一种功能纳米线的制备装置的制作方法

本发明涉及一种运用气流辅助装置快速制备功能纳米线的熔体微分静电纺丝装置，属于静电纺丝领域。

背景技术：

纳米纤维由于其独特的结构和优越的性能，在生化防护、高效过滤、负载材料和生物医药等领域均有着广阔的应用前景，赋予纳米纤维功能化显得尤为重要。应用静电纺丝工艺设计和制备的功能纳米纤维材料为当前纳米材料领域的研究热点之一。

目前运用静电纺丝方法制备功能纳米纤维主要是通过溶液的共混进行纺丝。中国发明专利(申请号：201510216599.7)一种聚冠醚复合纳米纤维材料及其制备方法与应用利用聚冠醚与基底材料溶解后混合，形成混合溶液，运用静电纺丝法将所述混合溶液纺制成聚冠醚功能化纳米纤维。该方法虽然能够制备出功能纤维，但是其使用有毒溶剂进行溶液电纺，污染环境，生产效率低。而本发明利用熔体微分静电纺丝装置制备功能纳米线，产量高，制备迅速，安全高效，装置简单，易于操作。

技术实现要素：

本发明一种功能纳米线的制备装置，提出利用气流辅助外锥面型静电纺丝喷头，其对纤维有轴向牵伸效果。同时，接通在气泵上的旋风气流辅助装置置于带孔电极板中央，产生旋风，纤维被吸入旋风气流辅助装置中产生二次拉伸，纤维达到牵伸和集束的效果。上下两个装有功能粒子的喷气装置分别将功能粒子喷入气流管路，实现功能粒子对纳米纤维的内外包覆。喷气装置可装有不同的功能粒子，如金属纳米颗粒、相转变材料纳米颗粒、氧化物纳米颗粒、抗菌纳米颗粒、防紫外线纳米颗粒等，最终制得功能粒子内外裹附的纳米纤维，实现纳米纤维的多功能化。接收辊对纤维进行收集，辊子的自转能够对下落的纤维取向，使纤维直径更加均匀。

实现上述目的的技术方案是：一种功能纳米线的制备装置，主要包括：料筒、固定板、螺栓、分流板、加热圈、流道、增粘环、气流辅助外锥面型静电纺丝喷头、雾化器、高压静电发生器、带孔亚克力板、电极板、接收辊、旋风气流辅助装置、气流导管、混合器、调节阀、法兰、喷气装置、功能粒子A、气泵、功能粒子B等。料筒与分流板之间通过固定板采用螺栓连接，外锥面气流导管外圆柱面和分流板内圆柱孔形成间隙，熔体在间隙内流动，使其在周向分布均匀。气流辅助外锥面型静电纺丝喷头与旋风气流辅助装置同轴布置，外层包覆加热圈，且通过螺纹连接增粘环，增粘环可根据聚合物的粘度在轴向上下调节，确保纤维在固化前裹附上功能粒子。在喷气装置内装有功能粒子(功能粒子A和B可以为同种物质，也可以不同物质)，分装在气流导管的上下两个部分。喷气装置将功能粒子A喷入混合器混合均匀后，进入气流管路，均匀附着到纤维束内部，功能粒子B通过气流喷在纤维束外部。气泵产生高速气流，通过调节阀接到旋风气流辅助装置和喷头中部气流导管。旋风气流辅助装置置于带孔电极板中间，通过带孔亚克力板固定，产生旋风，将功能粒子均匀裹附到纤维束外表面。电极板与高压静电发生器相连，接收辊置于电极板正下方，在电动机的带动做旋转运动。

本发明一种功能纳米线的制备装置，气流辅助外锥面型静电纺丝喷头中心通入高速气流，纤维在高速气流作用下拉伸细化，同时高速气流在纤维束间形成的局部负压实现纤维的聚拢作用。

本发明一种功能纳米线的制备装置，两个喷气装置可以装有相同或不同的功能粒子，供给量由气阀控制。上部喷气装置中功能粒子经气流导管进入喷头，散落在纳米纤维束上，形成内包覆。下部喷气装置中功能粒子随旋风气流包裹在纳米纤维束外表面，形成外包覆。

喷气装置装有的功能粒子可以是金属纳米颗粒、相转变材料纳米颗粒、氧化物纳米颗粒、抗菌纳米颗粒或防紫外线纳米颗粒等

本发明一种功能纳米线的制备装置，气流辅助外锥面型静电纺丝喷头与增粘环通过螺纹连接，增粘环可根据聚合物的粘度在轴向上下调节，确保纤维在固化前均匀裹附上功能粒子。

本发明一种功能纳米线的制备装置，增粘环下部制成锥形，带有通孔，可布置筛网，避免功能粒子的逃逸，并且高速气流通过，可以实现功能粒子的二次裹附。

本发明一种功能纳米线的制备装置，旋风气流辅助装置由进气口、环向风腔和四个中心对称的出气口组成，这样能够使气流进入旋风气流辅助装置后形成聚拢气流，从而使旋风气流辅助装置上方入口形成局部负压，有利于纤维聚拢并落入旋风气流辅助装置，达到聚拢和细化纤维的效果。

本发明一种功能纳米线的制备装置，接收辊的高速旋转有利于聚拢纤维在下落过程中取向，最终收集在接收辊上的纤维为取向纳米线。

由上面的技术方案的介绍，本发明与现有技术相比，其优势有：

1.旋风气流辅助装置能够形成竖直向下的聚拢气流，使其上方形成局部负压从而有利于纤维落入上进气口，同时可以对纤维进行集束并且可以极大地细化纤维。

2.两个喷气装置可以装有相同或不同的功能粒子，经过不同的路径附着在纳米纤维上，形成功能粒子对纤维的内外包覆，实现纳米纤维的多功能化。

3.增粘环下部制成锥形，带有通孔，可布置筛网，避免功能粒子的逃逸，并且高速气流通过，可以实现功能粒子的二次裹附，使得功能粒子附着均匀紧实。

4.接收辊的转速与纤维的下落速度大体一致，这样有助于纤维的取向性，也有利于纤维的规整收集。

5.利用熔体微分静电纺丝装置且采用气流辅助的方法制备功能纳米线，产量高，制备快速，效果好。

附图说明

图1为本发明一种功能纳米线的制备装置示意图。

图2为图1所示的装置的增粘环的示意图。

图3为图2所示增粘环的筛网示意图

图4为旋风气流辅助装置的俯视剖面示意图。

图5为旋风气流辅助装置的前视剖面示意图

图中：1-料筒；2-固定板；3-螺栓；4-分流板；5-加热圈；6-流道；7-增粘环；8-气流辅助外锥面型静电纺丝喷头；9-雾化器；10-高压静电发生器；11-带孔亚克力板；12-电极板；13-接收辊；14-旋风气流辅助装置；15-气流导管；16-混合器；17-调节阀；18-法兰；19-喷气装置；20-功能粒子A；21-气泵；22-功能粒子B。

7-1-环壁；7-2-筛网；7-3-通气孔；14-1-进气口；14-2-出气口；14-3-环向风腔。

具体实施方式

本发明一种功能纳米线的制备装置，如图1所示，其主要包括：料筒1、固定板2、螺栓3、分流板4、加热圈5、流道6、增粘环7、气流辅助外锥面型静电纺丝喷头8、雾化器9、高压静电发生器10、带孔亚克力板11、电极板12、接收辊13、旋风气流辅助装置14、气流导管15、混合器16、调节阀17、法兰18、喷气装置19、功能粒子A20、气泵21、功能粒子B22等。料筒1与分流板4采用螺栓3连接。气流辅助外锥面型静电纺丝喷头8与旋风气流辅助装置14同轴布置，外层包覆加热圈5，中心经气流导管15和气泵21相连。喷气装置19内装有功能粒子A20和功能粒子B22，分装在气流导管15的上下两个部分。增粘环7是薄壁结构，增粘环7由两部分组成，增粘环7上部分连接在料筒1的下端，增粘环7的下部分连接在旋风气流辅助装置14的上端，旋风气流辅助装置14置于带孔电极板12中间，通过带孔的亚克力板11固定，电极板12与高压静电发生器10相连，接收辊13置于电极板12正下方，在电动机的带动下做旋转运动。

工作时先加热，然后在料筒1中加入聚合物颗粒，在旋风气流辅助装置进气口通入高速气流。熔体流经流道形成均匀环向流，在喷头锥面尖端附近形成多股射流，上部喷气装置中功能粒子经气流导管进入喷头中部，随高速气流散落在纳米纤维束上，形成功能粒子内包覆。同时，接通在气泵上的旋风气流辅助装置置于带孔电极板中央，产生旋风，纤维被吸入旋风气流辅助装置中产生二次拉伸，纤维进一步拉伸细化，达到牵伸和集束的效果。下部喷气装置中功能粒子随旋风气流包裹在纳米纤维束外表面，形成功能粒子外包覆。在电场力和旋风气流辅助装置产生的垂直向下的高速气流的多重拉伸作用下，熔体形成大量射流落入旋风气流辅助装置内并且聚拢，在旋风气流辅助装置的出口端聚拢成一束并落在旋转接收辊上，同时辊子线速度与纤维下落速度相当的时候旋转接收辊子可以实现纤维的规整收集，有利于纤维的取向性。整个装置操作简单，可以快速制备功能纳米线，纤维直径均匀，取向性好，高效环保，产量可观。

发明涉及一种功能纳米线的制备装置，增粘环7下部制成锥形，如图2和图3所示，环壁7-1中间部位上带有通气孔7-3，可在接近旋风气流辅助装置14的通气孔7-3处布置筛网7-2，避免功能粒子从通气孔7-3逃逸，并且高速气流通过，可以实现功能粒子的二次裹附。

本发明一种功能纳米线的制备装置，旋风气流辅助装置14由进气口14-1、环向风腔14-3和四个中心对称的出气口14-2组成，如图4和图5所示，这样能够使气流进入旋风气流辅助装置14后形成聚拢气流，从而使旋风气流辅助装置上方入口形成局部负压，有利于纤维聚拢并落入旋风气流辅助装置，达到聚拢和细化纤维的效果。