一种同轴离心纺丝装置及方法与流程

本发明涉及一种制备同轴纤维的同轴离心纺丝装置及方法，属于纺织和新材料技术领域，具体是纺丝溶液从一种相互嵌套的同轴离心管中高速甩出，外层溶液包覆内层溶液，经溶剂挥发后形成超细的同轴纤维。

背景技术：

同轴纤维也是一种皮芯结构的纤维，即一种高聚物充当芯层，外层包覆另外一种高聚物作为皮层而形成的纤维，此种结构的纤维由于皮层及芯层高聚物的种类不同，往往会具有很多独特的性能。如以特殊材料为芯的纤维，例如X光吸收纤维、红外吸收纤维、导电纤维、光导纤维等。以特殊材料为皮的纤维，如黏结性纤维、亲水纤维和亲油纤维、特殊光泽纤维等。

离心纺丝技术是一种利用离心力使聚合物溶液或熔体高速甩出，并最终固化为超细纤维的纺丝技术。该技术主要原理是首先使高聚物溶液或熔体高速旋转，然后利用离心力的作用将其甩出。射流在离心力的作用下飞向接收装置，期间被拉伸细化，溶剂挥发，射流固化为超细纤维并最终固定在接收装置上，形成超细纤维或超细纤维毡。由离心纺丝法获得的超细纤维直径从一百纳米到几微米不等，其比表面积大，纤维蓬松，已在纺织服装、环境工程、传感器、能源材料和催化等方面获得了广泛的应用。

传统的离心纺丝装置通常都是纺制普通结构的超细纤维，在制备同轴结构、中空结构等特殊结构的超细纤维上仍存在较大的技术缺陷，这限制了产品在很多方面的应用，因此对于同轴、中空结构纤维的离心纺丝方法进行研究仍然极为必要。

目前，常用的制备同轴纤维的纺丝装置主要包括溶胶凝胶装置、模板装置、同轴静电纺丝装置等。这些纺丝方法及装置可见文献《Continuous hollow alpha-Fe2O3and alpha-Fe fibers prepared by the sol-gel method》《Compound core-shell polymer nanofibers by co-electrospinning》《Direct fabrication of composite and ceramic hollow nanofibers by electrospinning》和中国专利如CN104496469A、CN101538776、CN105648545A等，美国专利如US2010297906、US8518320等。这些方法仍存在技术不够完善、设备复杂、成本高、商业化生产困难等缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种结构简单、设计合理、成本低且能够稳定快速的生产同轴超细纤维的一种同轴离心纺丝装置及方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种同轴离心纺丝装置，主要包括：直流电机、支撑装置、纺丝支架、同轴离心装置、接收装置，所述同轴离心装置包括同轴离心管及纺丝针头，所述直流电机固定在支撑装置上，所述纺丝支架直接与直流电机的输出轴固定连接，且该纺丝支架呈中心对称状分布(如一字型、十字形、米字型等)，所述同轴离心装置固定在纺丝支架上，在直流电机的作用下纺丝支架带动同轴离心装置高速旋转，所述同轴离心管包括外层离心管和内层离心管，所述纺丝针头包括外层纺丝针头和内层纺丝针头，所述接收装置为圆筒形或方筒形结构，接收装置高度为10-200mm，该接收装置上设有不同大小和形状的孔洞，该接收装置距离纺丝针头为50-500mm。

进一步地，所述内层离心管嵌套在所述外层离心管内形成同轴结构，所述外层离心管的直径和长度均大于所述内层离心管，所述内外层离心管尾部用固定塞进行固定以保持同轴结构。

进一步地，所述外层纺丝针头固定安装于外层离心管的终端，所述内层纺丝针头固定安装于内层离心管的终端，且所述内层纺丝针头与外层纺丝针头呈同轴嵌套的形式固定，所述外层纺丝针头内径大于内层纺丝针头外径。

进一步地，所述内层纺丝针头在端口处略短于外层纺丝针头，即所述同轴离心装置端口处为阶梯型。

进一步地，所述内层纺丝针头的内外径分别为0.10～0.60mm和0.20～0.8mm，外层纺丝针头的内外径分别为0.30～1.20mm和0.40～1.40mm。

应用同轴离心纺丝装置纺制同轴纤维的方法，包括：

步骤一：配制内层纺丝溶液；

将内层聚合物溶于内层溶剂中，机械搅拌聚合物完全溶解，得到一定质量分数的内层聚合物溶液，作为内层纺丝溶液；

所述内层聚合物为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚丙烯腈(PAN)、聚乳酸(PLA)、聚酯(PET)、聚酰胺(PA)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇(PEG)、聚己内酯(PCL)、等可溶聚合物中的一种；

所述内层溶剂为无水乙醇、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、丙酮、乙酸、氯仿、二氯甲烷、二氯乙烷、四氢呋喃、水等溶剂中的一种或多种；

所述内层聚合物的分子量为1万～150万，所述内层聚合物溶液的重量百分浓度为2％～30％。

步骤二：配制外层纺丝溶液；

将外层聚合物溶于外层溶剂中，械搅拌聚合物完全溶解，得到一定质量分数的外层聚合物溶液，作为外层纺丝溶液；

所述外层聚合物为聚丙烯腈(PAN)、偏氟乙烯(PVDF)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乳酸(PLA)、聚酯(PET)、聚酰胺(PA)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇(PEG)、聚己内酯(PCL)等可溶性聚合物中的一种；

所述外层溶剂为无水乙醇、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、丙酮、乙酸、氯仿、二氯甲烷、二氯乙烷、四氢呋喃、水等溶剂中的一种或多种；

所述外层聚合物的分子量为1万～150万，所述外层聚合物溶液的重量百分浓度为1％～30％。

所述内外层聚合物不同；

步骤三：将得到的内外层纺丝溶液分别注入同轴离心纺丝装置的内外层离心管中，接通电源，调节直流电机转速，使内外层纺丝液分别通过纺丝针头从内外层离心管中甩出，形成同轴纤维。本发明的有益效果：提供了一种同轴离心纺丝装置，所述内层离心管和外层离心管过固定塞相连接，组合成稳定的同轴结构，保证离心纺丝过程中同轴结构纤维的形成，所述外层离心管和外层纺丝针头组成的外层离心装置嵌套在由内层离心管和内层纺丝针头组成的内层离心装置之外，这保证了内外层溶液在被甩出离心装置前不会相互接触，保证了该方法对于不同成纤聚合物的适用性。由于同轴离心管特殊的结构形式，甩出的溶液或熔体便会相互包覆，再经离心力牵伸变细、溶剂挥发等过程后就形成了同轴结构的超细纤维，这些纤维成型后仍然保持高速旋转的运动状态，当这些纤维接触到接收装置后，在运动惯性和离心力的共同作用下，以环形分布的形式固定到了接收装置上，本发明设备简单，成本低，便于操作，可稳定生产同轴结构的超细纤维，效率高、稳定性好，可实现产业化生产。

附图说明

下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不构成对本发明的任何限制。

图1为本发明同轴离心纺丝装置的主视图；

图2为本发明同轴离心纺丝装置的俯视图；

图3为本发明同轴离心纺丝装置的同轴离心装置的结构示意图；

图4为本发明同轴离心纺丝装置的同轴离心装置中纺丝针头结构示意图；

图5为采用本发明同轴离心纺丝装置一种实施例制备的皮芯结构纤维；

图6为采用本发明同轴离心纺丝装置一种实施例制备的中空结构纤维。

图中零部件标号如下：

1、直流电机；2、支撑装置；3、纺丝支架；4、同轴离心装置；5、同轴离心管；6、纺丝针头；7、外层离心管；8、内层离心管；9、外层纺丝针头；10、内层纺丝针头；11、固定塞；12、接收装置。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施案例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施案例仅用于解释和说明本发明方案，并不用于限制本发明。

具体实施例：请参见图1、图2，一种同轴离心纺丝装置，主要包括：直流电机1、支撑装置2、纺丝支架3、同轴离心装置4、接收装置12，所述同轴离心装置4包括同轴离心管5及纺丝针头6，所述直流电机1固定在支撑装置2上，所述纺丝支架3直接与直流电机1的输出轴固定连接，且该纺丝支架3呈十字状分布，所述同轴离心管装置4固定在纺丝支架3上，在直流电机1的作用下纺丝支架3带动同轴离心装置4高速旋转，所述同轴离心管5包括外层离心管7和内层离心管8，所述纺丝针头6包括外层纺丝针头9和内层纺丝针头10，所述接收装置12所述接收装置为圆筒形或方筒形结构，接收装置高度为10-200mm，该接收装置上设有不同大小和形状的孔洞，该接收装置距离纺丝针头为50-500m；所述内层离心管8嵌套在所述外层离心管7内形成同轴结构，所述外层离心管7的直径和长度均大于所述内层离心管8，所述内外层离心管尾部用固定塞11进行固定以保持同轴结构；所述外层纺丝针头9固定安装于外层离心管7的终端，所述内层纺丝针头10固定安装于内层离心管8的终端，且所述内层纺丝针头10与外层纺丝针头9呈同轴嵌套的形式固定，所述外层纺丝针头9内径大于内层纺丝针头10外径；所述内层纺丝针头10在端口处略短于外层纺丝针头9，即所述同轴离心装置4端口处为阶梯型；所述内层纺丝针头10的内外径分别为0.34～0.41mm和0.62～0.7mm，外层纺丝针头9的内外径分别为0.84mm和1.26mm。

应用本发明所述的同轴离心纺丝装置纺制同轴纤维的方法，纺制同轴纤维。

实施例1：

将一定量的均分子量为150万的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶于无水乙醇中，机械搅拌使PVP完全溶解，得到质量分数为15-25％的PVP乙醇溶液，作为内层纺丝溶液；将一定量的重均分子量为15万的聚丙烯腈(PAN)溶于一定量的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和丙酮以质量比4:1相混合的混合溶液中，机械搅拌使PAN完全溶解，得到质量分数为10-20％的PAN溶液，作为外层纺丝溶液。将内外层纺丝溶液分别注入内外层离心管中，内层纺丝针头10内外径分别为0.41mm和0.7mm，外层纺丝针头9内外径分别为0.84mm和1.26mm；接通电源，调节离心装置转速为5000转/分钟，使内外层纺丝液分别通过纺丝针头从内外层离心装置中甩出并保持相互包覆，经溶液挥发、离心力牵伸后形成PVP/PAN同轴纤维。

实施例2

将一定量的均分子量为150万的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶于无水乙醇中，机械搅拌使PVP完全溶解，得到质量分数为10--20％的PVP乙醇溶液，作为内层纺丝溶液；将一定量的重均分子量为25万的聚偏氟乙烯(PVDF)溶于一定量的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和丙酮按质量比4:1相混合的混合溶液中，机械搅拌使PVDF完全溶解，得到质量分数为15-25％的PVDF溶液，作为外层纺丝溶液。将内外层纺丝溶液分别注入内外层离心管中，内层纺丝针头内外径分别为0.3mm和0.6mm，外层纺丝针头内外径分别为0.8mm和1.2mm；接通电源，调节离心装置转速为5000转/分钟，使内外层纺丝液分别通过纺丝针头从内外层离心装置中甩出并保持相互包覆，经溶液挥发、离心力牵伸后形成PVP/PVDF同轴纤维。

实施例3

将一定量的重均分子量为15万的聚丙烯腈(PAN)溶于一定量的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和丙酮以质量比4:1相混合的混合溶液中，机械搅拌使PAN完全溶解，得到质量分数为5％-10％的PAN溶液，作为内层纺丝溶液；将一定量的重均分子量为11万的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)溶于一定量的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和蒸馏水以质量比4:1相混合的混合溶液中，机械搅拌使PMMA完全溶解，得到质量分数为10-20％％的PMMA溶液，作为外层纺丝溶液。将内外层纺丝溶液分别注入内外层离心管中，内层纺丝针头的内外径分别为0.4mm和0.7mm，外层纺丝针头的内外径分别为0.8mm和1.2mm；接通电源，调节离心装置转速为5000转/分钟，使内外层纺丝液分别通过纺丝针头从内外层离心装置中甩出并保持相互包覆，经溶液挥发、离心力牵伸后形成PAN/PMMA同轴纤维。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的较佳实施方式，并不用于限定本发明，凡在依据本发明的技术实质所作的简单的任何修改、等同替换、修饰等，均应包括在本发明的保护范围之内。