制备磁有序纳米复合材料的气流气泡纺丝装置及其方法
【专利摘要】本发明公开一种制备磁有序纳米复合材料的气流气泡纺丝装置及利用该装置进行纺丝的方法，气流气泡纺丝装置包括储液槽、气泡喷射管、玻璃管、气泡发生器、喷气管、气流发生器、设于气泡喷射管上方的接收装置、与接收装置连接固定的支架台、安装于支架台上的磁控装置以及供液装置，玻璃管的一端连通气泡发生器，另一端与气泡喷射管内部连通，喷气管设置于气泡喷射管的侧面并与气流发生器连接，纺丝时，在带磁性纳米粒子的聚合物溶液表面形成气泡，气泡上升破裂后以气流为动力被进一步拉伸细化形成大量无序的磁性纳米纤维，大量无序的磁性纳米纤维在磁控装置产生的磁场控制区域中有规律的运动形成大量有序的磁性纳米纤维，并被收集在接收装置上。
【专利说明】
制备磁有序纳米复合材料的气流气泡纺丝装置及其方法
技术领域
[0001]本发明涉及气流气泡纺丝技术领域，尤其涉及一种大量制备磁有序纳米复合材料的气流气泡纺丝装置及气流气泡纺丝方法。
【背景技术】
[0002]磁性纳米复合材料由于具有磁性材料和纳米材料的双重优势，譬如:高比表面积、临界尺寸效应、量子化效应等优点，可以作为性能优异的永磁材料、电磁波吸收材料、磁记录材料、生物医学功能材料等，因此被广泛应用到磁流体、催化剂、生物医学、新能源、电子光学等领域。目前，制备磁性纳米复合材料的方法主要有液相还原、模板法、静电纺丝等。尽管这些方法在一定程度上实现了磁性纳米复合材料的制备，并能得到少量的有序的磁性纳米复合材料，但是由于其制备条件苛刻，工艺流程繁琐，生产效率低，因此很难实现大量制备有序磁性纳米复合材料的需求。
[0003]气流气泡纺丝技术作为一种新型的制备纳米纤维材料的方法，其原理是在聚合物溶液表面产生气泡，气泡破裂后形成无数条细小液柱，每条液柱相当于一个泰勒锥，同时以气流作为动力，液柱在高速气流的作用下被拉伸细化产生大量的纳米纤维，极大的提高了纳米纤维的产量。然而气流气泡纺丝技术得到的纳米纤维成无序状态，因而限制了磁性纳米复合材料在光电子器件、生物医用材料方面的深层次应用。因此，大量制备有序磁性纳米复合材料成为一个技术难题。
[0004]因此，针对上述技术问题，有必要提供一种可以大量制备磁有序纳米复合材料的气流气泡纺丝装置及气流气泡纺丝方法，以解决现有技术中的问题。
【发明内容】
[0005]有鉴于此，本发明的目的在于提供一种制备磁有序纳米复合材料的气流气泡纺丝装置及气流气泡纺丝方法，在气流气泡纺丝技术的基础上采用磁控技术，能有效的克服传统方法的产量低、取向度低、工艺流程复杂、可控性差等劣势，在一定程度上能实现磁有序纳米复合材料的大量生产。
[0006]为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下:
[0007]—种制备磁有序纳米复合材料的气流气泡纺丝装置，包括储液槽、气泡喷射管、玻璃管、气泡发生器、喷气管、气流发生器、接收装置、支架台、磁控装置以及与储液槽连通的供液装置，所述玻璃管的一端连通气泡发生器，另一端穿过储液槽内部并延伸至与气泡喷射管内部连通，所述喷气管设置于气泡喷射管的侧面并与气流发生器连接，所述接收装置设于气泡喷射管的上方，并与支架台连接固定，所述磁控装置安装于支架台上。
[0008]作为本发明的进一步改进，所述喷气管包括第一喷气管与第二喷气管，所述气流发生器包括第一气流发生器与第二气流发生器，所述第一喷气管与第二喷气管分别连接第一气流发生器与第二气流发生器，并对称设置于气泡喷射管的两侧。
[0009]作为本发明的进一步改进，所述磁控装置包括两块相互平行的磁铁，所述磁铁对称设置于气泡喷射管轴线的外侧。
[0010]作为本发明的进一步改进，所述磁铁为异名磁极磁铁。
[0011]作为本发明的进一步改进，所述接收装置包括两个滚筒及连接两个滚筒的金属网。
[0012]作为本发明的进一步改进，所述磁铁与接收装置之间设置有距离调节装置，所述磁铁与接收装置的距离调节范围为l-5cm。
[0013]作为本发明的进一步改进，所述磁控装置包括用于调节磁场强度的磁强控制器，所述磁场强度调节范围为0-5T。
[0014]作为本发明的进一步改进，所述支架台设有升降杆与支架台底座，所述升降杆用于调节所述接收装置与气泡喷射管的高度，所述高度调节范围为0.2-lm。
[0015]—种制备磁有序纳米复合材料的气流气泡纺丝方法，包括如下步骤:
[0016]将磁性纳米粒子分散在聚合物溶液中，超声波处理后，获得均匀分散的磁性聚合物溶液；
[0017]将所述磁性聚合物溶液注入供液装置中，打开供液装置，向储液槽中输送磁性聚合物溶液，同时打开气泡发生器，使气泡喷射管中产生气泡，产生的气泡上升至气泡喷射管的顶端而破裂，所述供液装置的供液速率与气泡发生器产生气泡的速率成正比；
[0018]打开气流发生器，调节气流速度，同时打开磁控装置，调节磁场强度，并调节磁控装置与接收装置的距离、及接收装置与气泡喷射管的高度，气流从喷气管喷射而出，将破裂的气泡拉伸细化形成随机取向的纳米纤维，所述随机取向的纳米纤维经过磁控装置产生的磁场控制区域，受磁场力作用被拉伸形成有序磁性纳米纤维，并被收集在接收装置上。
[0019]作为本发明的进一步改进，所述磁性纳米粒子为Fe304、γ -Fe203、Ni或CoFe204，所述聚合物溶液为PVA、PVP、PVDF或PS溶液。
[0020]本发明具有以下有益效果:
[0021]在带磁性纳米粒子的聚合物溶液表面形成气泡，并以气流为动力，气泡破裂后产生无数条微细液柱，在高速气流的作用下被进一步拉伸细化形成大量的磁性纳米纤维，极大的提高了磁性纳米纤维材料的产量；
[0022]在气泡喷射管外侧安装两块对称的磁铁作为磁控装置，通过对磁场强度、两磁铁间距、磁控装置与接收装置间距、接收装置与气泡喷射管间距等纺丝条件的适当控制，从而很好地控制了磁流体的运动轨迹，以便气泡破裂后产生的带磁性的射流在磁场的约束下有规律的运动，使得在接收装置上收集到的磁性纳米纤维材料的取向性会极大增加；
[0023]整个纺丝过程是在无静电作用下完成的，并不需要额外的辅助模板，纺丝工艺简单易控，实现安全生产。
【附图说明】
[0024]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0025]图1为本发明一【具体实施方式】中气流气泡纺丝装置的结构示意图；
[0026]图2为本发明一【具体实施方式】中接收装置的结构示意图；
[0027]图3为本发明一【具体实施方式】中磁控装置安装于支架台上的结构示意图。
[0028]附图中涉及的附图标记和组成部分说明:1.储液槽;2.气泡喷射管；3.玻璃管;4.气泡发生器;5.喷气管;6.气流发生器;7.接收装置;8.支架台；9.磁控装置；10.供液装置；
11.磁铁;12.载物板;13滚筒;14.金属网；15升降杆;16.支架台底座;17.气泡。
【具体实施方式】
[0029]为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0030]请参见图1，是本发明中制备磁有序纳米复合材料的气流气泡纺丝装置的结构示意图，气流气泡纺丝装置包括储液槽1、气泡喷射管2、玻璃管3、气泡发生器4、喷气管5、气流发生器6、设于气泡喷射管2上方的接收装置7、与接收装置7连接固定的支架台8、磁控装置9以及与储液槽连通的供液装置10。
[0031]气泡喷射管2开口向上安装于储液槽I上，供液装置10与储液槽I之间设有输液导管，供液装置10通过该输液导管向储液槽I中提供磁性聚合物溶液，其中，气泡喷射管2优选采用圆柱形，有利于气泡的成形，并且储液槽I与气泡喷射管2之间为密闭连接，可以避免磁性聚合物溶液泄露以及溶剂挥发造成溶液性质改变，影响后续磁有序纳米复合材料的制备。
[0032]储液槽I的一侧设置气泡发生器4，玻璃管3的材质为钢化玻璃，其内部中空，一端连通气泡发生器4，另一端穿过储液槽I的内部并开口向上延伸至与气泡喷射管2内部连通，气泡发生器4通过玻璃管3在气泡喷射管2内形成聚合物气泡。
[0033]储液槽I的侧面设置有气流发生器6，气流发生器6可形成高压气流，气流发生器6与喷气管5连接，优选的，喷气管5包括第一喷气管与第二喷气管，气流发生器6包括第一气流发生器与第二气流发生器，第一喷气管与第二喷气管分别连接第一气流发生器与第二气流发生器，并对称设置于气泡喷射管2的两侧，由气流发生器6产生的高压气流经喷气管5喷出，破裂的气泡在气流的作用下被拉伸细化形成大量的纳米纤维。
[0034]磁控装置9安装在支架台8上，其中磁控装置9包括两块相互平行的长方体磁铁11，这两块磁铁11对称设置在气泡喷射管2轴线的外侧，并且两块磁铁11为异名磁极磁铁，由此可以在两块磁铁11之间形成均匀的磁场，磁控装置9还包括用于调节磁场强度的磁强控制器，磁场强度调节范围优选为0-5T，在此范围内，可以更好的控制磁流体的运动轨迹，大量的无序磁性纳米纤维材料在磁场的作用下取向度大幅增加，最终形成大量的有序磁性纳米复合材料，从而收集在接收装置7上。
[0035]请参见图2，是本发明接收装置的结构示意图，接收装置7由滚筒13和金属网14组成，气泡纺丝时，滚筒13带动金属网14缓慢转动，使接收的磁有序纳米复合纤维材料的均匀性得到提尚。
[0036]请参见图3，是本发明磁控装置安装于支架台上的结构示意图，磁铁11与接收装置7之间设置有距离调节装置，距离调节装置例如可以是安装在载物板12上的滑轨，磁铁11安装在载物板12上的滑轨上，可根据需要调节磁铁11的位置，从而方便调节磁铁11到接收装置7之间的距离，磁铁11与接收装置7之间的距离调节范围优选为l-5cm，在此范围内，可以更好的控制磁流体的运动轨迹。
[0037]支架台8包括升降杆15和支架台底座16，升降杆15为可伸缩式，可用于调节接收装置7与气泡喷射管2的竖直高度，竖直高度调节范围优选为0.2-lm，根据纺丝的需要进行调节，在此范围内，可以更好的控制磁流体的运动轨迹。
[0038]采用上述的气流气泡纺丝装置制备磁有序纳米复合材料，包括如下步骤:
[0039]将磁性纳米粒子，例如Fe304、γ -Fe2O3、Ni或CoFe2O4等磁性纳米粒子，分散在例如PVA、PVP、PVDF或PS等聚合物所形成的聚合物溶液中，然后对该混合溶液进行超声波处理，获得组成性质均匀分散的磁性聚合物溶液；
[0040]将获得的磁性聚合物溶液注入到供液装置10中，打开供液装置10，开始向储液槽I中输送该磁性聚合物溶液，在储液槽I中装满该磁性聚合物溶液，同时打开气泡发生器4，调节至适当的起泡速率。气泡17在玻璃管3连通气泡喷射管2内部那端的磁性聚合物溶液中产生，供液装置10的供液速率与气泡发生器4产生气泡17的速率成正比，使气泡17的产生均匀而稳定，产生的气泡17逐渐上升到气泡喷射管2的顶端破裂；
[0041 ]同时，打开气流发生器6，根据需求调节至适当的气压大小及气流速度，同时打开磁控装置9，调节磁场强度，并调节磁控装置9与接收装置7之间的距离、及接收装置7与气泡喷射管2之间的高度。以气流为动力，气流发生器6产生的气流通过喷气管5喷射而出，上升至气泡喷射管2顶端的气泡17破裂后产生无数条微细液柱，在喷射出的高速气流的作用下被拉伸细化形成大量无序的随机取向的磁性纳米纤维，极大的提高了磁性纳米纤维材料的产量，大量无序的随机取向的磁性纳米纤维在磁控装置9产生的磁场控制区域中有规律的运动形成有序的磁性纳米纤维，最后磁性纳米纤维被收集在接收装置7上，从而获得大量的磁有序纳米复合材料。
[0042]本发明提出一种制备磁有序纳米复合材料的气流气泡纺丝装置及利用该装置进行气流气泡纺丝的方法，气流气泡纺丝装置包括储液槽1、气泡喷射管2、玻璃管3、气泡发生器4、喷气管5、气流发生器6、设于气泡喷射管2上方的接收装置7、与接收装置7连接固定的支架台8、安装于支架台8上的磁控装置9以及与储液槽连通的供液装置10，玻璃管3的一端连通气泡发生器，另一端穿过储液槽I内部并延伸至与气泡喷射管2内部连通，喷气管5设置于气泡喷射管2的侧面并与气流发生器6连接，纺丝时，在带磁性纳米粒子的聚合物溶液表面形成气泡，气泡上升破裂后以气流为动力被进一步拉伸细化形成大量的磁性纳米纤维，磁控装置包括气泡喷射管外侧安装的两块对称的磁铁，通过对磁场强度、两磁铁间距、磁控装置与接收装置间距、接收装置与气泡喷射管间距等纺丝条件的适当控制，从而控制磁流体的运动轨迹，获得大量的磁有序纳米复合材料。
[0043]对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0044]此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
【主权项】
1.一种制备磁有序纳米复合材料的气流气泡纺丝装置，其特征在于，包括储液槽、气泡喷射管、玻璃管、气泡发生器、喷气管、气流发生器、接收装置、支架台、磁控装置以及与储液槽连通的供液装置，所述玻璃管的一端连通气泡发生器，另一端穿过储液槽内部并延伸至与气泡喷射管内部连通，所述喷气管设置于气泡喷射管的侧面并与气流发生器连接，所述接收装置设于气泡喷射管的上方，并与支架台连接固定，所述磁控装置安装于支架台上。2.根据权利要求1所述的制备磁有序纳米复合材料的气流气泡纺丝装置，其特征在于，所述喷气管包括第一喷气管与第二喷气管，所述气流发生器包括第一气流发生器与第二气流发生器，所述第一喷气管与第二喷气管分别连接第一气流发生器与第二气流发生器，并对称设置于气泡喷射管的两侧。3.根据权利要求1所述的制备磁有序纳米复合材料的气流气泡纺丝装置，其特征在于，所述磁控装置包括两块相互平行的磁铁，所述磁铁对称设置于气泡喷射管轴线的外侧。4.根据权利要求3所述的制备磁有序纳米复合材料的气流气泡纺丝装置，其特征在于，所述磁铁为异名磁极磁铁。5.根据权利要求1所述的制备磁有序纳米复合材料的气流气泡纺丝装置，其特征在于，所述接收装置包括两个滚筒及连接两个滚筒的金属网。6.根据权利要求1所述的制备磁有序纳米复合材料的气流气泡纺丝装置，其特征在于，所述磁铁与接收装置之间设置有距离调节装置，所述磁铁与接收装置的距离调节范围为1-5cm07.根据权利要求1所述的制备磁有序纳米复合材料的气流气泡纺丝装置，其特征在于，所述磁控装置包括用于调节磁场强度的磁强控制器，所述磁场强度调节范围为0-5T。8.根据权利要求1所述的制备磁有序纳米复合材料的气流气泡纺丝装置，其特征在于，所述支架台设有升降杆与支架台底座，所述升降杆用于调节所述接收装置与气泡喷射管的高度，所述高度调节范围为0.2-lm。9.一种制备磁有序纳米复合材料的气流气泡纺丝方法，其特征在于，选用权利要求1-8中任一项所述的气流气泡纺丝装置，包括如下步骤: 将磁性纳米粒子分散在聚合物溶液中，超声波处理后，获得均匀分散的磁性聚合物溶液； 将所述磁性聚合物溶液注入供液装置中，打开供液装置，向储液槽中输送磁性聚合物溶液，同时打开气泡发生器，使气泡喷射管中产生气泡，产生的气泡上升至气泡喷射管的顶端而破裂，所述供液装置的供液速率与气泡发生器产生气泡的速率成正比； 打开气流发生器，调节气流速度，同时打开磁控装置，调节磁场强度，并调节磁控装置与接收装置的距离、及接收装置与气泡喷射管的高度，气流从喷气管喷射而出，将破裂的气泡拉伸细化形成随机取向的纳米纤维，所述随机取向的纳米纤维经过磁控装置产生的磁场控制区域，受磁场力作用被拉伸形成有序磁性纳米纤维，并被收集在接收装置上。10.根据权利要求9所述的制备磁有序纳米复合材料的气流气泡纺丝方法，其特征在于，所述磁性纳米粒子为Fe304、γ _Fe203、Ni或CoFe2O4,所述聚合物溶液为PVA、PVP、PVDF或PS溶液。
【文档编号】D01D5/14GK105821496SQ201610255301
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年4月22日
【发明人】何吉欢, 刘鹏, 刘志
【申请人】苏州大学