申请/专利权人：苏州大学

申请日：2019-04-10

公开（公告）日：2024-04-19

公开（公告）号：CN110055599B

主分类号：D01D1/06

分类号：D01D1/06;D01D5/00

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.19#授权;2019.08.20#实质审查的生效;2019.07.26#公开

摘要：本发明涉及一种有序控制纳米纤维分子排序的纺丝装置及方法，属于气泡静电纺丝领域。该装置包括喷头装置、注射装置、气泵装置、接收装置和高压静电装置，喷头装置包括导气管和设置在导气管两侧的溶液输送管，注射装置与溶液输送管连接，气泵装置与导气管连接，高压静电装置分别与喷头装置及接收装置连接，导气管的高度低于溶液输送管的高度，溶液输送管的高度不少于10cm。本发明涉及的有序控制纳米纤维分子排序的纺丝装置及方法，通过喷头装置的长度和细度控制大分子的运输过程，通过长程内持久的层流使大分子有序，控制纳米纤维中分子的方向，提高了纤维的结晶度，从而优化材料的各项性能。

主权项：1.一种有序控制纳米纤维分子排序的纺丝装置，其特征在于，所述有序控制纳米纤维分子排序的纺丝装置包括喷头装置、注射装置、气泵装置、接收装置和高压静电装置，所述喷头装置包括导气管和设置在所述导气管两侧的溶液输送管，所述注射装置与所述溶液输送管连接，所述气泵装置与所述导气管连接，所述高压静电装置的正极与所述溶液输送管连接，所述高压静电装置的负极与所述接收装置连接，所述导气管的高度低于所述溶液输送管的高度，所述溶液输送管的高度不少于10cm，所述有序控制纳米纤维分子排序的纺丝装置包括设置在所述溶液输送管外侧的延伸部，所述延伸部内开设有以所述导气管的轴线为轴对称设置的导气通道，两侧的导气通道的延长线的交点在所述导气管的轴线上，所述导气通道被定义有进气口和出气口，所述出气口朝向所述溶液输送管，所述有序控制纳米纤维分子排序的纺丝装置还包括鼓风装置，所述鼓风装置与所述进气口连通。

全文数据：一种有序控制纳米纤维分子排序的纺丝装置及方法技术领域本发明涉及一种有序控制纳米纤维分子排序的纺丝装置及方法，属于气泡静电纺丝领域。背景技术纳米纤维在纺织工程、组织工程、过滤、光电器件、传感器等领域得到了迅速的发展。静电纺丝技术是一种最普遍、最简单、成本较低且效率较高的生产纳米纤维的方法，操作简单，广泛的应用于各个领域。气泡静电纺丝是近年来提出的新型静电纺丝方法，通过向纺丝液中通入气体形成气泡，气泡相当于静电纺丝中的泰勒锥，在电场力的作用下或气流的作用下逐渐拉伸破裂形成无数的射流，最后形成微纳米纤维。气泡静电纺丝有效的提高纺丝的效率。与蜘蛛丝等天然纤维相比，人工合成的纤维性能较差。蜘蛛丝或蚕丝等很多天然纤维具有良好的层次结构，而静电纺或气泡纺生成的微纳纤维分子结构即不具有折叠对称性，也不具备天然纤维的层次结构。具有纳米级层次结构的人工合成的纤维，可以展现出材料很多优异的特性，这是非层次结构无法实现的。为了提高纳米纤维的机械性能、电子性能和化学性能等，提高纳米纤维的分子取向变得非常重要。纺丝过程中的分子运动或纳米纤维中分子取向仍是一个有待研究的问题。到目前为止，在纺丝过程中几乎不可能控制分子的方向。如果可以在大分子尺度上控制纺丝过程，提高其结晶度，那么对控制纤维形态、调节纤维的机械、电子和化学性能具有重要意义。针对上述问题，有必要提供一种纺丝过程中纳米纤维中大分子有序控制的装置。发明内容本发明的目的在于提供一种能够对纺丝过程中纳米纤维中大分子有序控制的有序控制纳米纤维分子排序的纺丝装置及方法。为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种有序控制纳米纤维分子排序的纺丝装置包括喷头装置、注射装置、气泵装置、接收装置和高压静电装置，所述喷头装置包括导气管和设置在所述导气管两侧的溶液输送管，所述注射装置与所述溶液输送管连接，所述气泵装置与所述导气管连接，所述高压静电装置分别与所述喷头装置及所述接收装置连接，所述导气管的高度低于所述溶液输送管的高度，所述溶液输送管的高度不少于10cm。进一步地，所述有序控制纳米纤维分子排序的纺丝装置还包括设置在所述溶液输送管外侧的延伸部，所述延伸部内开设有以所述导气管的轴线为轴对称设置的导气通道，两侧的导气通道的延长线的交点在所述导气管的轴线上，所述导气通道被定义有进气口和出气口，所述出气口朝向所述溶液输送管。进一步地，所述有序控制纳米纤维分子排序的纺丝装置及方法还包括鼓风装置，所述鼓风装置与所述进气口连通。进一步地，所述导气管和所述溶液输运管的内部为圆形，所述导气管和所述溶液输运管的内径均小于3mm。进一步地，所述导气管和所述溶液输运管的内部为矩形，矩形短边小于3mm。进一步地，所述矩形导气管短边为2mm和所述溶液输运管的矩形短边为1mm。进一步地，所述高压静电装置的正极与所述溶液输送管连接所述高压静电装置的负极与所述接收装置连接。进一步地，所述溶液输送管为金属管，所述溶液输送管的数量为2根，所述溶液输送管的高度为15cm，所述导气管和所述溶液输运管的外壁为矩形。进一步地，所述接收装置为滚筒式接收装置或平板式接收装置。一种有序控制纳米纤维分子排序的气泡静电纺丝方法，利用上述有序控制纳米纤维分子排序的纺丝装置，其包括以下步骤：S1，通过注射装置将纺丝液泵进溶液输送管；S3，纺丝液随狭缝流向喷头装置的喷嘴，在流动过程中，狭缝中间速度最大，在溶液输送管内壁和导气管外壁处速度最小，大分子随着纺丝液在狭缝中的流动，排列变得越来越有序；S3，打开气泵装置，气体通过导气管向喷嘴处，使得纺丝液在喷嘴端口处形成气泡时，使得气泡底部大分子有序排列，破裂的气泡形成射流并在接收装置上形成大分子有序的纳米纤维。本发明的有益效果在于：本发明涉及的有序控制纳米纤维分子排序的纺丝装置及方法通过喷头装置的长度和细度控制大分子的运输过程，通过长程内持久的层流使大分子有序，控制纳米纤维中分子的方向，提高了纤维的结晶度，从而优化材料的各项性能。上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。附图说明图1为本发明有序控制纳米纤维分子排序的纺丝装置的结构示意图。图2为本发明有序控制纳米纤维分子排序的气泡静电纺丝方法的示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。参照图1-图2，在本发明一较佳实施例中的一种有序控制纳米纤维分子排序的纺丝装置包括包括喷头装置1、注射装置2、气泵装置3、接收装置4和高压静电装置5，喷头装置1包括导气管11和设置在导气管11两侧的溶液输送管12，注射装置2与溶液输送管12连接，气泵装置3与导气管11连接，高压静电装置分别与喷头装置1及接收装置4连接，导气管11的高度低于溶液输送管12的高度，溶液输送管12的高度不少于10cm，在实际实施的过程中，溶液输送管的高度为15cm。在上述实施例中，有序控制纳米纤维分子排序的纺丝装置还包括设置在溶液输送管12外侧的延伸部6，延伸部6内开设有以导气管11的轴线为轴对称设置的导气通道61，两侧的导气通道61的延长线的交点在导气管11的轴线上，导气通道61被定义有进气口611和出气口612，出气口612朝向溶液输送管，有序控制纳米纤维分子排序的纺丝装置及方法还包括鼓风装置未图示，鼓风装置与进气口611连通。在上述实施例中，导气管11和溶液输运管12的内部为圆形，所述导气管和所述溶液输运管的内径均小于3mm，诚然，在其它实施例中导气管11和溶液输运管12的内部为矩形，导气管11和溶液输运管12矩形短边均小于3mm，在实际实施过程中，导气管11矩形短边为2mm和溶液输运管12的矩形短边为1mm，导气管11和溶液输运管12的外壁为矩形。在上述实施例中，高压静电装置5的正极与溶液输送管12连接，高压静电装置5的负极与接收装置4连接，溶液输送管12为金属管，溶液输送管12的数量为2根。在上述实施例中，接收装置4为滚筒式接收装置或平板式接收装置。一种有序控制纳米纤维分子排序的气泡静电纺丝方法，利用上述有序控制纳米纤维分子排序的纺丝装置，其包括以下步骤：S1，通过注射装置2将纺丝液泵进溶液输送管；S3，纺丝液随狭缝流向喷头装置1的喷嘴，在流动过程中，狭缝中间速度最大，在溶液输送管12内壁和导气管11外壁速度最小，大分子随着纺丝液在狭缝中的流动，排列变得越来越有序；S3，打开气泵装置3，气体通过导气管11向喷嘴处，使得纺丝液在喷嘴端口处形成气泡时，能充分保证气泡底部大分子的有序排列，使得破裂的气泡形成射流并在接收装置4上形成大分子排布有序的纳米纤维。在具体使用过程中，本发明通过控制喷头装置1的长度和内径来控制大分子的运输过程，喷头装置1中的溶液输运管12的长度很长且极细窄，使纺丝溶液在溶液输运管12中的运输过程变长，在溶液输运管12中靠近管壁的分子运动速度小于管中心处的分子运动，大分子8的运动速度从管壁到管中心逐渐增大分子在管中的速度分布9，大分子8在溶液输运管12中喷头内部形成了长程持久的层流，管中的速度差使分子逐渐被拉直，从而变得有序，在气泡7中大分子8沿着气泡纵向有序的排列在气泡7中，使形成的纳米纤维中分子有序，有效的控制纳米纤维中分子的取向。当纺丝液泵进溶液输送管12后，纺丝液随狭缝流向喷头装置1的喷嘴。在流动过程中，狭缝中间速度最大，在溶液输送管12内壁和导气管11外壁速度最小。大分子随着狭缝中的流动，排列变得越来越有序。当在喷嘴端口处形成气泡时，使得气泡7底部大分子8有序排列。本发明的有益效果在于：本发明涉及的有序控制纳米纤维分子排序的纺丝装置及方法通过喷头装置1的长度和细度控制大分子8的运输过程，通过长程内持久的层流使大分子有序，控制纳米纤维中分子的方向，提高了纤维的结晶度，从而优化材料的各项性能。以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

权利要求：1.一种有序控制纳米纤维分子排序的纺丝装置及方法，其特征在于，所述有序控制纳米纤维分子排序的纺丝装置包括喷头装置、注射装置、气泵装置、接收装置和高压静电装置，所述喷头装置包括导气管和设置在所述导气管两侧的溶液输送管，所述注射装置与所述溶液输送管连接，所述气泵装置与所述导气管连接，所述高压静电装置分别与所述喷头装置及所述接收装置连接，所述导气管的高度低于所述溶液输送管的高度，所述溶液输送管的高度不少于10cm。2.根据权利要求1所述的有序控制纳米纤维分子排序的纺丝装置及方法，其特征在于，所述有序控制纳米纤维分子排序的纺丝装置及方法包括设置在所述溶液输送管外侧的延伸部，所述延伸部内开设有以所述导气管的轴线为轴对称设置的导气通道，两侧的导气通道的延长线的交点在所述导气管的轴线上，所述导气通道被定义有进气口和出气口，所述出气口朝向所述溶液输送管。3.根据权利要求2所述的有序控制纳米纤维分子排序的纺丝装置及方法，其特征在于，所述有序控制纳米纤维分子排序的纺丝装置及方法还包括鼓风装置，所述鼓风装置与所述进气口连通。4.根据权利要求1所述的有序控制纳米纤维分子排序的纺丝装置及方法，其特征在于，所述导气管和所述溶液输运管的内部为圆形，所述导气管和所述溶液输运管的内径均小于3mm。5.根据权利要求1所述的有序控制纳米纤维分子排序的纺丝装置及方法，所述导气管和所述溶液输运管的内部为矩形，矩形的短边小于3mm。6.根据权利要求4所述的有序控制纳米纤维分子排序的纺丝装置及方法，其特征在于，所述导气管矩形短边为2mm，所述溶液输运管的矩形短边为1mm。7.根据权利要求1所述的有序控制纳米纤维分子排序的纺丝装置及方法，其特征在于，所述高压静电装置的正极与所述溶液输送管连接，所述高压静电装置的负极与所述接收装置连接。8.根据权利要求1所述的有序控制纳米纤维分子排序的纺丝装置及方法，其特征在于，所述溶液输送管为金属管，所述溶液输送管的数量为2根，所述溶液输送管的高度为15cm，所述导气管和所述溶液输运管的外壁为矩形。9.根据权利要求1所述的有序控制纳米纤维分子排序的纺丝装置及方法，其特征在于，所述接收装置为滚筒式接收装置或平板式接收装置。10.一种有序控制纳米纤维分子排序的气泡静电纺丝方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1，通过注射装置将纺丝液泵进溶液输送管；S3，纺丝液随狭缝流向喷头装置的喷嘴，在流动过程中，狭缝中间速度最大，在溶液输送管内壁和导气管外壁速度最小，大分子随着纺丝液在狭缝中的流动，排列变得越来越有序；S3，打开气泵装置，气体通过导气管向喷嘴处，使得纺丝液在喷嘴端口处形成气泡时，能充分保证气泡底部大分子的有序排列，使得破裂的气泡形成射流并在接收装置上形成排布有序的纳米纤维。

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