[發明專利]制備定向碳納米管增強聚合物納米纖維的靜電紡絲裝置

無效

• 申請號: 200910117705.0
• 申請日: 2009-12-09
• 公開（公告）號: CN101818382A
• 公開（公告）日: 2010-09-01
• 發明（設計）人: 戴劍鋒;王青;李維學;楊華;姜金龍;孫毅彬;李星;趙沛;陳小婷;慕曉文;王軍紅;令閏強
• 申請（專利權）人: 蘭州理工大學
• 主分類號: D01D5/00
• 分類號: D01D5/00;D01D13/02
• 代理公司: 蘭州振華專利代理有限責任公司 62102
• 代理人: 董斌

技術領域

本發明涉及制備碳納米管用的裝置。

背景技術

碳納米管(CNTs)于1991年被日本學者lijima發現，由于其具有非常大的長徑比和優良的力學、電學、熱學等性能，故可以作為納米纖維增強體和導電纖維添加材料，尤其是當CNTs在聚合物基體中高度定向排列時，其上述性能將會得到更加充分有效的發揮。

Sundaray等通過靜電紡絲工藝實現了CNTs在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等聚合物基納米纖維中的初步定向排列(Bibekananda?Sundaray，et?al.APPLI-ED?PHYSICS?LETTERS.2006，88，143114)，即通過使帶電荷的高分子溶液或熔體在靜電場中流動與變形，然后經溶劑蒸發或冷卻而固化而得到纖維狀物質，制備出納米級纖維。但其所得的聚合物基納米纖維中的CNTs的定向排列度不高；而且在靜電紡絲過程中，當溶液或熔體的濃度過低、黏度過小時，會使得到的聚合物基納米纖維的表面形貌不光滑，易出現孔洞、串珠狀結構且纖維易粘連在一起，同時所得的纖維的直徑分布不均。

發明內容

本發明的目的是實現CNTs在聚合物基納米纖維中的高度定向排列，得到表面形貌光滑、無孔洞且直徑分布均勻的聚合物基納米纖維。

本發明解決上述問題采用的技術方案是：制備定向碳納米管增強聚合物納米纖維的靜電紡絲裝置，包括有儲液裝置2，連接在儲液裝置2下的石英毛細管定向裝置，由轉軸連接的圓盤狀轉動收集板5和電機M₁，石英毛細管定向裝置和圓盤狀轉動收集板5之間對應連接有高壓直流電源6，石英毛細管定向裝置中的石英毛細管3一端與儲液裝置2連接，另一端裝有嵌入細銅絲4a的鋼質噴絲頭4。

本發明的技術解決方案中：所述鋼質噴絲頭4的長度為30mm、鋼制外層4b厚100μm，鋼質噴絲頭4的內徑4c略大于石英毛細管3的外徑，鋼質噴絲頭4內嵌有四根細銅絲4a，鋼質噴絲頭4與石英毛細管3連接處的鋼質噴絲頭4外壁上有電源接入口4d。

本發明的技術可解決方案中：所述的石英毛細管3的內徑為200μm～300μm、長度為2m～5m，石英毛細管3外部包裹有50μm厚度的聚酰胺涂層。

本發明的技術解決方案中：所述的儲液裝置2上設有增壓裝置1。

本發明的技術解決方案中：所述的圓盤狀轉動收集板5厚度為5mm、外部附有鋁膜，圓盤狀轉動收集板5在工作時，圓盤狀轉動收集板5邊緣的線速度為5m/s～45m/s，與鋼質噴絲頭4之間的距離為10cm～20cm。

本發明的技術解決方案中：所述的高壓直流電源6的正極用導線與鋼質噴絲頭4的電源接入口4d連接，高壓直流電源6的負極用導線與圓盤狀轉動收集板5連接。

發明的技術解決方案中：所述的細銅絲4a的直徑均為20μm，在鋼質噴絲頭4的噴絲口端平行排列、相互分離，并伸出鋼質噴絲頭4的噴絲口2mm，細銅絲4a在與鋼質噴絲頭4的噴絲口端相對的另一端伸出且固定在鋼質噴絲頭4的外壁，同鋼質噴絲頭4的電源接入口4d連接。

與現有技術相比，本發明具有以下特點：

1.本發明在靜電紡絲過程中采用電場和流場形成的組合物理場，提高了聚合物基納米纖維中CNTs定向度。

即在靜電紡絲裝置的儲液裝置2和電源6之間添加超長的石英毛細管定向裝置，使靜電紡絲溶液或熔體以Poiseuille流的形式通過石英毛細管3部分，毛細管中心處的流速高，靠近毛細管壁處流速低。在此過程中，由于流速梯度的存在，使CNTs只有在沿流線方向排列時，所受轉動力矩才等于零。同時，根據求解Fokker-Planck方程分析，流速梯度場的流程越長，CNTs沿流速方向取向優勢越明顯。本發明選用長度為2m-5m，內徑200μm-300μm的石英毛細管3時，可以保證在進行靜電紡絲前，CNTs已經預先取得一定的取向優勢，從而提高了其在最終產物中的定向程度。

2.本發明在靜電紡絲過程中，a.利用細銅絲使噴絲口附近的電場線更加集中，減小噴絲的臨界電壓；b.利用紡絲溶液或熔體與銅絲間的毛細作用，使泰勒錐產生于細銅絲尖端，減小實際噴絲頭口徑和泰勒錐底面直徑，以得到更細的CNTs增強復合納米纖維。

附圖說明

圖1為改進型靜電紡絲設備結構示意圖，圖2為嵌入有細銅絲的噴絲頭結構示意圖，圖3為石英毛細管的截面圖，圖4為圖2中嵌入有細銅絲的鋼質噴絲頭AB面的截面圖，圖5為CNTs/PMMA聚合物基納米纖維的SEM照片，圖6為CNTs/PMMA聚合物基納米纖維的TEM照片。

具體實施方式