纤维连续制备方法及装置

本公开属于纤维材料科学，具体涉及一种纤维连续制备方法及装置。

背景技术：

1、高性能和生物基弹性纤维已经成为当今研究的热点之一，例如碳纤维、玻璃纤维、胶原蛋白纤维、纤维素纤维等。随着对其研究的深入，高性能生物基纤维有望在纺织工业、建筑施工、汽车制造和生物医学工程等多个领域得到应用。与此同时，寻找和研发可替代的生物可降解纤维具有重要的意义。在这方面，多糖，尤其是纤维素、壳聚糖和海藻酸钠等，由于其生物相容性、生物可降解性、低成本、无毒无害、可再生性而受到越来越多的关注。

2、由这些生物相容性良好的绿色高分子组装制备纤维长丝以及利用二维纳米片制备复合纤维的方法主要包括湿法纺丝、干法纺丝、和静电络合纺丝。湿法纺丝过程中纤维需要在有机溶剂凝固浴中固化，并且纺丝液浓度较高流动性较差，不利于高分子链的高度取向。用于干法纺丝的高分子溶液粘性较高，高分子链具有较强的缠结作用，导致高分子链的取向度较低，在纺丝过程中流动性较低的纺丝液中的气泡难以除去，导致在制备的纤维中产生大量的空穴等缺陷，大大降低了纤维素长丝的机械性能。而基于静电作用的界面络合制备纤维在于具有相反电荷的组分界面之间的静电引力结合能够形成高纵横比的材料结构，对其反应界面实施的拉伸过程可以诱导分子沿纤维轴向取向排列。

3、然而，相关技术中基于界面静电络合作用制备纤维的方法通常是在两个反应液滴横向相遇界面的垂直方向进行拉丝得到，该方法所得的纤维可能会存在结构不均匀，容易断裂，并且纤维的长度和连续收集受到限制，难以满足现实使用的需求。因此如何利用界面间的静电络合实现纤维的连续收集制备具有重要意义。

技术实现思路

1、有鉴于此，为解决相关技术中的所述以及其他方面的至少一种技术问题，本公开提出了一种纤维连续制备方法，包括以下步骤。

2、步骤s1：提供反应模具，反应模具包括第一通道、第二通道和第三通道，在交叉位置相互连通形成y型通道。

3、步骤s2：将含正电材料的第一溶液与含负电材料的第二溶液分别一一对应地自第一通道的入口和第二通道的入口注入反应模具，并在交叉位置汇集，使得正电材料和负电材料发生静电络合反应，得到纤维，纤维自第三通道的出口流出。

4、步骤s3：在第三通道的出口处对纤维进行牵引，以使纤维连续生成。

5、根据本公开的实施例，正电材料包括第一高分子材料和/或第一纳米材料，其中，第一高分子材料包括聚乙烯胺、聚乙烯亚胺、壳聚糖季铵盐、壳聚糖、几丁质中的至少一种，第一纳米材料包括氧化铁纳米片、氧化锌纳米片、硅纳米片、金纳米片中的至少一种。

6、根据本公开的实施例，负电材料包括第二高分子材料和/或第二纳米材料，其中，第二高分子材料包括聚丙烯酸、聚甲基酸、聚苯乙烯磺酸钠、海藻酸钠、羧甲基纤维素钠中的至少一种，第二纳米材料包括氧化石墨烯、蒙脱土、碳纳米管中的至少一种。

7、根据本公开的实施例，静电络合的反应速率通过第一溶液和第二溶液的注入通量以及反应模具的倾斜角度控制。

8、根据本公开的实施例，第一溶液和第二溶液的注入通量相同，注入通量的范围为0.1～3ml/min；

9、根据本公开的实施例，反应模具在静电络合反应中的倾斜角度范围为0°～90°。

10、根据本公开的实施例，牵引操作的速率为0～12rad/min。

11、根据本公开的实施例，反应模具的材料为水凝胶。

12、根据本公开的实施例，在步骤s1中，提供反应模具的方法包括以下步骤。

13、步骤s101：将聚合物单体与引发剂、交联剂溶解于蒸馏水中得到混合水溶液，然后加入促凝剂，得到反应溶液。

14、步骤s102：将反应溶液倒入平面容器中，并放入y型模板，聚合定性后将y型模板剥离，得到反应模具。

15、步骤s103：对反应模具进行冲洗，在水中浸泡以使反应模具膨胀。

16、根据本公开的实施例，聚合物单体与引发剂的质量比为1:1～1:6。

17、根据本公开的实施例，聚合物单体包括丙烯酰胺，引发剂包括过硫酸铵，交联剂包括n，n'-亚甲基双丙烯酰胺。

18、在本公开的另一方面提出了一种用于实现前述纤维连续制备方法的装置，包括注射单元、反应单元和收集单元。

19、根据本公开的实施例，注射单元包括两个相同的注射器和注射器推进组件，注射器内分别容纳第一溶液和第二溶液。反应单元包括反应模具和倾斜组件；其中，反应模具被构造成包含第一通道、第二通道和第三通道，第一通道、第二通道和第三通道在交叉位置相互连通形成y型通道；倾斜组件的轴线方向与第三通道的方向正交，适用于调整反应模具的倾斜角度；反应单元适用于接收第一溶液和第二溶液，并发生静电络合反应，从而得到纤维。收集单元包括多个滚轮组件，以使纤维被滚轮组件连续牵引从而连续产出。

20、根据本公开的实施例，收集单元末端的滚轮组件适用于收集纤维。

21、根据本公开的实施例，通过具有y型通道的反应模具使得带相反电荷材料的第一溶液和第二溶液在界面之间发生原位静电络合反应，从而自发组装形成络合物纤维。然后经过牵引作用使得纤维连续生成，牵引拉伸作用有助于高分子链和纳米片的定向组装，制备的纤维取向度较高，有利于纤维的高强韧化。本公开中提出的纤维连续制备方法在水溶液中进行，无毒环保，对反应条件和成本要求低。

技术特征：

1.一种纤维连续制备方法，包括：

2.根据权利要求1所述的纤维连续制备方法，其中，

3.根据权利要求1所述的纤维连续制备方法，其中，所述静电络合的反应速率通过所述第一溶液和所述第二溶液的注入通量以及所述反应模具的倾斜角度控制。

4.根据权利要求3所述的纤维连续制备方法，其中，

5.根据权利要求1所述的纤维连续制备方法，其中，所述牵引操作的速率为0～12rad/min。

6.根据权利要求1所述的纤维连续制备方法，其中，所述反应模具的材料为水凝胶。

7.根据权利要求6所述的纤维连续制备方法，其中，所述提供反应模具的方法包括：

8.根据权利要求7所述的纤维连续制备方法，其中，

9.一种用于实现如权利要求1～8任一项所述的纤维连续制备方法的装置，包括：

10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述收集单元(3)末端的滚轮组件适用于收集所述纤维。

技术总结
本公开提出了一种纤维连续制备方法，包括以下步骤。提供反应模具，反应模具包括第一通道、第二通道和第三通道，在交叉位置相互连通形成Y型通道。将含正电材料的第一溶液与含负电材料的第二溶液分别一一对应地自第一通道的入口和第二通道的入口注入所述反应模具，并在交叉位置汇集，使得正电材料和负电材料发生静电络合反应，得到纤维，纤维自第三通道的出口流出。在第三通道的出口处对纤维进行牵引，以使纤维连续生成。在本公开的另一方面还提出了一种用于实现前述纤维连续制备方法的装置。

技术研发人员：赵创奇,刘晓静
受保护的技术使用者：中国科学技术大学苏州高等研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31