專利名稱：超細(xì)聚合物纖維高速氣吹靜電紡絲復(fù)合制備方法及裝置的制作方法
超細(xì)聚合物纖維高速氣吹靜電紡絲復(fù)合制備方法及裝置所屬領(lǐng)域本發(fā)明屬于一種高速氣吹靜電紡絲復(fù)合加工技術(shù)。本發(fā)明通過高速氣流和 高壓電場同時(shí)作用于尖端處的帶電流體，使之快速形成帶電射流，射向電場的 另一極。在電場驅(qū)動(dòng)力和高速運(yùn)動(dòng)氣流的協(xié)同作用下，帶電射流向納米纖維收 集器(電場的另一極)迅速移動(dòng)，溶劑迅速揮發(fā)，射流直徑迅速變小、射流最 終固化形成直徑均勻的納米纖維。 背景4支術(shù)靜電紡絲技術(shù)是一種使帶電荷的聚合物溶液或熔體在靜電場中產(chǎn)生微細(xì) 射流，這種射流從一極到另一極的快速運(yùn)動(dòng)過程中，溶劑揮發(fā)而溶質(zhì)固化或融 體冷卻而固化形成聚合物超細(xì)纖維的加工方法。電紡聚合物超細(xì)纖維的直徑涵 蓋了 1納米到數(shù)微米的廣譜尺寸范圍，其長度則覆蓋了數(shù)厘米到數(shù)米的范圍(依 賴于纖維收集裝置的形狀和收集方式)，這種高長度的一維納米材料特性使其 能直接作為宏觀結(jié)構(gòu)材料使用，形成電紡超細(xì)纖維無紡布。這種電紡超細(xì)纖維 無紡布(non-woven fabric)是高度孔隙化的，孔徑可小至數(shù)納米，具有優(yōu)良 的過濾性質(zhì)。由于強(qiáng)度問題，只能與其它有適當(dāng)強(qiáng)度的支撐材料復(fù)合用于或正 在開發(fā)用于各種發(fā)動(dòng)機(jī)(從汽車、坦克發(fā)動(dòng)機(jī)到渦輪機(jī)廠房)的進(jìn)氣口，消防、 醫(yī)療及軍事防護(hù)上濾除塵埃、煙霧、細(xì)菌、甚至病毒。另一方面，由于小直徑纖維的柔軟性導(dǎo)致的良好手感及高比表面積導(dǎo)致的良好吸濕性使電紡聚合物 納米纖維具有進(jìn)入舒適性服裝行業(yè)的巨大潛力；在宇航方面，美國的科學(xué)家們則在研究用這種高度孔隙化而導(dǎo)致低密度的電紡聚合物納米纖維布制造在太 空中推進(jìn)宇航器的光帆。普通的靜電紡絲技術(shù)采用中空尖嘴噴頭，聚合物溶液或融體在中空的尖頭 上或針頭上形成懸掛的半液滴，后者在高壓電場作用下形成Taylor錐，最后， 電場力在尖錐處突破液面張力產(chǎn)生帶電射流射向另一極形成超細(xì)纖維。以這種 方式制備超細(xì)纖維，單噴頭(或單針頭)每小時(shí)的產(chǎn)量不足0. 5克(低濃度時(shí)發(fā)明內(nèi)容' ；< 召
本發(fā)明的目的是提供一種超細(xì)聚合物纖維高速氣吹靜電紡絲復(fù)合制備方 法及裝置。本發(fā)明超細(xì)聚合物纖維高速氣吹靜電紡絲復(fù)合制備的裝置包括噴嘴、高 壓電源、金屬針、噴嘴外套為錐形管狀，噴嘴中部設(shè)有聚合物溶液噴管，噴管 中央設(shè)有金屬針，金屬針尾部與高壓電源連接，噴管與噴嘴外套之間設(shè)有勻氣 閥，噴嘴外套側(cè)壁設(shè)有高壓氣流出口，高壓氣流出口與勻氣閥、噴管聯(lián)通。本發(fā)明超細(xì)聚合物纖維高速氣吹靜電紡絲復(fù)合制備方法，其特征在于用 內(nèi)外套管把氣路與溶液通道分隔開，高速氣流從外套管噴出，聚合物溶液在機(jī) 械推力、高速氣流"虹吸"和高壓電場驅(qū)動(dòng)力的共同作用下從中心毛細(xì)管端噴 射出，形成穩(wěn)定的高速射流，射向作為收集器的另一極。射流在從一極向另一 極的運(yùn)動(dòng)過程中，溶劑揮發(fā)，射流固化，形成聚合物超細(xì)纖維。這種高速氣吹 靜電紡絲復(fù)合加工技術(shù)所用的電場強(qiáng)度在30到120kV/m之間，噴絲口氣體流 速介于100 m/s到500 m/s范圍內(nèi)，單噴頭的紡絲液耗量在0. 1到1. 0 ml/min， 所形成聚合物超細(xì)纖維的直徑在50nm到1500nm范圍內(nèi)。本發(fā)明釆用高壓氣流和高壓電場共同作用紡絲，即用高壓氣流來加快靜電 紡絲的速度。聚合物溶液在高壓氣流和高壓電場的的共同作用下形成高度分散 的射流，射向電場的另一極。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)電紡過程所用的設(shè)備簡單，操作簡便，可以用于多種聚合物溶液的電紡及可以極大地加快靜電紡絲的速度，其電紡速度比單獨(dú)的靜電紡絲的速度快近10 倍。同時(shí)形成納米纖維沒有珠狀、直徑均一，制備的納米纖維的直徑在 1500-50nm之間。


圖1為超細(xì)聚合物纖維高速氣吹靜電紡絲復(fù)合制備的裝置示意圖 圖2為PAN納米纖維SEM照片 圖3為PAA納米纖維SEM照 圖4為Nylon 4/6納米纖維SEM照片 圖5為PSA納米纖維SEM照片 圖6為PLA納米纖維SEM照 圖7 為PU納米纖維SEM照片 具體實(shí)施例實(shí)例1 : 一種用于超細(xì)聚合物纖維高速氣吹靜電紡絲復(fù)合制備的裝置包括:
噴嘴、高壓電源、金屬針、噴嘴外套為錐形管狀，噴嘴中部設(shè)有聚合物溶液噴管4 ,噴管4中央設(shè)有金屬針7 ，金屬針7尾部與高壓電源2連接，噴管4與 噴嘴外套之間設(shè)有勻氣閥6 ,噴嘴外套側(cè)壁設(shè)有高壓氣流出口 3 ，高壓氣流出 口 3與勻氣閥、噴管4聯(lián)通。超細(xì)聚合物纖維高速氣吹靜電紡絲復(fù)合制備的裝 置的外套間的管壁將氣流和聚合物溶液分開。給聚合物溶液加-恒定的壓力， 聚合物溶液在重力的或外界壓力的作用下，從噴嘴內(nèi)管聚合物溶液噴管4穩(wěn)定 流出，并在出口處形成液滴。高壓氣流5從液滴的周圍處噴出，形成"虹吸，， 現(xiàn)象而作用在聚合物液滴上，從而加快溶液的流出速度和射流從液滴中射出的 速度。帶電射流向納米纖維收集器即電場的另一極迅速移動(dòng)，溶劑迅速揮發(fā)， 射流直徑迅速變小、射流最終固化形成直徑均勻的納米纖維。通過調(diào)節(jié)聚合物 溶液的性質(zhì)，如粘度，導(dǎo)電性等，可以改變納米纖維的形貌和直徑，制備表面 光滑，直徑均一的納米纖維。實(shí)例2聚丙烯腈(PAN)紡絲溶液的制備方法 稱取10 g的特性粘度為2. 3 dl/g的PAN,加入90g N， N-二曱基乙酰胺 (DMAc)，控制溶液質(zhì)量濃度約為10%,加入約0. 2%的十六烷基三曱基溴化 銨(DEMAB),以增加溶液的導(dǎo)電性，在IOO 。C溫度下攪拌2hr，使形成均一透 明的溶液。紡絲的電場強(qiáng)度為50kV/m，氣流量為10 L/min, 噴絲口氣體流速 為204 m/s,(單噴頭的)溶液耗量為0. 3ml/min，納米纖維的直徑為800-1500 nm， PAN納米纖維SEM照片如圖2。實(shí)例3聚酰胺酸(PAA)紡絲溶液的制備方法 取自合成的濃度約為15 % 、特性粘度為2. 02 dl/g的PAA/麗Ac原溶液50 g,加入5 g四氫呋喃(THF )稀釋到溶液總的質(zhì)量濃度約為12 % ，加入約0. 2 。/。的有機(jī)鹽DEMAB，在0 。C的溫度下攪拌2hr，使形成均一透明的溶液。紡絲 的電場強(qiáng)度為60KV/m,氣流量為20L/min，噴絲口氣體流速為408 m/s，(單 噴頭的)溶液耗量為0. 25 ml/min，納米纖維的直徑為390-700nm， PAA納米纖 維SEM照片如圖3。實(shí)例4Nylon 4/6紡絲溶液的制備方法稱取20 g的特性粘度為2. 1 dl/g的Nylon 4/6，加入80 g曱酸，控制溶 液的質(zhì)量濃度約為20%，加入約0.2。/。的有^L鹽DEMAB，在常溫下攪拌8小時(shí)， 使形成均一透明的溶液。紡絲的電場強(qiáng)度為65 KV/m，氣流量為18 L/min，溶 液的流量0. 3ml/min，納米纖維的直徑為100-180 nm， Nylon 4/6納米纖維SEM 照片如圖4。
實(shí)例5聚砜芳綸(PSA )紡絲溶液的制備方法稱取20 g的特性粘度為1. 32 dl/g的PSA，加入113. 3 g DMAc，控制溶 液的質(zhì)量濃度約為15 % ,加入約0. 2 %的有機(jī)鹽DEMAB，在常溫下攪拌8小時(shí)， 使形成均一透明的溶液。紡絲的電場強(qiáng)度為60 KV/m,氣流量為15 L/min,噴 絲口氣體流速為306 m/s,(單噴頭的)溶液的流量為0. 25ml/min，納米纖維 的直徑為100-450 nm， PSA納米纖維SEM照片如圖5。 實(shí)例6聚乳酸(PLA )紡絲溶液的制備方法稱取10 g的特性粘度為3. 3-4. 3 dl/g的PLA,加入138 g三氯甲烷，控 制溶液的質(zhì)量濃度約為3. 5 % ，加入約0. 2 %的有才幾鹽DEMAB,在常溫下攪拌8 小時(shí)，使形成均一透明的溶液。紡絲的電場強(qiáng)度為45KV/m，氣流量為10L/min， 噴絲口氣體流速為204 m/s,(單噴頭的)溶液耗量為0. 3 ml/min，納米纖維 的直徑為500-850 nm， PU納米纖維SEM照片如圖6。 實(shí)例7聚脲(PU)紡絲溶液的制備方法稱取15 g的特性粘度為1. 36 dl/g的PU,加入75 g N， N-二曱基曱酰胺 (DMF)和25 g THF,控制溶液總的質(zhì)量濃度約為15%,加入約0. 2 %的有機(jī) 鹽DEMAB,在常溫下攪拌8小時(shí)，使形成均一透明的溶液。紡絲的電場強(qiáng)度為 60 KV/m,氣流量為18 L/min，噴絲口氣體流速為367 m/s，(單噴頭的)溶 液耗量為0. 35 ml/min，納米纖維的直徑為500-850 nm， PU納米纖維SEM照片 如圖7。
權(quán)利要求
1、超細(xì)聚合物纖維高速氣吹靜電紡絲復(fù)合制備的裝置，其特征在于包括噴嘴、高壓電源(2)、金屬針，噴嘴外套為錐形管狀，噴嘴中部設(shè)有聚合物溶液噴管(4)，噴管4中央設(shè)有金屬針(7)，金屬針(7)尾部與高壓電源(2)連接，噴管4與噴嘴外套之間設(shè)有勻氣閥(6)，噴嘴外套側(cè)壁設(shè)有高壓氣流出口(3)，高壓氣流出口(3)與勻氣閥(6)、噴管(4)聯(lián)通。
2、 超細(xì)聚合物纖維高速氣吹靜電紡絲復(fù)合制備方法，其特征在于用內(nèi)外套 管把氣路與溶液通道分隔開，高速氣流從外套管噴出，聚合物溶液在機(jī)械推力、 高速氣流"虹吸"和高壓電場驅(qū)動(dòng)力的共同作用下從中心毛細(xì)管端噴射出，形 成穩(wěn)定的高速射流，射向作為收集器的另一極。射流在從一極向另一極的運(yùn)動(dòng) 過程中，溶劑揮發(fā)，射流固化，形成聚合物超細(xì)纖維。這種高速氣吹靜電紡絲 復(fù)合加工技術(shù)所用的電場強(qiáng)度在30到120kV/m之間，噴絲口氣體流速介于100 m/s到500 m/s范圍內(nèi)，單噴頭的紡絲液耗量在0. 1到1. 0 ml/min，所形成聚 合物超細(xì)纖維的直徑在50nm到1500nm范圍內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明超細(xì)聚合物纖維高速氣吹靜電紡絲復(fù)合制備方法及裝置，是通過高速氣流提高靜電紡絲速度。把氣流通路和溶液通路通過套管分開，中心毛細(xì)管為聚合物溶液通道，外管為氣流通道。在強(qiáng)電場作用下，聚合物溶液射流從液滴中射出。從外套管中噴出的高速氣流一方面對中心毛細(xì)管中的聚合物溶液產(chǎn)生虹吸作用，幫助克服液滴的表面張力，加速了溶液射流的射出；另一方面，高速流動(dòng)的氣體加速了射流中溶劑的揮發(fā)及射流向另一極的運(yùn)動(dòng)速度。本發(fā)明紡絲速度比單一的靜電紡絲速度高出10倍以上，同時(shí)，所形成的納米纖維表面光滑、直徑大小與直徑分布和單一靜電紡制備的纖維直徑相仿。
文檔編號D01D5/00GK101126179SQ20071000959
公開日2008年2月20日 申請日期2007年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月25日
發(fā)明者侯豪情, 程楚云, 萍 胡, 陳水亮 申請人:江西師范大學(xué)