[发明专利]一种高强度高弹性弹簧状纤维束的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于化学工程领域，具体涉及一种高强度高弹性弹簧状纤维束制备方法。

背景技术

由于具有独特的物理化学性能，弹簧状纤维束近年来受到越来越多的关注。目前，弹簧状纤维束主要是以碳纳米管或石墨烯为原材料，制备方法单一，且适用性不强。因此，如何发展一种新的适用性强的方法显得十分必要。另外，已报道的弹簧状纤维束拉伸性能不够好，所以如何进一步提升最大拉伸性能依然是实际应用中所面临的挑战。(参考文献：Li Y,Shang Y,He X,et al.Overtwisted,resolvable carbon nanotube yarn entanglement as strain sensors and rotational actuators.ACS nano,2013,7:8128.)。

发明内容

本发明提供了一种制备高强度高弹性弹簧状纤维束的方法，利用静电纺丝和加捻技术，并在制备过程中添加相应的塑化剂，本发明成功制备了弹簧状聚合物纤维束，该纤维束力学强度高、柔性好、拉伸应变大。

本发明提供一种高强度高弹性弹簧状纤维束，所述弹簧状纤维束强度高同时应变大，尺寸和力学性能均可控。

本发明所述制备高强度高弹性弹簧状纤维束的方法，具体包括以下步骤：

第一步，静电纺丝制备纤维膜；

配置前驱体溶液进行静电纺丝，选用滚筒收集纤维，进行纤维膜的制备，剪裁成长条。

第二步，加捻和过捻；

选取聚合物对应的塑化剂，滴加在长条上，同时进行加捻、过捻，至形成完全螺旋结构停止，获得高强度高弹性弹簧状纤维束。

第一步所述的前驱体溶液中，溶质为聚偏氟乙烯(PVDF)、聚己内酯(PCL)、聚丙烯腈(PAN)、聚乳酸(PLA)、聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)、聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)、尼龙(PA66)、聚氨酯(PU)中的一种；溶剂为丙酮、乙酸、N，N二甲基甲酰胺(DMF)、N，N二甲基乙酰胺(DMAc)和四氢呋喃(THF)中的一种或多种；溶液质量百分比浓度为8％～20％。

第一步所述的纤维膜中单根纤维的直径为50nm～2μm。

第一步所述的静电纺丝，滚筒的转速为50turns/min～3000turns/min，纺丝时间为2min～240min，工作电压为10～15kV，纺丝距离为15～20cm,溶液自然落下。

第一步所述的长条尺寸为长5cm～100cm，宽1cm～10cm。

第二步所述的塑化剂为N，N二甲基甲酰胺DMF、N，N二甲基乙酰胺DMAc、丙酮、乙醇、二氯甲烷、N-甲基吡咯烷酮NMP、甲醇中的一种，纯度含量均大于99.5％。

第二步所述塑化剂总共滴加次数为1次～10次，每次滴加0.5～2ml，滴加时间可以选择在加捻前、加捻中和加捻后中的某一个或某几个时期，确保添加的塑化剂可以使基底完全润湿。

第二步所述的加捻，电动马达的转速为50～500turns/min，加捻时间为1s～2min。

第二步所述的过捻，电动马达的转速为50～500turns/min，推进速度为2～10cm/min。

上述方法制备得到的所述的高强度高弹性弹簧状纤维束的直径为50μm～1000μm，圈数为1个/毫米～50个/毫米，拉伸应变为200％～4000％，弹性应变为100％～800％；拉伸强度为10MPa～300MPa。

本发明以聚合物为原材料，通过添加对应的塑化剂，获得了高强度高弹性弹簧状纤维束。该纤维束结构稳定，不自缠结不自解旋，尺寸和力学性能可控，有望用于可编织导电织物、可拉伸传感器和柔性电子领域。

本发明提供的方法与现有技术中制备弹簧状纤维束的方法相比，优良效果如下：

(1)首次利用外加塑化剂的方法制备高强度高弹性弹簧状纤维束，无须添加额外材料，塑化剂挥发后无残留。

(2)该方法制备的弹簧状纤维束以聚合物纤维为基础材料，轻质，拉伸性更好，尺寸易控。

(3)与现有的方法相比，本发明方法简单易控制，适用性强，能够实现大规模的制备。

附图说明

图1本发明静电纺丝及加捻过捻过程示意图；

图2本发明制备的高强度高弹性弹簧状纤维束实物图；

图3本发明中实施例5的高强度高弹性弹簧状纤维束的应力应变曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

实施例1.