一種大規(guī)模磁紡設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種微納米纖維制備設(shè)備，具體涉及一種大規(guī)模磁紡設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]一維納米纖維是指在三維空間尺度上有兩維處于納米尺度的線狀材料，具有孔隙率高、比表面積大、較大的長度/直徑比、以及不同于大塊樣品的電、磁、力、熱、光等物理化學(xué)性質(zhì)，在納米電子器件、空氣過濾、傳感器以及生物醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用。隨著納米纖維材料在各領(lǐng)域應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展，納米纖維材料的制備技術(shù)也得到了進(jìn)一步的開發(fā)與研宄。目前，納米纖維的制備方法主要包括拉伸法、模板法、相分離法、自組裝法和紡絲加工法等，其中紡絲加工法被認(rèn)為是最有可能實現(xiàn)規(guī)?；B續(xù)制備微納米纖維的制備方法，主要包括熔噴法和靜電紡絲法。熔噴法作為規(guī)?；a(chǎn)超細(xì)纖維的重要方法，具有紡絲效率高、無溶劑、成本低的特點，可用于大批量生產(chǎn)制備超細(xì)纖維，但技術(shù)缺點在于適用的材料種類較少、適用范圍較窄、加工制備的纖維直徑較粗，無法滿足納米纖維材料在生物醫(yī)學(xué)、過濾材料以及傳感器件等領(lǐng)域的應(yīng)用需求。靜電紡絲法是目前制備聚合物納米纖維最簡單高效的方法之一，以其加工設(shè)備簡單、原料來源廣泛、紡絲工藝可控等諸多優(yōu)點，受到國內(nèi)外廣泛研宄與報道。靜電紡絲技術(shù)原理非常簡單，簡述為:在靜電紡絲過程中，聚合物溶液或熔體在電場力和表面張力的共同作用下形成射流，射流在下落過程中發(fā)生劈裂和拉伸，同時溶劑揮發(fā)，在收集極上固化成納米纖維。目前，利用靜電紡絲技術(shù)制備的納米纖維材料已有上百種，在高效過濾材料、生物醫(yī)用材料、高精密儀器、防護(hù)材料、納米復(fù)合材料等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。然而，傳統(tǒng)靜電紡絲裝置多以單噴頭紡絲為主，裝置產(chǎn)率極低(0.1-1克/小時)，主要用于科學(xué)研宄，難以滿足工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化需要。
[0003]近幾年，針對現(xiàn)有階段靜電紡絲技術(shù)從實驗室走向工業(yè)化面臨的一系列難題，致力于實現(xiàn)電紡納米纖維的批量化生產(chǎn)，各種新型靜電紡絲技術(shù)及其裝置成為當(dāng)前研宄的熱點。例如依據(jù)增多射流數(shù)目提高產(chǎn)量的思路，先后提出了改進(jìn)的單針頭、多針頭、無針頭靜電紡絲裝置。其中多針頭靜電紡納米纖維制備技術(shù)雖然增多射流數(shù)目獲得了較大的纖維產(chǎn)量，但由于高壓電勢富集，當(dāng)電壓高于三萬伏時，針頭頂端會形成“輝光放電”，對紡絲過程造成相互干擾，制備的納米纖維膜不均勻；無針頭靜電紡絲技術(shù)是在增大液面面積提高纖維產(chǎn)率的思路下提出的，國際專利W02005024101報道了一種無針頭靜電紡絲設(shè)備，該設(shè)備將滾筒形電極(纖維發(fā)生器)浸泡于聚合物溶液中，轉(zhuǎn)動滾筒電極使聚合物溶液均勻加載到整個滾筒表面。當(dāng)加載的聚合物溶液位于滾筒電極和纖維收集器形成的電場中，并且電場足以強到使?jié)L筒表面的液體形成泰勒錐時，便可在纖維收集器上得到納米纖維，該方法徹底消除了紡絲噴頭的限制，極大提高了靜電紡絲的生產(chǎn)效率，但不足之處在于該方法對紡絲液要求苛刻，且需要的電場強度較大，滾筒電極浸泡在開放聚合物溶液槽，溶劑極易揮發(fā)，造成環(huán)境污染。中國專利“一種規(guī)模式制備微納米纖維的靜電紡絲裝置”(ZL201210380576.6)中報道了一種采用細(xì)金屬鏈條作為紡絲噴頭，通過細(xì)金屬鏈條的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)紡絲溶液在金屬鏈條的涂覆，形成一維方向上的電紡絲。線狀噴頭代替?zhèn)鹘y(tǒng)紡絲噴頭的設(shè)計，避免了針頭堵塞現(xiàn)象的發(fā)生，同時該裝置結(jié)構(gòu)簡單，無需額外的氣氛環(huán)境和輔助設(shè)備，生產(chǎn)環(huán)境友好，但是纖維直徑可控性有待進(jìn)一步提高。但是，這些靜電紡絲裝置在推廣應(yīng)用上存在以下問題:(I)傳統(tǒng)靜電紡絲裝置通常采用直流高壓電源來提供紡絲所需的高壓靜電場，紡絲工作電壓高達(dá)上萬伏甚至十幾萬伏，不僅對操作人員造成一定的安全隱患，而且增加了大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)成本；(2)靜電紡絲法對紡絲液導(dǎo)電性要求較高，需要額外添加高導(dǎo)電物質(zhì)共混紡絲，并且需要后期處理來獲得高純度納米纖維，成本高昂且耗費時間；⑶靜電紡絲制備的納米纖維以無紡布形式存在，纖維排列十分凌亂，制約了靜電紡絲技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)、導(dǎo)電材料以及傳感器等領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。
【實用新型內(nèi)容】
[0004]本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種大規(guī)模磁紡設(shè)備及用該設(shè)備制備微納米纖維的方法，該設(shè)備以磁場力代替電場力，在交變磁場力作用下拉伸鐵磁流體制備磁性微納米纖維，整個過程無需高壓電作用，有效降低生產(chǎn)成本和安全隱患，同時可批量連續(xù)生產(chǎn)微納米纖維，且制得的纖維排布有序，產(chǎn)量高適合大規(guī)模生產(chǎn)。
[0005]為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供的技術(shù)方案如下:
[0006]一種大規(guī)模磁紡設(shè)備，包括支架，可以控制給料速率的給料裝置，紡絲噴射裝置和水平設(shè)置的滾筒式收集裝置，所述滾筒式收集裝置的收集滾筒安裝在支架上，收集滾筒與直流無刷電機的輸出軸對接聯(lián)動，收集滾筒和直流無刷電機的輸出軸的中心軸線相重合，直流無刷電機電連接電源和控制電機轉(zhuǎn)速的電機控制器，所述收集滾筒的表面固定有提供磁場的條形永磁鐵，所述條形磁鐵的長軸與收集滾筒的中軸線平行，所述紡絲噴射裝置設(shè)置有多個紡絲噴頭，所述多個紡絲噴頭均勻排成一列，紡絲噴頭的噴射口指向設(shè)置于收集滾筒表面的條形永磁鐵，且各個紡絲噴頭的噴射口與條形永磁鐵間的間距相同，所述紡絲噴射裝置與供給紡絲液的給料裝置相連，紡絲噴射裝置還包括可帶動所用紡絲噴頭沿收集滾筒中軸線方向做往復(fù)運動的噴頭驅(qū)動機構(gòu)。
[0007]進(jìn)一步的，所述紡絲噴射裝置包括內(nèi)部設(shè)置有導(dǎo)液槽的活動板體，所述導(dǎo)液槽的一端封閉，另一端通過輸液管與給料裝置相連，導(dǎo)液槽與所用紡絲噴頭連通，所述活動板體的底部通過與收集滾筒中軸線平行的滑軌安裝在支架上，所述噴頭驅(qū)動機構(gòu)包括固定安裝于紡絲噴射裝置上方支架上的微型直流無刷電機，安裝在微型直流無刷電機輸出軸上的齒輪和與齒輪嚙合的齒條，所述齒條與收集滾筒中軸線平行，齒條安裝在活動板體的上表面上，所述微型直流無刷電機電連接控制其正反轉(zhuǎn)往復(fù)運動的控制器和電源。
[0008]進(jìn)一步的，所述給料裝置包括微量注射泵，連接微型注射泵的注射器針管，以及與注射器針管針頭相連的輸液管，所述輸液管與紡絲噴射裝置相連。
[0009]使用所述大規(guī)模磁紡設(shè)備的制備微納米纖維的方法，包括以下步驟:
[0010](I)鐵磁流體紡絲液的配制:加入表面活性劑將磁性納米顆粒分散到有機溶劑中配制成鐵磁流體溶液，高分子聚合物溶于有機溶劑中配制高分子聚合物溶液，將鐵磁流體溶液與高分子聚合物溶液混合制成鐵磁流體紡絲液；
[0011](2)微納米纖維的制備:將磁流體紡絲液注入給料裝置中，開啟給料裝置，調(diào)整給料裝置的給料速率，紡絲噴頭3噴射口處的磁流體紡絲液液滴在磁場力的作用下形成射流與條形永磁鐵8搭連成橋，此時打開噴頭驅(qū)動機構(gòu)開關(guān)和直流無刷電機5的電機控制器10開關(guān)，調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，直流無刷電機5帶動收集滾筒9旋轉(zhuǎn)，在磁場力作用下鐵磁流體射流不斷被拉出，在拉伸細(xì)化過程中伴隨著溶劑揮發(fā)，在收集滾筒9上纏繞形成有序磁性微納米纖維，噴頭驅(qū)動機構(gòu)帶動活動板體上的紡絲噴頭沿收集滾筒中軸線方向做往復(fù)運動，可使紡絲在豎直支柱間均勻纏繞，而不聚集在一個位置互相纏繞粘連影響紡絲質(zhì)量。
[0012]進(jìn)一步的，步驟(I)所述的表面活性劑是十二烷基苯磺酸鈉、十二烷基硫酸鈉、吐溫80、油酸、烷基季銨鹽中的一種；步驟(I)所述的所述的高分子聚合物是聚氧化乙烯、聚偏氟乙烯、聚己內(nèi)酯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯中的一種或多種；步驟(I)所述的有機溶劑是氯仿、N，N-二甲基甲酰胺、丙酮和水中的一種或多種；磁性納米顆粒是Y_Fe203、Fe3O4、鈷、鎳中的一種，或者為多種磁性元素的復(fù)合磁性納米顆粒。
[0013]進(jìn)一步的，所述步驟(I)鐵磁流體紡絲液的配制方法:選用十二烷基苯磺酸鈉作為表面活性劑，將直徑在20納米的Y-Fe2O3磁性納米顆粒分散到氯仿中配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.5%的鐵磁流體溶液；配制的高分子聚合物溶液與鐵磁流體溶液以1:1的比例混合制成鐵磁流體紡絲液。
[0014]進(jìn)一步的，所述步驟(I)高分子聚合物溶液的配制方法:選用體積比為70/30水和無水乙醇作為溶劑，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的分子量為400000的聚氧化乙烯溶液，水浴加熱到60°C，攪拌2小時，制得均勻高分子溶液，所述步驟(2)的給料裝置的給料速率為100微升/分鐘，紡絲噴頭(3)噴射口與條形永磁鐵的最小間距為4毫米，直流無刷電機(5)的轉(zhuǎn)速為500轉(zhuǎn)/分鐘。
[0015]進(jìn)一步的，其特征在于，所述步驟(I)高分子聚合物溶液的配制方法:選用氯仿作為溶劑，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的分子量為270000的聚偏氟乙烯溶液，水浴加熱到60°C，攪拌2小時，制得均勻高分子溶液，所述步驟(2)的給料裝置的給料速率為80微升/分鐘，紡絲噴頭(3)噴射口與條形永磁鐵的最小間距為6.5毫米，直流無刷電機(5)的轉(zhuǎn)速為300
轉(zhuǎn)/分鐘。
[0016]本實用新型的有益效果為:提供了一種大規(guī)模磁紡設(shè)備及用該設(shè)備制備微納米纖維的方法，該設(shè)備以磁場力代替電場力，在交變磁場力作用下拉伸鐵磁流體制備磁性微納米纖維，整個過程無需高壓電作用，有效降低生產(chǎn)成本和安全隱患，同時可批量連續(xù)生產(chǎn)微納米纖維，且制得的纖維排布有序，產(chǎn)量高適合大規(guī)模生產(chǎn)。具體而言:
[0017](I)本實用新型設(shè)備操作方便，所需設(shè)備簡單易得，僅由旋轉(zhuǎn)電機和永磁鐵便可搭建紡絲裝置；操作安全，由磁場力完全替代電場力，克服了高壓靜電的危險，紡絲過程安全環(huán)保無污染，便于推廣應(yīng)用。
[0018](2)本實用新型的設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)工藝流程簡單、紡絲條件溫和、紡絲成本低廉，對生產(chǎn)設(shè)備要求低，可根據(jù)需求增加紡絲噴頭