一种磁纺装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种微纳米纤维制备装置，具体涉及一种磁纺装置。
【背景技术】
[0002]一维纳米纤维是指在三维空间尺度上有两维处于纳米尺度的线状材料，具有孔隙率高、比表面积大、较大的长度/直径比，以及不同于大块样品的电、磁、力、热、光等物理化学性质，在纳米电子器件、空气过滤、传感器以及生物医学等诸多领域有着广阔的应用。随着纳米纤维材料在各领域应用技术的不断发展，纳米纤维的制备技术也得到了进一步的开发与创新。当前纳米纤维的制备方法主要包括拉伸法、模板法、相分离法、自组装法和纺丝加工法等，其中纺丝加工法被认为是最有可能实现规模化连续制备纳米纤维的制备方法，主要包括熔喷法、双组分复合纺丝法和静电纺丝法等制备方法。熔喷法作为规模化生产超细纤维的重要方法，具有纺丝效率高、无溶剂、成本低的特点，可用于大批量生产制备，但缺点在于适用的材料种类较少，适用范围较窄；双组分复合纺丝法制备超细纤维主要以海岛型和裂片型复合纤维为主，其中关键技术在于喷丝板的设计，根据不同规格的喷丝板可制备出不同形态和尺寸的超细纤维。然而，该技术对生产设备精度要求比较高，操作复杂，而且目前能够匹配的海岛纤维种类较少，还无法大批量规模化生产。静电纺丝法是目前制备聚合物纳米纤维最简单高效的方法之一，以其加工设备简单、原料来源广泛、纺丝工艺可控等诸多优点，受到国内外广泛研宄与报道。静电纺丝技术原理非常简单，简述为:在静电纺丝过程中，聚合物溶液或熔体在电场力和表面张力的共同作用下形成射流，射流在下落过程中发生劈裂和拉伸，同时溶剂挥发，在收集极上固化成纳米纤维。然而，目前静电纺丝技术在推广应用上存在以下问题:(I)传统静电纺丝装置通常采用直流高压电源来提供纺丝所需的高压静电场，纺丝工作电压高达上万伏甚至几十万伏，不仅对操作人员造成一定的安全隐患，而且增加了大规模工业生产成本；(2)静电纺丝法对纺丝液导电性要求较高，需要额外添加高导电物质共混纺丝，并且需要后期处理来获得高纯度纳米纤维，成本高昂且耗费时间；(3)当前静电纺丝法制备的纳米纤维产量较低，难以大规模生产制备，距离实际应用还有不小的差距；(4)静电纺丝制备的纳米纤维以无纺布形式存在，纤维排列十分凌乱，制约了静电纺丝技术在生物医学、导电材料以及传感器等领域的推广应用。
[0003]为了简化技术工艺，降低生产成本，制备出性能更加优良的微纳米纤维，各种引入磁场辅助纺丝的新型静电纺丝技术被研宄报道。仰大勇等(AdvancedMaterials, 2007, 19，3702-3706)报道了一种磁场静电纺丝技术制备有序排列纳米纤维，该方法巧妙的弓I入磁场辅助纺丝获得排列有序的磁性纳米纤维，然而该方法施加的磁场仅仅使得纤维有序排列，并没能充分发挥磁场的优势，还是纯粹依靠高压静电进行纺丝，工作电压较高；中国专利“一种聚合物微纳米复合纤维的制备方法”(ZL201310031876.8)介绍在低压近场静电纺丝法的基础上，采用磁场力部分取代电场力对纤维进行拉伸纺丝制备纳米纤维，降低了纺丝电压，但该方法仍需要较高的电压作用，且纺丝产量较低，无法适用于大规模工业化生产。
【发明内容】
[0004]本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种磁纺装置，该装置采用旋转磁场作用，拉伸磁流体射流进行纺丝，整个过程无需高压电作用，有序降低生产成本和安全隐患，且制得的纤维排布有序，产量高适合大规模生产。
[0005]为了实现上述目的，本实用新型提供的技术方案如下:
[0006]一种磁纺装置，包括可以控制给料速率的给料装置，纺丝喷头，喷头驱动机构和纺丝接收装置，所述纺丝接收装置包括水平设置的收集圆盘，所述收集圆盘的底部圆心处与直流无刷电机的输出轴对接联动，直流无刷电机电连接电源和控制电机转速的电机控制器，所述收集圆盘上表面以圆盘中心轴线为对称轴对称设置多个竖直支柱，所述竖直支柱至少为3个，竖直支柱中I个为永磁铁，其余为金属细针，所述纺丝喷头水平设置，纺丝喷头的喷射口指向纺丝接收装置的永磁铁，所述纺丝喷头连接可带动其在竖直方向上做往复运动的喷头驱动机构，所述纺丝喷头与供给纺丝液的给料装置相连。
[0007]进一步的，所述竖直支柱为4个，其中I个为永磁铁，3个为金属细针。
[0008]进一步的，所述给料装置包括微量注射泵，连接微型注射泵的注射器针管，以及与注射器针管针头相连的输液管，所述输液管与纺丝喷头相连。
[0009]进一步的，所述喷头驱动机构为直线电机及其控制器。
[0010]使用上述磁纺装置制备微纳米纤维的方法，包括以下步骤:
[0011](I)铁磁流体纺丝液的配制:加入表面活性剂将磁性纳米颗粒分散到有机溶剂中配制成铁磁流体溶液，高分子聚合物溶于有机溶剂中配制高分子聚合物溶液，将铁磁流体溶液与高分子聚合物溶液混合制成铁磁流体纺丝液；
[0012](2)微纳米纤维的制备:将磁流体纺丝液注入给料装置中，开启给料装置，调整给料装置的给料速率，纺丝喷头喷射口处的磁流体纺丝液液滴在磁场力的作用下形成射流与永磁铁搭连成桥，此时打开喷头驱动机构开关和直流无刷电机的电机控制器开关，调节电机转速，直流无刷电机带动收集圆盘旋转，在磁场力作用下铁磁流体射流不断被拉出，在拉伸细化过程中伴随着溶剂挥发，在收集圆盘的竖直支柱间缠绕形成有序磁性微纳米纤维，喷头驱动机构开启后带动纺丝喷头在竖直方向上做往复运动，可使纺丝在竖直支柱间均匀缠绕，而不聚集在一个位置互相缠绕粘连影响纺丝质量。
[0013]进一步的，步骤⑴所述的表面活性剂是十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、吐温80、油酸、烷基季铵盐中的一种；步骤(I)所述的所述的高分子聚合物是聚氧化乙烯、聚偏氟乙烯、聚己内酯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或多种；步骤(I)所述的有机溶剂是氯仿、N，N-二甲基甲酰胺、丙酮和水中的一种或多种；步骤(I)所述的磁性纳米颗粒是γ _Fe203、Fe3O4、钴、镍中的一种，或者为多种磁性元素的复合磁性纳米颗粒。
[0014]本实用新型的有益效果为:本实用新型提供了一种磁纺装置及使用该装置制备微纳米纤维的方法，该装置在纺丝过程中无需电场力作用，克服传统静电纺丝方法制备微纳米纤维生产成本高、设备产量低、安全隐患大、纤维排布无序等缺点，本实用新型的装置在制备微纳米纤维的过程中在旋转磁场作用下，交变磁场力对铁磁流体进行拉伸，在拉伸细化过程中溶剂挥发，最终固化成微纳米纤维，所得纤维有序度高，且操作简单、产量高适宜大批量生产。具体而言:
[0015](I)本实用新型设备操作方便，所需设备简单易得，仅由旋转电机和永磁铁便可搭建纺丝装置；操作安全，由磁场力完全替代电场力，克服了高压静电的危险，纺丝过程安全环保无污染，便于推广应用。
[0016](2)本实用新型的装置用于制备磁性微纳米纤维的工艺流程简单、纺丝条件温和、纺丝成本低廉，对生产设备要求低，可根据需求增加纺丝喷头数目，实现工业化批量生产微纳米纤维。
[0017](3)用本实用新型的装置制备的磁性微纳米纤维