[发明专利]一种制备一维有序结构的纳米纤维的静电纺丝方法及装置

说明书

技术领域：

本发明涉及一种制备一维有序结构的纳米纤维的静电纺丝方法及装置。

背景技术：

经过几十年的发展，直径在5～7μm碳纤维的研究开工作已处于进一步扩展品种、降低成本，应用领域多样化的阶段。但是在适应先进科技需求，进一步提高碳纤维力学性能方面却受到了极大的障碍。人们一直希望能在性能研制或理论上找到突破，然而二十多年来碳纤维的抗拉强度并未有新的提高，其实际强度仍远远低于理论值。显然这一问题需要新思路与新方法加以推动直至解决。已有的研究表明：纤维表面缺陷和内部缺陷是制约碳纤维牵伸强度的最主要的因素。根据体积效应和最弱连接理论，纤维纤度越小，单位长度上所包含的大缺陷越少，所制得的碳纤维的强度越高。此外，纤维纤度小，可减轻或消除原丝、预氧丝和碳纤维的皮芯结构，易制得均质纤维，从而可得到高强碳纤维。新型单向收集静电纺丝技术所具有的细旦化、高纯化、微晶化和均质化等特点为制备高性能碳纤维提供了可能。

碳纤维之所以具有优异的力学性能是源于其类石墨层面沿纤维轴高度取向(Small，2009，5(5)：536-542.)。由于电纺纤维成纤过程中泰勒(Taylor)锥作用，采用传统静电纺丝装置收集到的纤维呈无纺布形式分布。这种单纤维间纵横交叉的具有网络结构的无纺布或纤维束在原丝后处理与后续碳纤维制备过程中不能获得必要的有效高倍牵伸效果，亦不能满足PAN大分子与碳网层面获得高度取向的需求，故传统电纺纤维力学性能低下，长期以来不能用于结构材料使用(高分子材料科学与工程，2008，24(12)：1-5)。为此，以单向收集沿着轴向序列排列电纺丝为目的的探索工作成为电纺领域国内外学者们研究的热点。

制备理想的序列排列纳米纤维或单丝，相应设备设计改进尤为必要，特别是收集器。2000年前后，Reneker等首先设计了旋转鼓形(或称辊筒式)收集器，在集束状聚丙烯腈纤维收取技术上取得突破，获得宏观阵列的电纺丝纳米纤维(J.Electrost，1995，35(2-3)：151-160；Polymer，1999，40(16)：4585-4592；J.Appl.Phys.，2000，87(9)：4531-4547.)。然而，收集到的纳米纤维在有序程度是有限的，没有从根本上改变单纤维间存在的纵横交叉的网络结构。Zussman等(Adv.Mater.，2003，15(22)：1929-1932.)设计外缘宽度渐变的轮状蝶盘收集器，产物主要在尖锐的边缘有序排列，故收集的有序纤维极短。Xia等(Nano Lett.，2003，3(8)，1167-1171.)采用双平行板电极收集器，利用电极间隙改变电场分布，并提供与外电场相反的静电力牵伸带电纤维，从而强制纤维垂直排列在挂在间隙的边缘；已沉积的纤维间静电脉冲增加有序度，通过调节两电极的间隙最终可收集到一定长度的有序纤维。但是，由于首先到达负极的纤维会很快释放电荷，当纤维膜达到一定的厚度时，纤维之间的静电排斥作用使纤维的定向程度降低(NanoLett.，2004，4(11)：2215-2218.)，连续收集有序电纺纤维的时间相对较短。前述辊筒法，飞轮法等均存在以上问题。

发明内容：

本发明的目的是提供一种制备一维有序结构的纳米纤维的静电纺丝方法及装置，以克服现有技术存在的上述缺陷。

一种制备一维有序结构的纳米纤维的静电纺丝装置，其特征在于：包括带有保温装置的注射泵，与注射泵相连的直流正电电源，两上下平行放置的镶有金属外圈的绝缘圆盘，注射泵在该两个绝缘圆盘的一侧并且和两个绝缘圆盘平行等距；每个绝缘圆盘的金属外圈与绝缘圆盘中心之间连接有金属导线；

包括有控制两个绝缘圆盘同轴转动的电机；

包括有穿过两个绝缘圆盘中心的导电转轴，与导电转轴相连的直流负电电源，导电转轴下方是同轴的绝缘转轴，导电转轴通过该绝缘转轴与上述控制两个绝缘圆盘同轴转动的电机相连接；

在该两个绝缘圆盘的另一侧放置有U形绝缘收集框，且U形绝缘收集框两个边和两个绝缘圆盘平行，且U形绝缘收集框两个边之间的距离小于两个绝缘圆盘的高度。即U形绝缘收集框两个边和两个绝缘圆盘不接触，放在两个绝缘圆盘之间但是U形绝缘收集框基本在两个绝缘圆盘外侧。