[发明专利]一种熔体磁纺丝装置及利用该装置制备微纳米纤维的方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米纤维制备新技术领域，特别涉及一种利用交变磁场力和拉伸力完全取代电场力的新型熔体磁纺丝装置及利用该装置制备微纳米纤维的方法。

背景技术

与传统纳米材料相比，一维纳米材料(如纳米线、纳米棒、纳米管等)具有巨大的比表面积、较大的长度/直径比、以及不同于大块样品的电、磁、力、热、光等物理化学性质，在纳米电子器件、空气过滤、传感器以及生物医学等诸多领域有着广阔的应用。随着纳米纤维材料在各领域应用技术的不断发展，纳米纤维材料的制备技术也得到了进一步的开发与研究。目前聚合物纳米纤维的制备技术主要包括模板聚合、相分离、自组装和纺丝加工法(包括熔喷法、静电纺丝法、拉伸法、双组分复合纺丝法)等，不同的制备技术具有其自身优势和其相对局限性。随着纳米科技的发展，静电纺丝法以其加工设备简单、原料来源广泛、纺丝工艺可控等诸多优点，受到国内外的广泛研究报道。静电纺丝技术分为溶液静电纺丝和熔体静电纺丝，其中熔体静电纺丝在提高纺丝产量，拓展纤维应用领域等方面有着传统溶液静电纺丝无法比拟的巨大优势：(1)熔体静电纺丝过程无需有机溶剂，减少溶剂挥发造成危害的同时，降低生产成品；(2)产品转化率高，避免溶剂的残留问题。

近年来，开发和完善熔体静电纺丝技术已经电纺研究热点之一。熔体静电纺丝虽然早在1936年Charles Norton等人的专利中就已提出，但是由于制备的纤维直径较大以及需要加热装置等原因，直到1981年才有相关的研究论文出现，进入21世纪之后，真正掀起熔体静电纺丝技术的研究热潮。当前熔体静电纺丝技术存在的主要问题：一是聚合物熔体的粘性大于其溶于溶剂后的粘性，意味着熔体静电纺丝需要更高的工作电压和温度；二是熔体电纺没有溶剂的挥发过程，制备的纤维较粗；三是熔体电纺需要额外的加热装置，一般采用电加热方式，极易导致电加热电路或金属元件同高压电极的击穿，从而终止纺丝过程。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对熔体静电纺丝装置结构复杂，高压电极易与加热电路击穿造成安全隐患等缺点，提供一种结构简单、操作安全的新型磁纺丝装置，该装置利用交变磁场力结合拉伸力完全取代电场力对聚合物熔体进行拉伸纺丝制备微纳米纤维。

为了实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种熔体磁纺丝装置，包括可控制给料速率可加热的给料装置，纺丝喷头，喷头驱动机构和纺丝接收装置，所述给料装置设置有加热熔融高分子材料的加热部件，所述纺丝接收装置包括水平设置的收集圆盘，所述收集圆盘的底部圆心处与直流无刷电机的输出轴对接联动，直流无刷电机电连接电源和控制电机转速的电机控制器，所述收集圆盘上表面以圆盘中心轴线为对称轴对称设置多个竖直支柱，所述竖直支柱至少为3个，竖直支柱中1个为永磁铁，其余为金属细针，所述纺丝喷头水平设置，纺丝喷头的喷射口指向纺丝接收装置的永磁铁，所述纺丝喷头连接可带动其在竖直方向上做往复运动的喷头驱动机构，所述纺丝喷头与供给纺丝液的给料装置相连。

进一步的，所述给料装置为单螺杆挤出机，所述单螺杆挤出机通过三段加热，喂料段温度为80℃～200℃、塑化段温度在85℃～205℃、均化段温度在90℃～210℃，所述单螺杆挤出机的机头通过输液管连接纺丝喷头。

进一步的，所述竖直支柱为4个，其中1个为永磁铁，3个为金属细针。

进一步的，所述喷头驱动机构为直线电机及其控制器。

本发明还公开了利用所述的新型熔体磁纺丝装置制备微纳米纤维的方法，包括以下步骤：

(1)物料混合：将磁性纳米颗粒和高分子聚合物充分搅拌混合，得混合物；

(2)微纳米纤维的制备：将步骤(1)所得混合物加入给料装置中，开启给料装置，设置加热部件的加热温度，磁性纳米颗粒和高分子聚合物在高温作用下熔融成磁流体纺丝液，调整给料装置的给料速率，磁流体纺丝液进入纺丝喷头，在纺丝喷头喷射口处形成液滴，纺丝喷头喷射口处的磁流体纺丝液液滴在磁场力的作用下形成射流与永磁铁搭连成桥，此时打开喷头驱动机构开关和直流无刷电机的电机控制器开关，调节电机转速，直流无刷电机带动收集圆盘旋转，在磁场力作用下铁磁流体射流不断被拉出，在拉伸细化过程中伴随着溶剂挥发，在收集圆盘的竖直支柱间缠绕形成有序磁性微纳米纤维，喷头驱动机构开启后带动纺丝喷头在竖直方向上做往复运动，可使纺丝在竖直支柱间均匀缠绕，而不聚集在一个位置互相缠绕粘连影响纺丝质量。