專利名稱：一種蓬松狀超細(xì)纖維的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料領(lǐng)域；具體是一種蓬松狀超細(xì)纖維的制備方法。
背景技術(shù)：
超細(xì)纖維超大的比表面積和亞微米/納米級(jí)直徑，使其具有許多特殊的性能，例如耐高溫、熱導(dǎo)率低、導(dǎo)電性好等，因此，被廣泛用于航天、軍事、體育、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。特別是在隔熱材料領(lǐng)域，利用超細(xì)纖維作為增強(qiáng)體制備的隔熱復(fù)合材料，如超細(xì)纖維增強(qiáng)氣凝膠復(fù)合材料，力學(xué)性能和隔熱性能均得到了較大幅度提高。超細(xì)纖維的制備方法很多，以制備超細(xì)碳纖維為例，主要有基體法、噴淋法、氣相生長(zhǎng)法和靜電紡絲法。現(xiàn)有利用靜電紡絲法制備超細(xì)纖維，一般是將針頭與高壓電源正極連接，接收器與電源負(fù)極或者大地連接。現(xiàn)有接收器類型較多，例如錐形盤、旋轉(zhuǎn)框架、銅線框轉(zhuǎn)鼓、平行排列次電極、平行放置的不銹鋼圓環(huán)和凝固浴等等。但制備的纖維都是以纖維束、織物、紗、氈、席、帶、紙等形態(tài)存在，很難將纖維均勻的分布在樹(shù)脂、金屬、陶瓷等各種基體中；若單獨(dú)用超細(xì)纖維氈作為隔熱材料， 又必須使用大量的超細(xì)纖維來(lái)填充隔熱層，使部件整體質(zhì)量大大增加，提高了固體熱導(dǎo)率， 而且不能均勻分布在隔熱層中，局部纖維含量偏高，使隔熱性能降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種蓬松狀超細(xì)纖維的制備方法。以實(shí)現(xiàn)制備的纖維直徑達(dá)到亞微米/納米水平，纖維外形蓬松，能均勻分布在樹(shù)脂、金屬、陶瓷等各種基體或者隔熱層中，從而達(dá)到降低材料用量和提高隔熱效果的雙重效果；且工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，生產(chǎn)周期較短，便于實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大化生產(chǎn)。
本發(fā)明的蓬松狀超細(xì)纖維的制備方法，包括以下步驟
(1)先驅(qū)體的預(yù)處理；(2)紡絲液的配制；(3)靜電紡絲；(4)空氣預(yù)氧化；(5)高溫?zé)?；所述步驟(3)中的靜電紡絲的條件是采用單針頭靜電紡絲機(jī)或多針頭靜電紡絲機(jī)進(jìn)行紡絲；靜電紡絲的收絲接收器是多柱狀接收器或去蓋長(zhǎng)方體接收器；所得超細(xì)纖維的蓬松度為 10_4 lO—Wcm。
所述多柱狀接收器是IiTlOO個(gè)柱長(zhǎng)為廣15cm的非導(dǎo)體長(zhǎng)柱和短柱交互排列固定在鋁箔或其他導(dǎo)體上；相鄰柱子的距離為廣10cm。
所述長(zhǎng)柱和短柱的的形狀是長(zhǎng)方體、圓柱體或錐體。
所述去蓋長(zhǎng)方體型接收器是由導(dǎo)體或者非導(dǎo)體制作成去蓋的長(zhǎng)方體；所述由導(dǎo)體制作的去蓋長(zhǎng)方體可直接使用；所述非導(dǎo)體制作的去蓋長(zhǎng)方體是在其底部粘貼有導(dǎo)電片； 在導(dǎo)電片底部開(kāi)有廣1000個(gè)直徑為0.廣IOmm的小孔，在其廣1000個(gè)孔內(nèi)放置有尖端導(dǎo)體，尖端導(dǎo)體與導(dǎo)電片之間用導(dǎo)線連接。
所述小孔的數(shù)量和小孔的直徑可根據(jù)不同型號(hào)接收器而不同。
所述非導(dǎo)體是紙制品、木村或塑料制品。
所述導(dǎo)電片為金屬材料；所述尖端導(dǎo)體為帶有尖端的金屬材料；所述金屬材料是鐵、銅、鋁或其合金。
所述靜電紡絲時(shí)是是針頭與負(fù)極連接，正極連接接收器；或針頭與正極連接，負(fù)極連接接收器。
本發(fā)明通過(guò)設(shè)計(jì)接收器的空間結(jié)構(gòu)、外觀形狀、孔洞和附加物的空間排列方式使制備的纖維蓬松化；能制備出蓬松度為lO-^liTg/cm的超細(xì)纖維；又通過(guò)改變普通靜電紡絲法中電極與噴絲針頭和接收器的連接方式，成功解決蓬松纖維在靜電紡絲時(shí)四處分散的技術(shù)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)蓬松纖維的集中收集。這種蓬松狀纖維與其他形態(tài)的纖維相比，具有所需原料少，從而能較大幅度的提高氣凝膠等復(fù)合材料的隔熱效果；單獨(dú)作為隔熱材料時(shí)，可以用較少的蓬松碳纖維均勻分布于隔熱層中，達(dá)到輕質(zhì)隔熱的效果。因而在隔熱材料領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景；又采用單/多針頭靜電紡絲法，工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)周期短，便于批量生產(chǎn)。


圖1為實(shí)施例1中去蓋長(zhǎng)方體型接收器結(jié)構(gòu)示意圖
圖中A為長(zhǎng)方體整體圖；B為長(zhǎng)方體俯視圖；C為長(zhǎng)方體仰視圖； 圖2為實(shí)施例2中多柱狀接收器示意圖； 圖3為實(shí)施例2中多針頭靜電紡絲和電極連接方法示意圖； 圖4為實(shí)施例2中得到的蓬松聚丙烯腈原纖維普通光學(xué)照片； 圖5為實(shí)施例2中得到的蓬松碳纖維的掃描電鏡照片。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
實(shí)施例1.
本實(shí)施例中，靜電紡絲方式為單針頭靜電紡絲，所使用的接收器為去蓋長(zhǎng)方體接收器。 電極連接方式是將高壓正極連接接收器，負(fù)極連接噴絲針頭。
本實(shí)施例的去蓋長(zhǎng)方體接收器是這樣制作的
參照?qǐng)D1 由硬紙殼制作成非導(dǎo)體去蓋長(zhǎng)方體(a)；在其底部4粘貼有導(dǎo)電片5，導(dǎo)電片為鐵片；在鐵片底部鑿IiTlOO個(gè)的小孔1，孔的直徑為0.廣IOmm;選擇其中5個(gè)孔放置有尖端的導(dǎo)體2，尖端導(dǎo)體為鐵釘，孔洞排列方式如圖1(b)。尖端導(dǎo)體與導(dǎo)電片之間用導(dǎo)線3連接。
具體工藝的步驟如下
(1)先驅(qū)體的預(yù)處理將聚丙烯腈置于50°c的恒溫干燥箱中IOh； 所述聚丙烯腈Mw=90000 ；
(2)配制紡絲溶液將聚丙烯腈粉末加入到DMF中，加熱到40°C，攪拌使聚丙烯腈完全溶解，聚丙烯腈粉末與DMF質(zhì)量比為17:100，使用前超聲脫泡30min ；
(3)靜電紡絲
紡絲條件是針頭內(nèi)徑為0. 8mm的鋼制針頭進(jìn)行單針頭紡絲，電壓為15kV，接收距離為 10cm，采用去蓋長(zhǎng)方體接收器收絲，制得蓬松的聚丙烯腈原纖維；
(4)空氣預(yù)氧化將上述原纖維置于預(yù)氧化爐中，在流動(dòng)的空氣氣氛中按照1°C/min的速率升溫，并在260°C保溫lh，冷卻至室溫后得到不熔化的聚丙烯腈纖維；
(5)高溫?zé)蓪⑸鲜霾蝗刍w維置于氮?dú)鈿怏w保護(hù)下的高溫爐中，以1°C /min的速率升溫至1200°C，并保溫lh，得到蓬松的納米碳纖維。
所述蓬松狀聚丙烯腈原纖維纖維蓬松且均勻分散，其蓬松度為1. 08X 10_3g/cm3。
實(shí)施例2. 參照?qǐng)D2和圖3
本實(shí)施例中采用多針頭靜電紡絲，使用的接收器是多柱狀接收器。電極連接方式為將高壓正極與噴絲針頭連接，負(fù)極與接收器連接。
所述多柱狀接收器是將2(Γ50個(gè)由聚氨酯泡沫切割成長(zhǎng)短不等的廣15cm的長(zhǎng)方體柱子6無(wú)序的固定在68X 58cm的鋁箔7上，再將鋁箔固定在多針頭靜電紡絲機(jī)的旋轉(zhuǎn)圓筒12上。靜電紡絲時(shí)，將裝好紡絲液的注射器9固定在絕緣板8上，紡絲液由針頭10噴出， 在高壓電場(chǎng)力作用下形成射流11，最后，制備的原纖維收集在多柱狀接收器上。
具體工藝的步驟同實(shí)施例1，不同的是
配制紡絲溶液時(shí)，聚丙烯腈與DMF的質(zhì)量之比為17:100 ；靜電紡絲時(shí)，施加電壓為 23kV，接收距離為15cm，供料速率為0. 0015mm/s，采用多柱狀接收器收絲；空氣預(yù)氧化時(shí)， 保溫溫度為280°C ；高溫?zé)蓵r(shí)，保溫溫度為1000°C。
所述蓬松聚丙烯腈原纖維的普通光學(xué)照片如圖5所示，其蓬松度為6. 37X 10Vcm 3。
蓬松狀碳纖維的掃描電鏡照片如圖6所示。從圖6可以看出，纖維呈無(wú)序狀態(tài)，平均直徑約500nm。
實(shí)施例3
本實(shí)施例中采用單針頭靜電紡絲，用去蓋長(zhǎng)方體接收器收絲。電極連接方式同實(shí)施例1。
所述去蓋長(zhǎng)方體是采用導(dǎo)體制作，長(zhǎng)方體底部未粘貼導(dǎo)電片。
所述導(dǎo)體為鐵絲網(wǎng)，鐵絲直徑0. Γ0. 3mm ；網(wǎng)孔為正方形，邊長(zhǎng)為2mm。
具體實(shí)驗(yàn)步驟同實(shí)施例1，不同的是靜電紡絲時(shí)，所用針頭內(nèi)徑為1.5mm，所用電壓為25kV ；空氣預(yù)氧化時(shí)，升溫速率為5°C /min。
實(shí)施例4
本實(shí)施例中采用單針頭靜電紡絲，所用接收器和電極連接方式與實(shí)施例1相同。
( 1)配制紡絲溶液在攪拌下將聚碳硅烷粉末加入到二甲苯中，攪拌使聚碳硅烷完全溶解，溶液的濃度為1. 4g/mL，在使用前超聲脫泡30min。
(2)靜電紡絲紡絲條件是溫度20°C，針頭內(nèi)徑為1. 5mm,電壓為25kV，接收距離為20cm，供料速率為30 μ Ι/min，采用去蓋長(zhǎng)方體收絲，制得蓬松的聚碳硅烷原纖維；
(3)空氣預(yù)氧化將上述原纖維置于氧化爐中，在流動(dòng)的空氣氣氛中按照1°C/min的速率升溫，至180°C保溫2h，再以0. 50C /min的速率升溫至210°C，并保溫lh，冷卻至室溫后得到不熔化的聚碳硅烷纖維；
(4)高溫?zé)蓪⑸鲜霾蝗刍w維置于惰性氣體保護(hù)下的高溫爐中，以5°C/min的速率升溫至1000°C，并保溫lh，得到蓬松的碳化硅纖維。
權(quán)利要求
1.一種蓬松狀超細(xì)纖維的制備方法，其特征在于，包括(1)先驅(qū)體的預(yù)處理；(2)紡絲液的配制；(3)靜電紡絲；(4)空氣預(yù)氧化；(5)高溫?zé)?；其特征在于，所述?3)步的靜電紡絲是采用單針頭或多針頭靜電紡絲機(jī)進(jìn)行紡絲；其靜電紡絲的收絲接收器是多柱狀接收器或去蓋長(zhǎng)方體接收器；所得超細(xì)纖維的蓬松度為10_4 liTg/cm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種蓬松狀超細(xì)纖維的制備方法，其特征在于，所述多柱狀接收器是10 100個(gè)柱長(zhǎng)為1 15cm的非導(dǎo)體長(zhǎng)柱和短柱交互排列固定在鋁箔或其他導(dǎo)體上；相鄰柱子的距離為1 10cm。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種蓬松狀超細(xì)纖維的制備方法，其特征在于，所述長(zhǎng)柱和短柱的的形狀是長(zhǎng)方體、圓柱體或錐體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種蓬松狀超細(xì)纖維的制備方法，其特征在于，所述去蓋長(zhǎng)方體接收器是由導(dǎo)體或者非導(dǎo)體制作成去蓋長(zhǎng)方體；所述由導(dǎo)體制作的去蓋長(zhǎng)方體是直接使用；所述非導(dǎo)體制作的去蓋長(zhǎng)方體是在其底部粘貼有導(dǎo)電片；在導(dǎo)電片上開(kāi)有1 1000 個(gè)直徑為0. 1 IOmm的小孔，在孔內(nèi)放置有尖端導(dǎo)體，尖端導(dǎo)體與導(dǎo)電片之間用導(dǎo)線連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種蓬松狀超細(xì)纖維的制備方法，其特征在于，所述非導(dǎo)體是紙制品、木村或塑料制品；所述導(dǎo)電片為金屬材料；所述尖端導(dǎo)體為帶有尖端的金屬材料；所述金屬材料是鐵、銅、鋁或其合金。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種蓬松狀超細(xì)纖維的制備方法，其特征在于，所述靜電紡絲是針頭與負(fù)極連接，正極連接接收器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種蓬松狀超細(xì)纖維的制備方法，其特征在于，所述靜電紡絲是針頭與正極連接，負(fù)極連接接收器。
全文摘要
一種蓬松狀超細(xì)纖維的制備方法。包括(1)先驅(qū)體的預(yù)處理；(2)紡絲液的配制；(3)靜電紡絲；(4)空氣預(yù)氧化；(5)高溫?zé)?；所述步驟(3)中的靜電紡絲是采用單針頭靜電紡絲機(jī)或多針頭靜電紡絲機(jī)進(jìn)行紡絲；其收絲接收器是多柱狀接收器或去蓋長(zhǎng)方體接收器；所得超細(xì)纖維的蓬松度為10-4~10-1g/cm。本發(fā)明通過(guò)設(shè)計(jì)接收器的空間結(jié)構(gòu)、外觀形狀、孔洞和附加物的空間排列方式使制備的纖維蓬松化；并實(shí)現(xiàn)了對(duì)蓬松纖維的集中收集。這種蓬松狀纖維能較大幅度的提高氣凝膠等復(fù)合材料的力學(xué)性能和隔熱效果，是一種理想的增強(qiáng)體；單獨(dú)作為隔熱材料時(shí)，可以用較少的蓬松碳纖維均勻分布于隔熱層中，達(dá)到輕質(zhì)隔熱的效果；在隔熱材料領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)D01F9/10GK102206883SQ201110148439
公開(kāi)日2011年10月5日 申請(qǐng)日期2011年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月3日
發(fā)明者王應(yīng)德, 王兵 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)