[发明专利]一种多尺度螺旋结构纤维束及其制备方法

说明书

本发明公开了一种多尺度螺旋结构纤维束及其制备方法，通过静电纺丝技术、加捻和多股过捻法，本发明成功制备了一系列多尺度螺旋结构纤维束，多尺度螺旋结构纤维束可实现多种材料的复合和多种功能的集成，具有非常好的强度和柔性、可拉伸性及回复性，且纤维束的直径和长度可控，可任意弯曲和编织，具有广泛的应用。

技术领域

本发明属于化学工程领域，具体涉及一种多尺度螺旋结构纤维束及其制备方法。

背景技术

螺旋结构纤维束由于其结构赋予的较高比表面积，较大柔韧性及较高可拉伸性，在人工肌肉、传感器、智能驱动器和可穿戴织物方面具有广泛的应用，因此近年来越来越受到人们的关注。(参考文献1：Liu Z F,Fang S,Moura F A,et al.Hierarchically buckledsheath-core fibers for super elastic electronics,sensors,and muscles.Science,2015,349:400.)。目前，获得的螺旋结构纤维束结构和材料比较单一，主要是以碳纳米管为原材料的单根加捻纤维束，所以探索一种适用于多种材料的构筑方法以及其他类型的螺旋结构纤维束(如多股复合螺旋结构纤维束)十分必要。(参考文献2：Chen P,He S,Xu Y,etal.Electromechanical Actuator Ribbons Driven by Electrically ConductingSpring-Like Fibers.Advanced Materials,2015,27:4982.)。

发明内容

本发明提供了一种新型通用的多尺度螺旋结构纤维束及其制备方法，通过静电纺丝技术、加捻和多股过捻法，本发明成功制备了一系列多尺度螺旋结构纤维束。

本发明提供的多尺度螺旋结构纤维束，可实现多种材料的复合和多种功能的集成，具有非常好的强度和柔性、可拉伸性及回复性，且纤维束的直径和长度可控，可任意弯曲和编织，具有广泛的应用。

本发明所述的多尺度螺旋结构纤维束的制备方法，具体包括以下步骤：

第一步，静电纺丝制备取向纤维膜：

配置前驱体溶液作为纺丝溶液进行静电纺丝，选用高速滚筒收集纤维，得到取向的纤维膜。

第二步，纤维长条的加捻：

将第一步中得到的纤维膜剪切成纤维长条，剪切方向和纤维取向相同；纤维长条的一端固定在平移台上，另一端通过步进电机进行加捻，即得到一股初级加捻纤维束。

第三步，重复第一步和第二步，得到N股初级加捻纤维束。

第四步，N股初级加捻纤维束过捻：

将第三步中获得的N股初级加捻纤维束其中一端固定在平移台上，另一端固定在步进电机上，进行初级加捻纤维束组合过捻，过捻至形成完全螺旋结构停止，即得到本发明的多尺度螺旋结构纤维束。

优选的，所述的N≥2。

第一步中所述的前驱体溶液中，溶质选自聚偏氟乙烯(PVDF)、聚偏氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-TrFE)、聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)、尼龙66(PA66)、聚氨酯(PU)、聚己内酯(PCL)、聚苯乙烯(PS)、聚丙烯腈(PAN)、醋酸纤维素(CA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)、聚乙烯醇(PVA)中的一种或多种；溶剂选自水、丙酮、四氢呋喃(THF)、N，N二甲基甲酰胺(DMF)和N，N二甲基乙酰胺(DMAc)中的一种或多种。前驱体溶液质量百分比浓度为8％～15％。

第一步中所述的静电纺丝，纺丝时间为2min～240min，高速滚筒转速为100～2000turns/min，工作电压为10～15kV，纺丝距离为15cm～20cm，纺丝溶液自然落下。