓状的轮廓，并高速旋转作为阴极，收集到了高度定向的纤维，纤维层较薄。Theron等以高速旋转的圆盘作为接收装置，圆盘的边缘为锥形，非常锋利，可以接收到高度定向排列的纤维，但是当接收的纤维较厚之后，若仍保持原来的转速，纤维的定向程度会明显降低。Dalton等以两个平行放置的金属圆环作为阴极收集装置，在圆环之间得到了定向排列的纤维，当一个环转动时，可以接收到加捻的纤维丝束，但是长度有限。Deitze等设计的装置在喷丝口和铜圈处接上不同的电压作为阳极，通过在喷丝口和接收装置之间放置铜圈产生汇集于一直线的电场，抑制了原本不稳定“鞭动”的射流，使射流被拉直，得到定向排列的超细纤维。Smit等将聚丙烯腈、聚偏氟乙烯和聚乙烯醋酸酯电纺到凝固浴中，然后通过连接高速旋转的转鼓得到了定向排列良好的长而连续的丝束，其缺点是收集丝束的速度相对较慢。

发明内容

本发明提出一种制备沿纤维轴单向排列纳米长纤维的静电纺丝装置，包括喷丝头和辊筒收集器，其特征在于：还包括在喷丝头下方设置的带有接地装置的凝固浴槽，所述的凝固浴槽和泵通过管道形成一个循环装置；

或者在凝固浴槽前后分别设置高位水槽和低位水槽；所述的凝固浴槽、高位水槽和低位水槽和泵通过管道形成一个循环装置。

喷丝头和接收器凝固浴表面的距离为8-30cm，辊筒收集器与凝固浴槽接收器表面的所成角度为-10～30度。

应用所述制备沿纤维轴单向排列纳米长纤维的静电纺丝装置的方法，其特征在于：配置浓度为8％wt～40％wt的聚合物纺丝溶液，将配置的聚合物纺丝溶液通过喷丝头喷出纤维，纤维在空气中挥发溶剂后进入凝固浴槽，在凝固浴槽中进一步脱除部分溶剂，在凝固浴溶液的导流作用下，消除电纺丝中的静电作用，使纤维定向流动，再经过辊筒收集器收集。凝固浴溶液为纯水，或者为溶剂与水的混合溶液；且温度为0～25℃，控制流量为0.7L/min～20L/min。

本发明得到单丝间粘连少、缠绕少、单向排列好，取向度高，序态结构优良以及残余溶剂少、纤维表面形态可控的长纤维束。该方法操作简单，定向效果好、易控，成本低。

本发明提出的制备沿纤维轴取向的纳米长纤维的静电纺丝方法：在静电纺丝过程中，将配置的聚合物纺丝溶液，通过喷丝头喷出，由凝固浴槽接收器接收形成初生纤维，纤维落于凝固浴表面上，再在流动凝固浴溶液的导流作用及后续辊筒收集器的缠绕牵引作用下进行连续收集。所用的静电纺丝装置，包括有正(或负)电极喷丝头和接收器，静电纺适用的电压为15KV～35KV。

喷丝头的数目可控为1～2000，喷丝头的喷丝孔数目为1～100，喷丝孔的孔径为0.1mm～3mm。