[發(fā)明專利]一種制備一維有序結構的納米纖維的靜電紡絲方法及裝置

無效

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• 申請日: 2011-05-23
• 公開（公告）號: CN102181948A
• 公開（公告）日: 2011-09-14
• 發(fā)明（設計）人: 劉杰;陳桂
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: D01D5/00
• 分類號: D01D5/00;D01D13/00
• 代理公司: 北京思海天達知識產(chǎn)權代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

技術領域：

本發(fā)明涉及一種制備一維有序結構的納米纖維的靜電紡絲方法及裝置。

背景技術：

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，直徑在5～7μm碳纖維的研究開工作已處于進一步擴展品種、降低成本，應用領域多樣化的階段。但是在適應先進科技需求，進一步提高碳纖維力學性能方面卻受到了極大的障礙。人們一直希望能在性能研制或理論上找到突破，然而二十多年來碳纖維的抗拉強度并未有新的提高，其實際強度仍遠遠低于理論值。顯然這一問題需要新思路與新方法加以推動直至解決。已有的研究表明：纖維表面缺陷和內(nèi)部缺陷是制約碳纖維牽伸強度的最主要的因素。根據(jù)體積效應和最弱連接理論，纖維纖度越小，單位長度上所包含的大缺陷越少，所制得的碳纖維的強度越高。此外，纖維纖度小，可減輕或消除原絲、預氧絲和碳纖維的皮芯結構，易制得均質(zhì)纖維，從而可得到高強碳纖維。新型單向收集靜電紡絲技術所具有的細旦化、高純化、微晶化和均質(zhì)化等特點為制備高性能碳纖維提供了可能。

碳纖維之所以具有優(yōu)異的力學性能是源于其類石墨層面沿纖維軸高度取向(Small，2009，5(5)：536-542.)。由于電紡纖維成纖過程中泰勒(Taylor)錐作用，采用傳統(tǒng)靜電紡絲裝置收集到的纖維呈無紡布形式分布。這種單纖維間縱橫交叉的具有網(wǎng)絡結構的無紡布或纖維束在原絲后處理與后續(xù)碳纖維制備過程中不能獲得必要的有效高倍牽伸效果，亦不能滿足PAN大分子與碳網(wǎng)層面獲得高度取向的需求，故傳統(tǒng)電紡纖維力學性能低下，長期以來不能用于結構材料使用(高分子材料科學與工程，2008，24(12)：1-5)。為此，以單向收集沿著軸向序列排列電紡絲為目的的探索工作成為電紡領域國內(nèi)外學者們研究的熱點。

制備理想的序列排列納米纖維或單絲，相應設備設計改進尤為必要，特別是收集器。2000年前后，Reneker等首先設計了旋轉鼓形(或稱輥筒式)收集器，在集束狀聚丙烯腈纖維收取技術上取得突破，獲得宏觀陣列的電紡絲納米纖維(J.Electrost，1995，35(2-3)：151-160；Polymer，1999，40(16)：4585-4592；J.Appl.Phys.，2000，87(9)：4531-4547.)。然而，收集到的納米纖維在有序程度是有限的，沒有從根本上改變單纖維間存在的縱橫交叉的網(wǎng)絡結構。Zussman等(Adv.Mater.，2003，15(22)：1929-1932.)設計外緣寬度漸變的輪狀蝶盤收集器，產(chǎn)物主要在尖銳的邊緣有序排列，故收集的有序纖維極短。Xia等(Nano?Lett.，2003，3(8)，1167-1171.)采用雙平行板電極收集器，利用電極間隙改變電場分布，并提供與外電場相反的靜電力牽伸帶電纖維，從而強制纖維垂直排列在掛在間隙的邊緣；已沉積的纖維間靜電脈沖增加有序度，通過調(diào)節(jié)兩電極的間隙最終可收集到一定長度的有序纖維。但是，由于首先到達負極的纖維會很快釋放電荷，當纖維膜達到一定的厚度時，纖維之間的靜電排斥作用使纖維的定向程度降低(NanoLett.，2004，4(11)：2215-2218.)，連續(xù)收集有序電紡纖維的時間相對較短。前述輥筒法，飛輪法等均存在以上問題。

發(fā)明內(nèi)容：

本發(fā)明的目的是提供一種制備一維有序結構的納米纖維的靜電紡絲方法及裝置，以克服現(xiàn)有技術存在的上述缺陷。

一種制備一維有序結構的納米纖維的靜電紡絲裝置，其特征在于：包括帶有保溫裝置的注射泵，與注射泵相連的直流正電電源，兩上下平行放置的鑲有金屬外圈的絕緣圓盤，注射泵在該兩個絕緣圓盤的一側并且和兩個絕緣圓盤平行等距；每個絕緣圓盤的金屬外圈與絕緣圓盤中心之間連接有金屬導線；

包括有控制兩個絕緣圓盤同軸轉動的電機；

包括有穿過兩個絕緣圓盤中心的導電轉軸，與導電轉軸相連的直流負電電源，導電轉軸下方是同軸的絕緣轉軸，導電轉軸通過該絕緣轉軸與上述控制兩個絕緣圓盤同軸轉動的電機相連接；

在該兩個絕緣圓盤的另一側放置有U形絕緣收集框，且U形絕緣收集框兩個邊和兩個絕緣圓盤平行，且U形絕緣收集框兩個邊之間的距離小于兩個絕緣圓盤的高度。即U形絕緣收集框兩個邊和兩個絕緣圓盤不接觸，放在兩個絕緣圓盤之間但是U形絕緣收集框基本在兩個絕緣圓盤外側。