本发明涉及静电纺丝技术领域，尤其涉及一种自扭曲螺旋、成捻结构微纳米纤维的制备方法。
背景技术：
静电纺丝技术自上世纪发展至今已有近百年的历史，随着纳米技术的兴起，静电纺丝技术在近二十年得到了快速的发展，并逐渐实现了产业化。该技术因工艺简单、设备占地小、生产成本低廉，能够快速且大量生产直径在几十纳米到几微米之间的超细纤维材料，被广泛应用于纳米纤维的工业化生产。其生产的超细纤维具有直径小、比表面积大、纤维连续性好、形成的纳米纤维孔径小。孔隙率较高等优点，可以应用于能源、环境、电子、信息、国家安全以及医疗等领域。
在静电纺丝过程中，纺丝溶液或溶体在高压静电场作用下带点并发生形变，在纺丝喷头的末端形成悬垂液滴(泰勒锥)。在液滴表面的电荷斥力超过其表面张力时，微小的液体流就会从液滴的表面告诉喷射出来形成射流，在电场的作用下，射流被开始拉伸。随着溶剂的挥发和固体物质的固化，最终形成超细纤维，沉降在接收板上。相对普通直线型纳米纤维，具有扭曲螺旋结构的微纳米纤维有着良好的柔韧性、弹性、高蓬松性、高孔隙率，在很多领域有着广泛的应用前景。目前现有的技术中陆续公开了扭曲螺旋纤维的电纺制备，比如单根纤维的螺旋大多数利用纺丝材料某些性能的不均匀分布来制备，利用两种不同断裂伸长率的高聚物共混纺丝，这些方法应用范围往往受材料性能和成分限制。目前较为广泛的是采用并列型双组份静电纺丝装置，该装置的缺点是，必须具有两种固化时性能不同的纺丝液，需要能够将两种纺丝液平列输送至喷丝口的喷头和两套互相配合的溶液供给装置，纺丝装置较为复杂，不便于操作和维护，且无法制备单组分纤维。
专利cn101586258a公开了“一种扭曲螺旋结构微纳米纤维的制备方法”，通过对喷丝针头的改进，在普通中空针头内嵌设金属针尖，用直径2-3㎝的金属圆片作为接受板，制备了含有无机化合物的聚乙烯吡咯烷酮(pvp)螺旋纤维。该发明方法制得的具有螺旋结构的限位限于以pvp为主体的纺丝液，且中空针头中嵌入金属针，容易造成纺丝针头堵塞。技术上有较大的局限性，该方法只适合内径较大的中空针头，而利用大内径针头纺制的纤维较粗，因而该装置不能纺制直径较细的纤维。其次，该方法只能实现单根纤维的螺旋结构，不能同时对多根纤维进行扭曲和加捻，纺制的纤维量效率低且结构上存在区别。目前的纺丝装置及方法，普遍存在工艺复杂、产量低、生产成本高、适用性差的缺点。。
技术实现要素：
为解决上述技术问题，本发明目的在于提供一种自扭曲螺旋、成捻结构微纳米纤维的制备方法，以解决现有技术中的制备工艺复杂、纤维直径较粗、纤维结构性能差的问题。
本发明的一种自扭曲螺旋、成捻结构微纳米纤维的制备方法，包括以下步骤：步骤1：取酸和去离子水混合后配置成浓度为88-95％的酸溶剂；步骤2：将1.5-2.5gpa6尼龙粉末放入上述酸溶剂中，在20-35℃的温度之间水浴加热30-180min使所述尼龙粉末充分溶解，形成浓度为15-30％均匀稳定的尼龙纺丝溶液；步骤3：将上述尼龙纺丝溶液注入静电纺丝装置的注射单元中，接通所述静电纺丝装置的高压电源，即可在所述静电纺丝装置的接收单元上收集到具有自扭曲螺旋、成捻结构的微纳米纤维。
进一步地，所述酸溶剂为甲酸和/或乙酸。
进一步地，所述酸溶剂为甲酸和乙酸的混合液，以质量为单位，所述甲酸和乙酸之比为8:1。
进一步地，所述静电纺丝的喷射单元设置在所述注射单元的下部出口端，所述接收单元设置在所述喷射单元的正下方，所述高压电源分别与所述喷射单元和所述接收单元电连接，所述静电纺丝的金属针设置有多根，所述接收单元包括水平设置的第一接收板，多根所述金属针均布设置在所述第一接收板上表面。
进一步地，所述接收单元还包括设置在所述第一接收板上方的第二接收板，所述第二接收板上设置有供多根所述金属针穿设的通孔。
进一步地，所述金属针的高度沿竖直方向延伸且大于所述第二接收板的厚度。
进一步地，所述第一接收板和所述第二接收板在竖直方向上的相对距离可调节。
进一步地，所述金属针的高度在5-40㎜之间，相邻两所述金属针之间的间距在3-20㎜之间。
进一步地，所述金属针的高度和所述第二接收板的厚度之差在1-35㎜之间。
进一步地，多根所述金属针的底部连接在同一金属板上，所述金属板嵌设在所述第一接收板中并沿竖直方向的高度可调节。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
1、纺丝溶液采用尼龙纺丝溶液，在纺丝的过程中，能够较好的得到具有螺旋成捻结构的微纳米纤维，同时能够保证较小的直径，微纳米纤维的整体结构性能更加优化；
2、通过设置有金属针，利用金属针通电来改变电场的分布，从而增强射流在电场中摆动的不稳定性，利用射流在电场中螺旋摆动的不稳定性对纺丝过程中的纤维进行扭曲和加捻；
3、通过设置有第二接收板，便于收集纺丝纤维，同时第二接收板与第一接收板在竖直方向上的相对距离可调节，间接调整金属针延伸出所述第二接收板上表面的距离，适应不同的纺丝要求；
4、通过设置有金属板，金属针设置在金属板上，金属板与第一接收板在竖直方向上的相对距离可调节，进一步调整金属针延伸出所述第二接收板上表面的距离，适应不同的纺丝要求；
5、本发明结构优化，工艺简单，成本较低，产量大。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明静电纺丝装置的整体结构示意图；
图2是本发明静电纺丝装置的部分结构示意图；
图3是本发明实施例一制备的微纳米纤维在光学显微镜下的结构示意图；
图4是本发明实施例二制备的微纳米纤维在光学显微镜下的结构示意图；
图5是本发明实施例三制备的微纳米纤维在光学显微镜下的结构示意图。
以上附图中：1、金属针；2、高压电源；3、第一接收板；4、第二接收板；5、金属板；6、纺丝喷头；7、注射器；8、推进电机；9、通孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
结合图1和图2所示，本发明公开的一种自扭曲旋转、成捻结构微纳米纤维的制备方法，需提供一静电纺丝装置。所述静电纺丝装置包括注射单元、喷射单元、金属针1、接收单元以及高压电源2。所述喷射单元设置在所述注射单元的下部出口端，所述接收单元设置在所述喷射单元的正下方且两者之间的竖直距离可调节，以改变电场强度，满足不同的纺丝要求，所述高压电源2分别与所述喷射单元和所述接收单元电连接。所述接收单元包括水平设置的第一接收板3和设置在所述第一接收板3上方的第二接收板4，所述第二接收板4上设置有供多根所述金属针1穿设的通孔9。所述第一接收板3和所述第二接收板4在竖直方向上的相对距离可调节，所述第一接收板3接地。通过设置有第二接收板4，便于收集纺丝纤维，同时第二接收板4与第一接收板3在竖直方向上的相对距离可调节，间接调整金属针1延伸出所述第二接收板4上表面的距离，适应不同的纺丝要求。
所述金属针1设置有多根，多根所述金属针1的底部连接在同一金属板5上，所述金属板5嵌设在所述第一接收板3中并沿竖直方向的高度可调节，所述金属板5与所述第一接收板3电连接。通过设置有金属板5，金属针1设置在金属板5上，金属板5与第一接收板3在竖直方向上的相对距离可调节，进一步调整金属针1延伸出所述第二接收板4上表面的距离，适应不同的纺丝要求。所述金属针1的高度沿竖直方向延伸且大于所述第二接收板4的厚度，所述金属针1的高度和所述第二接收板4的厚度之差在1-35㎜之间。所述金属针1的高度在5-40㎜之间，相邻两所述金属针1之间的间距在3-20㎜之间。通过设置有金属针1，利用金属针1通电来改变电场的分布，从而增强射流在电场中摆动的不稳定性，利用射流在电场中螺旋摆动的不稳定性对纺丝过程中的纤维进行扭曲和加捻。
所述喷射单元包括纺丝喷头6，所述纺丝喷头6为管式中空金属针头，所述纺丝喷头6与所述第二接收板4的上表面之间的垂直距离在110-150㎜之间。所述注射单元包括注射器7和与其滑动连接的推进电机8，所述推进电机8为可调节速度的电机。本发明中，优选的所述注射器7的容积为5ml。通过设置有推进电机8，根据实际要求改变纺丝溶液的供给速度，满足不同的纺丝要求。
具体实施例一
一种自扭曲螺旋、成捻结构微纳米纤维的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：取无水甲酸和去离子水配置成浓度为88％的甲酸溶剂；
步骤2：将2gpa6尼龙粉末放入8g甲酸溶剂(88％)中，在25℃的温度下通过磁力搅拌器搅拌1小时，至尼龙粉末完全溶解，形成20％均匀稳定的尼龙纺丝溶液；
步骤3：将上述尼龙纺丝溶液加入到注射器7中，设定推进电机8的推进速度为0.1ml/h，纺丝喷头6与第二接收板4的上表面距离为120㎜；金属针1的数量为1根，金属针1的结构为圆柱形平头金属针，金属针1露出所述第二接收板4上表面1㎜，所述第二接收4板为泡沫板；将采集样品的载玻片放置于第二接收板4上，启动高压电源2(30kv)20s后关闭，取出载玻片在光学显微镜下观察分析。结合图3所示，绝大部分纤维均扭曲螺旋微纳米纤维状，部分螺旋微纳米纤维互相缠绕成捻，提高了微纳米纤维的强度，制备的纤维层具有良好的柔韧性、弹性、高蓬松性、高孔隙率。
具体实施例二
一种自扭曲螺旋、成捻结构微纳米纤维的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：取无水甲酸和去离子水配置成浓度为88％的甲酸溶剂；
步骤2：将3gpa6尼龙粉末放入7g甲酸溶剂(88％)中，在25℃的温度下通过磁力搅拌器搅拌2小时，至尼龙粉末完全溶解，形成30％均匀稳定的尼龙纺丝溶液；
步骤3：将上述尼龙纺丝溶液加入到注射器7中，设定推进电机8的推进速度为0.5ml/h，纺丝喷头6与第二接收板4的上表面距离为120㎜；金属针1的数量为3根，金属针1结构为锥顶向上的圆锥形金属针，3根所述金属针1俯视呈等边三角形排列，相邻两个金属针之间的距离为25㎜，金属针1露出所述第二接收板4上表面20㎜，所述第二接收板4为人造纤维板；将采集样品的载玻片放置于第二接收板4上，启动高压电源2(30kv)20s后关闭，取出载玻片在光学显微镜下观察分析。结合图4所示，绝大部分纤维呈扭曲螺旋微纳米纤维状，部分螺旋微纳米纤维互相缠绕成捻，提高了微纳米纤维的强度，制备的纤维层具有良好的柔韧性、弹性、高蓬松性、高孔隙率。
具体实施例三
一种自扭曲螺旋、成捻结构微纳米纤维的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：取无水甲酸和去离子水配置成浓度为90％的甲酸溶剂；
步骤2：将1.8gpa6尼龙粉末放入8.2g甲酸溶剂(90％)中，在25℃的温度下通过磁力搅拌器搅拌1.5小时，至尼龙粉末完全溶解，形成18％均匀稳定的尼龙纺丝溶液；
步骤3：将上述尼龙纺丝溶液加入到注射器7中，设定推进电机8的推进速度为4ml/h，纺丝喷头6与第二接收板4的上表面距离为150㎜；金属针1的数量为6根，金属针1结构为锥顶向上的圆锥形金属针，6根所述金属针1俯视呈圆形排列，相邻两个金属针1之间的距离为20㎜，金属针1露出所述第二接收板4上表面30㎜，所述第二接收板4为泡沫板；将采集样品的载玻片放置于第二接收板4上，启动高压电源2(25kv)20s后关闭，取出载玻片在光学显微镜下观察分析。结合图4所示，绝大部分纤维呈扭曲螺旋微纳米纤维状，部分螺旋微纳米纤维互相缠绕成捻，提高了微纳米纤维的强度，制备的纤维层具有良好的柔韧性、弹性、高蓬松性、高孔隙率。
结合上述静电纺丝装置和三个实施例，通过采用尼龙纺丝溶液，改进静电纺丝组件，设置了金属针1以改变纺丝电场，增强尼龙纺丝溶液在射流的过程中扭曲的不稳定性，单根尼龙纤维借助电场力扭曲形成螺旋结构，形成的多根尼龙纤维借助电场力相互缠绕成捻，具有良好的柔韧性、弹性、高蓬松性、高孔隙率，在很多领域有着广泛的应用前景。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。