[发明专利]制备定向碳纳米管增强聚合物纳米纤维的静电纺丝装置

说明书

技术领域

本发明涉及制备碳纳米管用的装置。

背景技术

碳纳米管(CNTs)于1991年被日本学者lijima发现，由于其具有非常大的长径比和优良的力学、电学、热学等性能，故可以作为纳米纤维增强体和导电纤维添加材料，尤其是当CNTs在聚合物基体中高度定向排列时，其上述性能将会得到更加充分有效的发挥。

Sundaray等通过静电纺丝工艺实现了CNTs在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等聚合物基纳米纤维中的初步定向排列(Bibekananda Sundaray，et al.APPLI-ED PHYSICS LETTERS.2006，88，143114)，即通过使带电荷的高分子溶液或熔体在静电场中流动与变形，然后经溶剂蒸发或冷却而固化而得到纤维状物质，制备出纳米级纤维。但其所得的聚合物基纳米纤维中的CNTs的定向排列度不高；而且在静电纺丝过程中，当溶液或熔体的浓度过低、黏度过小时，会使得到的聚合物基纳米纤维的表面形貌不光滑，易出现孔洞、串珠状结构且纤维易粘连在一起，同时所得的纤维的直径分布不均。

发明内容

本发明的目的是实现CNTs在聚合物基纳米纤维中的高度定向排列，得到表面形貌光滑、无孔洞且直径分布均匀的聚合物基纳米纤维。

本发明解决上述问题采用的技术方案是：制备定向碳纳米管增强聚合物纳米纤维的静电纺丝装置，包括有储液装置2，连接在储液装置2下的石英毛细管定向装置，由转轴连接的圆盘状转动收集板5和电机M₁，石英毛细管定向装置和圆盘状转动收集板5之间对应连接有高压直流电源6，石英毛细管定向装置中的石英毛细管3一端与储液装置2连接，另一端装有嵌入细铜丝4a的钢质喷丝头4。

本发明的技术解决方案中：所述钢质喷丝头4的长度为30mm、钢制外层4b厚100μm，钢质喷丝头4的内径4c略大于石英毛细管3的外径，钢质喷丝头4内嵌有四根细铜丝4a，钢质喷丝头4与石英毛细管3连接处的钢质喷丝头4外壁上有电源接入口4d。

本发明的技术可解决方案中：所述的石英毛细管3的内径为200μm～300μm、长度为2m～5m，石英毛细管3外部包裹有50μm厚度的聚酰胺涂层。

本发明的技术解决方案中：所述的储液装置2上设有增压装置1。

本发明的技术解决方案中：所述的圆盘状转动收集板5厚度为5mm、外部附有铝膜，圆盘状转动收集板5在工作时，圆盘状转动收集板5边缘的线速度为5m/s～45m/s，与钢质喷丝头4之间的距离为10cm～20cm。

本发明的技术解决方案中：所述的高压直流电源6的正极用导线与钢质喷丝头4的电源接入口4d连接，高压直流电源6的负极用导线与圆盘状转动收集板5连接。

发明的技术解决方案中：所述的细铜丝4a的直径均为20μm，在钢质喷丝头4的喷丝口端平行排列、相互分离，并伸出钢质喷丝头4的喷丝口2mm，细铜丝4a在与钢质喷丝头4的喷丝口端相对的另一端伸出且固定在钢质喷丝头4的外壁，同钢质喷丝头4的电源接入口4d连接。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1.本发明在静电纺丝过程中采用电场和流场形成的组合物理场，提高了聚合物基纳米纤维中CNTs定向度。

即在静电纺丝装置的储液装置2和电源6之间添加超长的石英毛细管定向装置，使静电纺丝溶液或熔体以Poiseuille流的形式通过石英毛细管3部分，毛细管中心处的流速高，靠近毛细管壁处流速低。在此过程中，由于流速梯度的存在，使CNTs只有在沿流线方向排列时，所受转动力矩才等于零。同时，根据求解Fokker-Planck方程分析，流速梯度场的流程越长，CNTs沿流速方向取向优势越明显。本发明选用长度为2m-5m，内径200μm-300μm的石英毛细管3时，可以保证在进行静电纺丝前，CNTs已经预先取得一定的取向优势，从而提高了其在最终产物中的定向程度。

2.本发明在静电纺丝过程中，a.利用细铜丝使喷丝口附近的电场线更加集中，减小喷丝的临界电压；b.利用纺丝溶液或熔体与铜丝间的毛细作用，使泰勒锥产生于细铜丝尖端，减小实际喷丝头口径和泰勒锥底面直径，以得到更细的CNTs增强复合纳米纤维。

附图说明

图1为改进型静电纺丝设备结构示意图，图2为嵌入有细铜丝的喷丝头结构示意图，图3为石英毛细管的截面图，图4为图2中嵌入有细铜丝的钢质喷丝头AB面的截面图，图5为CNTs/PMMA聚合物基纳米纤维的SEM照片，图6为CNTs/PMMA聚合物基纳米纤维的TEM照片。

具体实施方式