[发明专利]一种高压力场下剪切拉伸的纳米纤维制备装置

说明书

本发明公开了一种高压力场下剪切拉伸的纳米纤维制备装置，包括锥形筒体、端盖、旋转体、旋转轴、加热管、冷却管、温度控制器、保温层、密封装置、驱动电机、升降油缸、加压泵站和粘性液体。旋转体安装在由锥形筒体和端盖组成的密闭工作腔内，旋转轴依次穿过盖板和密封装置，然后与驱动电机连接，驱动电机由升降油缸支撑在端盖上。锥形筒体外面包裹有加热管、冷却管和保温层，分别与加热站和冷却站相连。工作腔内的压力由加压泵站进行加压和保压。纤维放置在由锥形筒体和旋转体之间的环形空间内，在高压流场下塑性增强，结合可控温度场对纤维进行塑化，利用锥形筒体和旋转体之间粘性流体的速度差对纤维进行切向拉伸，可将纤维直径拉伸至100nm以下。

技术领域

本发明涉及一种高压力场下剪切拉伸的纳米纤维制备装置，属纳米纤维制备领域。

背景技术

真正意义上的纳米纤维是指直径在100nm以下的纤维。现有纳米纤维生产工艺获得的纤维直径普遍大于100nm，只能称之为广义上的纳米纤维。尽管如此，相比于微米纤维，广义纳米纤维已经表现出了独特的力学性能、化学性能、电学性能、生物医学性能，受到了纺织、过滤、电池和生物工程等领域研究人员的广泛关注与研究。因此，真正意义上纳米纤维的性能又将如何，是纳米科研工作者所期待的；直径小于100nm纤维的规模化制备是纳米纤维走出实验室，走向商业化应用的关键技术。

纳米纤维的制备工艺主要有熔喷法、静电纺丝法、海岛法、模板聚合法、相分离法和自组装法等。熔喷法依靠高速热气流对纤维进行拉伸，拉伸作用时间较短，纤维所处环境温度场不容易控制，纤维直径均在500nm以上。静电纺丝法利用加载在针头与接收器之间的电势差，将聚合物溶液(熔体)射流从针尖的泰勒锥中引出，并在电场的作用下向接收器运动。在聚合物溶液(熔体)射流的过程中，受到电场的拉伸力及纤维上电荷间的库伦排除力而拉伸细化。同时，在射流过程中发生溶液的挥发(熔体的冷却)从而形成固态纤维。由于受供料量、溶剂挥发快(熔体迅速凝固)和拉伸作用时间短等因素的限制，静电纺丝纳米纤维直径普遍在200nm以上。模板法是通过制作纳米级孔洞的模板，然后将聚合物从孔洞中挤出的过程，其模板的生产成本较高，制备过程能量消耗较大，批量化生产效率低。

针对现有技术难以批量制备直径小于100nm纤维，纳米纤维制备技术的工艺过程不可控，纤维直径分布偏差大等现状，提出了一种高压力场下剪切拉伸的纳米纤维制备装置。该装置根据材料在高压力场下塑性增强特点，结合可控温度场对粗纤维进行塑化，利用粘性流体速度差产生的剪切力对纤维进行拉伸细化。在纤维拉伸的过程中，纤维轴向的各部分均受到剪切应力，使纤维各部分发生均匀的“蠕变”而伸长，从而实现超细纳米纤维的批量化制备。

发明内容

本发明以制备超细纳米纤维为目标，提出了一种高压力场下剪切拉伸的纳米纤维制备装置。该装置根据材料在高压力场下塑性增强特点，结合可控温度场对粗纤维进行塑化，然后利用由粘性流体速度差对纤维表面产生的剪切力，对纤维进行拉伸细化。该装置可以实现超细纳米纤维的批量制备，且具有使纤维可拉伸性提高、工艺过程可控、纤维受力均匀等优点。

本发明提出一种高压力场下剪切拉伸的纳米纤维制备装置，包括加热管、冷却站、加热站、温度控制器、冷却管、保温层、锥形筒体、温度传感器、端盖、旋转体、旋转轴、密封装置、驱动电机、升降油缸、螺栓、高压管、溢流调压阀、加压泵站和粘性液体，旋转体安装在由锥形筒体和端盖组成的高压密闭工作腔内，旋转体与旋转轴之间采用焊接连接，旋转轴依次穿过盖板和密封装置，然后与驱动电机连接，驱动电机由升降油缸支撑在端盖上；锥形筒体外面包裹有加热管、冷却管和保温层，加热管和冷却管分别与加热站和冷却站相连，且受温度控制器的控制；温度传感器通过螺纹安装在端盖上，并与温度控制器相连；加压泵站依次与溢流调压阀、高压管相连，高压管焊接在端盖上。