[发明专利]一种大规模磁纺设备及用该设备制备微纳米纤维的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微纳米纤维制备设备，具体涉及一种大规模磁纺设备及用该设备制备微纳米纤维的方法。

背景技术

一维纳米纤维是指在三维空间尺度上有两维处于纳米尺度的线状材料，具有孔隙率高、比表面积大、较大的长度/直径比、以及不同于大块样品的电、磁、力、热、光等物理化学性质，在纳米电子器件、空气过滤、传感器以及生物医学等诸多领域有着广阔的应用。随着纳米纤维材料在各领域应用技术的不断发展，纳米纤维材料的制备技术也得到了进一步的开发与研究。目前，纳米纤维的制备方法主要包括拉伸法、模板法、相分离法、自组装法和纺丝加工法等，其中纺丝加工法被认为是最有可能实现规模化连续制备微纳米纤维的制备方法，主要包括熔喷法和静电纺丝法。熔喷法作为规模化生产超细纤维的重要方法，具有纺丝效率高、无溶剂、成本低的特点，可用于大批量生产制备超细纤维，但技术缺点在于适用的材料种类较少、适用范围较窄、加工制备的纤维直径较粗，无法满足纳米纤维材料在生物医学、过滤材料以及传感器件等领域的应用需求。静电纺丝法是目前制备聚合物纳米纤维最简单高效的方法之一，以其加工设备简单、原料来源广泛、纺丝工艺可控等诸多优点，受到国内外广泛研究与报道。静电纺丝技术原理非常简单，简述为：在静电纺丝过程中，聚合物溶液或熔体在电场力和表面张力的共同作用下形成射流，射流在下落过程中发生劈裂和拉伸，同时溶剂挥发，在收集极上固化成纳米纤维。目前，利用静电纺丝技术制备的纳米纤维材料已有上百种，在高效过滤材料、生物医用材料、高精密仪器、防护材料、纳米复合材料等领域有着广泛的应用前景。然而，传统静电纺丝装置多以单喷头纺丝为主，装置产率极低(0.1-1克/小时)，主要用于科学研究，难以满足工业化、产业化需要。

近几年，针对现有阶段静电纺丝技术从实验室走向工业化面临的一系列难题，致力于实现电纺纳米纤维的批量化生产，各种新型静电纺丝技术及其装置成为当前研究的热点。例如依据增多射流数目提高产量的思路，先后提出了改进的单针头、多针头、无针头静电纺丝装置。其中多针头静电纺纳米纤维制备技术虽然增多射流数目获得了较大的纤维产量，但由于高压电势富集，当电压高于三万伏时，针头顶端会形成“辉光放电”，对纺丝过程造成相互干扰，制备的纳米纤维膜不均匀；无针头静电纺丝技术是在增大液面面积提高纤维产率的思路下提出的，国际专利W02005024101报道了一种无针头静电纺丝设备，该设备将滚筒形电极(纤维发生器)浸泡于聚合物溶液中，转动滚筒电极使聚合物溶液均匀加载到整个滚筒表面。当加载的聚合物溶液位于滚筒电极和纤维收集器形成的电场中，并且电场足以强到使滚筒表面的液体形成泰勒锥时，便可在纤维收集器上得到纳米纤维，该方法彻底消除了纺丝喷头的限制，极大提高了静电纺丝的生产效率，但不足之处在于该方法对纺丝液要求苛刻，且需要的电场强度较大，滚筒电极浸泡在开放聚合物溶液槽，溶剂极易挥发，造成环境污染。中国专利“一种规模式制备微纳米纤维的静电纺丝装置”(ZL201210380576.6)中报道了一种采用细金属链条作为纺丝喷头，通过细金属链条的转动实现纺丝溶液在金属链条的涂覆，形成一维方向上的电纺丝。线状喷头代替传统纺丝喷头的设计，避免了针头堵塞现象的发生，同时该装置结构简单，无需额外的气氛环境和辅助设备，生产环境友好，但是纤维直径可控性有待进一步提高。但是，这些静电纺丝装置在推广应用上存在以下问题：(1)传统静电纺丝装置通常采用直流高压电源来提供纺丝所需的高压静电场，纺丝工作电压高达上万伏甚至十几万伏，不仅对操作人员造成一定的安全隐患，而且增加了大规模工业生产成本；(2)静电纺丝法对纺丝液导电性要求较高，需要额外添加高导电物质共混纺丝，并且需要后期处理来获得高纯度纳米纤维，成本高昂且耗费时间；(3)静电纺丝制备的纳米纤维以无纺布形式存在，纤维排列十分凌乱，制约了静电纺丝技术在生物医学、导电材料以及传感器等领域的推广应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种大规模磁纺设备及用该设备制备微纳米纤维的方法，该设备以磁场力代替电场力，在交变磁场力作用下拉伸铁磁流体制备磁性微纳米纤维，整个过程无需高压电作用，有效降低生产成本和安全隐患，同时可批量连续生产微纳米纤维，且制得的纤维排布有序，产量高适合大规模生产。

为了实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：