一种控速提拉制备长程连续梯度纤维材料的装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种控速提拉制备长程连续梯度纤维材料的装置，属于化学仿生【技术领域】。所述装置包括原纤维支撑架、胀紧摩擦器、液槽、温控室、相向异步缠绕器和速度控制器，首先在原纤维支撑架上固定原纤维的一端，然后纤维的另一端水平依次穿过胀紧摩擦器、液槽、温控室，最后缠绕在相向异步缠绕器上的纤维轴上；所述速度控制器用于控制相向异步缠绕器的转速；整个装置保证纤维始终处于水平状态。本发明实现了连续大规模制备长程连续梯度纤维材料，利于梯度纤维材料在以后实际生活中的应用；提高了制备梯度纤维的效率；能够实现大规模制备梯度纤维材料。
【专利说明】 一种控速提拉制备长程连续梯度纤维材料的装置
【技术领域】
[0001]本发明属于化学仿生【技术领域】，具体涉及一种控速提拉制备长程连续梯度纤维材料的系统。
【背景技术】
[0002]大自然中生物依靠其表面特殊的结构展现出优异的性能，如蝴蝶的表面的各向异性，荷叶的自清洁特性，甲壳虫的集雾性能等等，它们这些令人诧异的性能来源于自身的微纳复合多级结构，由此引起了广大科学工作者的兴趣，受生物启发/仿生等各种材料开始兴起。智能材料、梯度材料、仿生材料等，做成三维立体、二维平面、一维材料各种形状的，其中梯度纤维材料以其简单、易制备、成本低、应用广等逐渐引起了人们的重视。
[0003]现有可以制备梯度纤维材料的装置主要为提拉机，采用的方法为浸涂法(见参考文献 Chen, Y.et al.(2013).Bioinspired tilt-angle fabricated structure gradientfibers:micro-drops fast transport in a long-distance.Sci Rep3:2927.)。浸涂法可以制备梯度纤维材料如图2，实现步骤包括:
[0004]步骤一:纤维成角度固定:
[0005]利用胶体将纤维两端成一定角度固定(5°、10°、15°、20° )在支架上，纤维平均直径优选5?100 μ m，用丙酮清洗纤维面，除去附着于纤维表面的尘埃。将支架固定在提拉涂膜机上。
[0006]步骤二:制备质量分数为5?9%的聚合物溶液。将聚合物添加至溶剂中，搅拌24h以上，得到澄清透明聚合物溶液，所述的溶剂为N，N- 二甲基乙酰胺(DMA、N, N- 二甲基甲酰胺(DMF)或四氢呋喃；所述的聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚四氟乙烯(PTFE)或聚偏氟乙烯(PVDF)。
[0007]步骤三:提拉产生突起节:
[0008]将固定有纤维的支架完全浸泡在聚合物溶液中，浸泡时间为30s以上，以150?200mm/min的速度进行提拉。提拉完成后，将表面覆盖有聚合物的纤维进行干燥20min以上，得到具有突起节的纤维。
[0009]步骤四:提拉增加表面微纳米结构:
[0010]将制备得到的具有突起节的纤维浸没在纳米溶液中，浸泡时间为30s以上，然后进行慢速提拉，提拉速度小于等于50mm/min,在室温下干燥IOmin以上得到具有突起节并且表面是微纳米结构的仿生淡水采集纤维。
[0011]浸涂法虽然可以制备较好的梯度纤维材料，但是其中有三个缺点是:(I)由于搭载纤维的架子及液槽大小的影响，每次只能制备3-4cm长度的纤维材料，长度的影响，不利于以后实现织网的应用；(2)该方法是根据纤维与高聚物液面成一定角度，由于纤维表面高聚物包覆膜是从纤维一端向另一端逐渐形成，并且是单向的梯度大小膜(类似圆锥形)，因此只能制备单向梯度纤维材料，无法制备中间对称和两边对称模式的纤维材料，(3)梯度纺锤结完全干燥需要时间太久，效率低，以后大规模制备材料时间花费太多，这些都限制了 梯度纤维材料在以后的实际生活中的应用。
【发明内容】
[0012]受蜘蛛丝、仙人掌刺等结构的启发，本发明制备一种长程连续梯度纤维材料，实现了微液滴自驱动传输，在微流体设备、微反应器、微传感器等领域有着很大的应用前景。而对于这种长程连续梯度纤维材料的制备，本发明提供了一种控速提拉制备长程连续梯度纤维材料的装置，采用变速覆膜法，控制提拉速度，在原纤维表面包覆一层修饰物，利用瑞利不稳定性，使修饰物破裂成理想结构从而制备梯度纤维材料，该装置可以广泛应用于各种梯度/均匀纤维材料的制备，比如天然纤维、人造纤维、合成纤维等，都可以在表面包覆有机、无机等修饰物从而得到目标纤维材料。
[0013]本发明提供一种控速提拉制备长程连续梯度纤维材料的装置，所述装置包括原纤维支撑架、胀紧摩擦器、液槽、温控室、相向异步缠绕器和速度控制器，首先在原纤维支撑架上固定原纤维的一端，然后纤维的另一端水平依次穿过胀紧摩擦器、液槽、温控室，最后缠绕在相向异步缠绕器上的纤维轴上；所述速度控制器用于控制相向异步缠绕器的转速；整个装置保证纤维始终处于水平状态。
[0014]所述的原纤维支撑架是固定纤维轴的一个支架，所述纤维轴水平设置，纤维轴上缠绕原料纤维；所述纤维轴垂直于胀紧摩擦器的轴线。
[0015]所述的胀紧摩擦器为一个圆柱形的夹紧摩擦器件，由四个四分之一圆柱的柱状结构通过外侧套环组装而成，所述的套环调节四个柱状结构之间的间距，进而将纤维限制在四个柱状结构的形成的中心孔中。
[0016]所述的液槽用于盛放高聚物溶液，液槽前后壁开有一对直径为0.4?1.5mm的同心同直径的小孔，两小孔孔心位于一条水平线上，保证纤维在高聚物溶液中处于水平状态；整个提拉过程保证纤维始终处于液面以下。
[0017]所述的温控室是由上下两个隔热箱体组成，在下箱体有四个反光平面和两个远红外灯，分别为反光平面A、反光平面B、反光平面C、反光平面D、远红外灯A和远红外灯B，上箱体有两个反光平面E和反光平面F，当上箱体和下箱体组合后，六个反光平面与上箱体的顶面组成封闭的反光结构；所述远红外灯A与远红外灯B之间的夹角为92°?100°，在每个远红外灯外侧分别设置一个反光平面A和反光平面B，所述反光平面A与远红外灯A平行，反光平面B与远红外灯B平行，所述反光平面C和反光平面D分别竖直放置，反光平面C上端连接反光平面E，下端连接反光平面A，反光平面D上端连接反光平面F，下端连接反光平面B ;所述反光平面E和反光平面C之间的夹角为α，所述反光平面F与反光平面D之间的夹角为α。
[0018]所述的相向异步缠绕器包括拉制电机、缠绕电机、缠绕轴和电机底座，所述的缠绕电机的输出轴与缠绕轴固定连接，所述缠绕电机固定在电机底座上，所述的电机底座与拉制电机的输出轴连接，所述拉制电机固定，拉制电机的输出轴上固定一根螺纹杆，所述螺纹杆与电机底座之间螺纹连接。
[0019]本发明的优点在于:
[0020](I)本发明提供的装置帮助实现了连续大规模制备长程连续梯度纤维材料，利于梯度纤维材料在以后实际生活中的应用，例如可以用来织网，在海滨滨海沙漠、海岛、远洋船只和多雾山区等，收集空气中的水滴使之成为可使用的淡水，以及机场、高速公路、灯塔等周围的浓雾驱散和消散，其收集淡水的成本远低于海水淡化的成本。
[0021](2)该装置帮助制备多种梯度模式的梯度纤维材料:单向梯度、中间对称模式和两边对称模式，实现液滴的单向长程，双向相对、相离长程聚集、调控、传输等行为，可以应用在微流体设备、微反应器、微传感器等领域；
[0022](3)该装置帮助提高了制备梯度纤维的效率。由于以前技术的缺陷，每次材料干燥都需要5min的时间，效率低，也限制了长程连续梯度纤维材料的大规模制备。通过本发明加入远红外温控室，保证干燥温度在85°C -90°C，梯度结构的干燥只需要75s-95s，恰好是纤维通过温控室所需时间，实现了长程连续制备梯度纤维。
[0023](4)本发明提供的控速提拉制备长程连续梯度纤维材料的装置，能够实现大规模制备梯度纤维材料。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为本发明制备得到的不同类型梯度纤维材料示意图；
[0025]图2为现有技术中制备得到的梯度纤维结构示意图；
[0026]图3为本发明提供的控速提拉制备长程连续梯度纤维材料的装置的结构示意图；
[0027]图4A为胀紧摩擦器的主视图；
[0028]图4B为图4A中胀紧摩擦器的侧视图；
[0029]图5为温控室内部反光平面布局示意图；
[0030]图6为相向异步缠绕器的结构示意图。
【具体实施方式】
[0031]下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
[0032]本发明提供一种控速提拉制备长程连续梯度纤维材料的装置，所述装置采用控速提拉法，让纤维水平穿过一个液槽，(I)依靠提拉纤维速率的不同，在纤维上会覆盖不同梯度类型的液膜，进而实现不同类型梯度结构纤维的制备；(2)装置中配有可以精确控制速度的电机，因此可以通过各种模式的匀变速提拉，制得不同模式的梯度纤维；(3)实现连续制备梯度纤维材料，装置中有一套温控干燥器，利用红外加热使温控室内温度维持在850C _95°C，温控室长50cm，梯度纤维从进入温控室到离开温控室所用时间为75_95s，正好为在85°C _95°C条件下纤维干燥所用时间，因此本发明提供的装置可以实现连续大规模制备。
[0033]本发明提供的控速提拉制备长程连续梯度纤维材料的装置，如图3所示，包括原纤维支撑架1、胀紧摩擦器2、液槽3、温控室4、相向异步缠绕器5和速度控制器6，首先在原纤维支撑架I上固定原纤维的一端，然后纤维的另一端水平依次穿过胀紧摩擦器2、液槽3、温控室4，最后缠绕在相向异步缠绕器5的缠绕轴上。所述速度控制器6用于控制相向异步缠绕器5的转速。整个装置保证纤维始终处于水平状态。
[0034]所述装置利用不同的提拉速度在纤维上包覆不同梯度大小的液膜，由于瑞利不稳定性，液膜破裂，形成梯度大小的纺锤状结构，即本发明所要制备的梯度纤维材料。
[0035]所述的原纤维支撑架1:固定纤维轴的一个支架，帮助装置稳定工作；所述纤维轴水平设置，纤维轴上缠绕原料纤维。所述纤维轴垂直于胀紧摩擦器的轴线。
[0036]所述的胀紧摩擦器2:用于(I)保证悬空的纤维有足够的张力，使纤维通过液槽3和温控室4时，保证纤维的平直状态；(2)使光滑的纤维表面得到摩擦，变得粗糙而增加表面积，因此更容易粘带胶体；(3)控制纤维运行时的同心性。如图4A和4B所示，所述的胀紧摩擦器2可以设计为一个圆柱形的夹紧摩擦器件，由四个四分之一圆柱的柱状结构通过外侧套环组装而成，根据需要也可以选择三个或5个以上的柱状结构和套环组装而成。以四个柱状结构为例，所述的套环可以调节四个柱状结构之间的间距，进而将纤维可以限制在多个柱状结构的形成的中心孔中。所述柱状结构的截面为中心角为90度的扇形结构，两个平面的表面做成纳米级粗糙结构，纤维从四个柱状结构组成的中心孔中通过,此时四个柱状结构的平面之间的宽为0.5?1.5mm，纤维穿过的过程中受到柱状结构表面摩擦，产生粗糙表面。
[0037]所述的液槽3:用于盛放高聚物溶液，液槽3前后壁开有一对直径为0.4?1.5mm的同心同直径的小孔，两小孔孔心位于一条水平线上，保证纤维在高聚物溶液中处于水平状态。所述小孔直径比所用原纤维的直径大0.2-0.4mm，使得在纤维拉伸过程中不会阻碍液膜的形成，并且避免高聚物溶液从小孔处流出，整个提拉过程保证纤维始终处于液面以下。所述高聚物溶液是由溶剂N，N- 二甲基甲酰胺(DMF)、N, N- 二甲基乙酰胺(DMA)，溶质聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯醇(PVA)或聚偏氟乙烯(PVDF)配制而成的质量百分比浓度为8%-13%的溶液。
[0038]所述的温控室4是由上下两个隔热箱体组成，如图5所示，在下箱体有四个反光平面(反光平面A401、反光平面B402、反光平面C403、反光平面D404)、远红外灯A407和远红外灯B408，上箱体有两个反光平面E405和反光平面F406，当上箱体和下箱体组合后，六个反光平面与上箱体的顶面组成封闭的反光结构。所述远红外灯A407与远红外灯B408之间的夹角为92° -100°，在每个远红外灯外侧分别设置一个反光平面A401和反光平面B402，所述反光平面A401与远红外灯A407平行，反光平面B402与远红外灯B408平行，所述反光平面C403和反光平面D404分别竖直放置，反光平面C403上端连接反光平面E405，下端连接反光平面A401，反光平面D404上端连接反光平面F406，下端连接反光平面B402 ;所述反光平面E405和反光平面C403之间的夹角为α，所述反光平面F406与反光平面D404之间的夹角为α，一般取α为30° -40°。温控室4内温度可任意变化、监控、报警；温控室4带有隔热玻璃窗，可随时观察纤维的运动和变化情况。由远红外灯Α407和远红外灯Β408发出的光线，经过六个反光平面的多次反光，根据光波互不干涉原理，使红外光基本汇聚在纤维运行的轨迹周围，保证纤维各个方面均匀受热。在所述的温控室4内还设置有温度传感器，用于测定温控室内的温度。
[0039]所述的相向异步缠绕器5由两个相向移动、异步转动的电机组成，并分别连接速度控制器，可以精确到40 μ m/s，因此本发明可以精确的设定纤维运行速度。所述的相向异步缠绕器5包括拉制电机501、缠绕电机502、缠绕轴503和电机底座504，所述的缠绕电机502的输出轴与缠绕轴503固定连接，用于驱动缠绕轴503的转动，进而将具有梯度节的纤维拉紧并缠绕在缠绕轴503上。所述缠绕电机502固定在电机底座504上，所述的电机底座504与拉制电机501的输出轴连接，在所述的拉制电机501的带动下，电机底座504在缠绕轴503的轴线方向移动，同时带动缠绕电机502和缠绕轴503整体发生移动。所述的缠绕电机502负责以不同的速率拉制梯度纤维并缠绕在缠绕轴503上，另一个拉制电机501负责纤维的紧密分层次缠绕，避免纤维在某个地方堆叠。所述的相向异步缠绕器5配合速度控制器可以使纤维的运行速度达到多曲线的运动状态；与胀紧摩擦器2配合，保证纤维足够张力；每次处理完的纤维都缠绕在同一个层面上，互不挤压。
[0040]所述的拉制电机501与电机底座504之间的连接关系，如图6所示，拉制电机501固定，拉制电机501的输出轴上固定一根螺纹杆505,所述螺纹杆505与电机底座504之间螺纹连接，当拉制电机501的输出轴旋转，带动螺纹杆505旋转，进而电机底座504在螺纹杆505上移动。
[0041]所述的速度控制器:由两个单片机组成，分别用于精确控制拉制电机501和缠绕电机502。保证整个纤维提拉过程中速度的精确性。
[0042]所述纤维轴的轴线高度、胀紧摩擦器轴线高度、液槽上两个同心小孔高度相同。
[0043]实施例:
[0044]把直径100 μ m的尼龙纤维固定在纤维支撑架I上，纤维一端水平依次穿过胀紧摩擦器2、液槽3、温控室4。在液槽3中注入高聚物溶液，打开两个电机，调节速度控制器，使提拉速度为勻变速，初速度为Omm/s,最大速度13mm/s?21mm/s,加速度9mm/S2?14mm/S2,可以的得到图1中单向梯度模式的纤维；初速度为Omm/s,加速度9mm/s2?14mm/s2,速度达到13mm/s?21mm/s,再以加速度(_9)mm/s2?(_14)mm/s2减速为Omm/s,得到图1中中间对称模式的梯度纤维；以13mm/s?21mm/s为初速度，加速度_9mm/s2?(_14)mm/s2减速为Omm/s,再以加速度9mm/s2?14mm/s2加速到13mm/s?21mm/s,得到图1中两边对称梯度模式的纤维。缠绕速度为3mm/min?8mm/min。
[0045]整个提拉过程保证纤维始终处于液槽3内液面以下，纤维以上述某个匀变速状态做周期运动通过温控室4，根据匀变速运动的位移与时间关系，在通过温控室4的时间内，梯度纤维可以完全干燥，整个温控室4内纤维周围是均匀受热。整个制备梯度纤维材料的动力装置就是相向异步缠绕器5，由两个相向移动、异步电机组成，一个缠绕电机拉制纤维，另一个拉制电机控制纤维在前一个缠绕电机上的缠绕方式，两个电机分别有速度控制器的两个单片机控制转速，速度可以精确到40 μ m/s。可以通过改变初速度和加速度的大小，以匀加速、匀减速等提拉方式制备出前面提到的三种提到模式的纤维材料。
[0046]该装置的替代方案:胀紧摩擦器可以设计成其他的结构比如方形、锥形等；温控室内的反光平面数量可以为8块以上、布局平面直径可以成其他角度，加热灯可以采用非光线灯，内装风机，使得温控室内温度均匀；速度控制器可以改为由电脑程序控制等。
【权利要求】
1.一种控速提拉制备长程连续梯度纤维材料的装置，其特征在于:所述装置包括原纤维支撑架、胀紧摩擦器、液槽、温控室、相向异步缠绕器和速度控制器，首先在原纤维支撑架上固定原纤维的一端，然后纤维的另一端水平依次穿过胀紧摩擦器、液槽、温控室，最后缠绕在相向异步缠绕器上的纤维轴上；所述速度控制器用于控制相向异步缠绕器的转速；整个装置保证纤维始终处于水平状态。
2.根据权利要求1所述的一种控速提拉制备长程连续梯度纤维材料的装置，其特征在于:所述的原纤维支撑架是固定纤维轴的一个支架，所述纤维轴水平设置，纤维轴上缠绕原料纤维；所述纤维轴垂直于胀紧摩擦器的轴线。
3.根据权利要求1所述的一种控速提拉制备长程连续梯度纤维材料的装置，其特征在于:所述的胀紧摩擦器为一个圆柱形的夹紧摩擦器件，由四个四分之一圆柱的柱状结构通过外侧套环组装而成，所述的套环调节四个柱状结构之间的间距，进而将纤维限制在四个柱状结构的形成的中心孔中。
4.根据权利要求3所述的一种控速提拉制备长程连续梯度纤维材料的装置，其特征在于:所述柱状结构的截面为中心角为90度的扇形结构，两个平面的表面做成纳米级粗糙结构，纤维从四个柱状结构组成的中心孔中通过，此时四个柱状结构的平面之间的宽为0.5 ?L 5mmο
5.根据权利要求1所述的一种控速提拉制备长程连续梯度纤维材料的装置，其特征在于:所述的液槽用于盛放高聚物溶液，液槽前后壁开有一对直径为0.4?1.5mm的同心同直径的小孔，两小孔孔心位于一条水平线上，保证纤维在高聚物溶液中处于水平状态；整个提拉过程保证纤维始终处于液面以下。
6.根据权利要求1所述的一种控速提拉制备长程连续梯度纤维材料的装置，其特征在于:所述的温控室是由上下两个隔热箱体组成，在下箱体有四个反光平面和两个远红外灯，分别为反光平面A、反光平面B、反光平面C、反光平面D、远红外灯A和远红外灯B，上箱体有两个反光平面E和反光平面F，当上箱体和下箱体组合后，六个反光平面与上箱体的顶面组成封闭的反光结构；所述远红外灯A与远红外灯B之间的夹角为92°?100°，在每个远红外灯外侧分别设置一个反光平面A和反光平面B，所述反光平面A与远红外灯A平行，反光平面B与远红外灯B平行，所述反光平面C和反光平面D分别竖直放置，反光平面C上端连接反光平面E，下端连接反光平面A，反光平面D上端连接反光平面F，下端连接反光平面B ；所述反光平面E和反光平面C之间的夹角为α，所述反光平面F与反光平面D之间的夹角为ct。
7.根据权利要求6所述的一种控速提拉制备长程连续梯度纤维材料的装置，其特征在于:所述的夹角α为30° -40°。
8.根据权利要求6所述的一种控速提拉制备长程连续梯度纤维材料的装置，其特征在于:所述的温控室内干燥温度在85°C -95°C。
9.根据权利要求1所述的一种控速提拉制备长程连续梯度纤维材料的装置，其特征在于:所述的相向异步缠绕器包括拉制电机、缠绕电机、缠绕轴和电机底座，所述的缠绕电机的输出轴与缠绕轴固定连接，所述缠绕电机固定在电机底座上，所述的电机底座与拉制电机的输出轴连接，所述拉制电机固定，拉制电机的输出轴上固定一根螺纹杆，所述螺纹杆与电机底座之间螺纹连接。
【文档编号】D06B3/36GK103696187SQ201310726303
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月25日 优先权日:2013年12月25日
【发明者】郑咏梅, 薛焱, 徐国栋 申请人:北京航空航天大学