一種熔體磁紡絲裝置及利用該裝置制備微納米纖維的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于納米纖維制備新技術領域，特別涉及一種利用交變磁場力和拉伸力完全取代電場力的新型熔體磁紡絲裝置及利用該裝置制備微納米纖維的方法。
【背景技術】
[0002]與傳統納米材料相比，一維納米材料(如納米線、納米棒、納米管等)具有巨大的比表面積、較大的長度/直徑比、以及不同于大塊樣品的電、磁、力、熱、光等物理化學性質，在納米電子器件、空氣過濾、傳感器以及生物醫學等諸多領域有著廣闊的應用。隨著納米纖維材料在各領域應用技術的不斷發展，納米纖維材料的制備技術也得到了進一步的開發與研宄。目前聚合物納米纖維的制備技術主要包括模板聚合、相分離、自組裝和紡絲加工法(包括熔噴法、靜電紡絲法、拉伸法、雙組分復合紡絲法)等，不同的制備技術具有其自身優勢和其相對局限性。隨著納米科技的發展，靜電紡絲法以其加工設備簡單、原料來源廣泛、紡絲工藝可控等諸多優點，受到國內外的廣泛研宄報道。靜電紡絲技術分為溶液靜電紡絲和熔體靜電紡絲，其中熔體靜電紡絲在提高紡絲產量，拓展纖維應用領域等方面有著傳統溶液靜電紡絲無法比擬的巨大優勢:(I)熔體靜電紡絲過程無需有機溶劑，減少溶劑揮發造成危害的同時，降低生產成品；(2)產品轉化率高，避免溶劑的殘留問題。
[0003]近年來，開發和完善熔體靜電紡絲技術已經電紡研宄熱點之一。熔體靜電紡絲雖然早在1936年Charles Norton等人的專利中就已提出，但是由于制備的纖維直徑較大以及需要加熱裝置等原因，直到1981年才有相關的研宄論文出現，進入21世紀之后，真正掀起熔體靜電紡絲技術的研宄熱潮。當前熔體靜電紡絲技術存在的主要問題:一是聚合物熔體的粘性大于其溶于溶劑后的粘性，意味著熔體靜電紡絲需要更高的工作電壓和溫度；二是熔體電紡沒有溶劑的揮發過程，制備的纖維較粗；三是熔體電紡需要額外的加熱裝置，一般采用電加熱方式，極易導致電加熱電路或金屬元件同高壓電極的擊穿，從而終止紡絲過程。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于克服現有技術的不足，針對熔體靜電紡絲裝置結構復雜，高壓電極易與加熱電路擊穿造成安全隱患等缺點，提供一種結構簡單、操作安全的新型磁紡絲裝置，該裝置利用交變磁場力結合拉伸力完全取代電場力對聚合物熔體進行拉伸紡絲制備微納米纖維。
[0005]為了實現上述目的，本發明提供的技術方案如下:
[0006]一種熔體磁紡絲裝置，包括可控制給料速率可加熱的給料裝置，紡絲噴頭，噴頭驅動機構和紡絲接收裝置，所述給料裝置設置有加熱熔融高分子材料的加熱部件，所述紡絲接收裝置包括水平設置的收集圓盤，所述收集圓盤的底部圓心處與直流無刷電機的輸出軸對接聯動，直流無刷電機電連接電源和控制電機轉速的電機控制器，所述收集圓盤上表面以圓盤中心軸線為對稱軸對稱設置多個豎直支柱，所述豎直支柱至少為3個，豎直支柱中I個為永磁鐵，其余為金屬細針，所述紡絲噴頭水平設置，紡絲噴頭的噴射口指向紡絲接收裝置的永磁鐵，所述紡絲噴頭連接可帶動其在豎直方向上做往復運動的噴頭驅動機構，所述紡絲噴頭與供給紡絲液的給料裝置相連。
[0007]進一步的，所述給料裝置為單螺桿擠出機，所述單螺桿擠出機通過三段加熱，喂料段溫度為80°C?200 °C、塑化段溫度在85°C?205 °C、均化段溫度在90°C?210 °C，所述單螺桿擠出機的機頭通過輸液管連接紡絲噴頭。
[0008]進一步的，所述豎直支柱為4個，其中I個為永磁鐵，3個為金屬細針。
[0009]進一步的，所述噴頭驅動機構為直線電機及其控制器。
[0010]本發明還公開了利用所述的新型熔體磁紡絲裝置制備微納米纖維的方法，包括以下步驟:
[0011](I)物料混合:將磁性納米顆粒和高分子聚合物充分攪拌混合，得混合物；
[0012](2)微納米纖維的制備:將步驟(I)所得混合物加入給料裝置中，開啟給料裝置，設置加熱部件的加熱溫度，磁性納米顆粒和高分子聚合物在高溫作用下熔融成磁流體紡絲液，調整給料裝置的給料速率，磁流體紡絲液進入紡絲噴頭，在紡絲噴頭噴射口處形成液滴，紡絲噴頭噴射口處的磁流體紡絲液液滴在磁場力的作用下形成射流與永磁鐵搭連成橋，此時打開噴頭驅動機構開關和直流無刷電機的電機控制器開關，調節電機轉速，直流無刷電機帶動收集圓盤旋轉，在磁場力作用下鐵磁流體射流不斷被拉出，在拉伸細化過程中伴隨著溶劑揮發，在收集圓盤的豎直支柱間纏繞形成有序磁性微納米纖維，噴頭驅動機構開啟后帶動紡絲噴頭在豎直方向上做往復運動，可使紡絲在豎直支柱間均勻纏繞，而不聚集在一個位置互相纏繞粘連影響紡絲質量。
[0013]進一步的，步驟(I)所述的所述的高分子聚合物是聚氧化乙烯、聚偏氟乙烯、聚己內酯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、乙烯-醋酸乙烯共聚物中的一種或多種；步驟(I)所述的磁性納米顆粒是γ _Fe203、Fe3O4、鈷、鎳中的一種，或者為多種磁性元素的復合磁性納米顆粒。
[0014]進一步的，步驟(2)中使用的給料裝置為單螺桿擠出機，將步驟(I)所得的混合物從料斗加入單螺桿擠出機中，啟動單螺桿擠出機，設定喂料段溫度、塑化段溫度、均化段溫度和螺桿轉速，磁性納米顆粒和高分子聚合物在三段加熱的過程中熔融成磁流體紡絲液，在單螺桿的擠出推動作用下混勻形成磁流體紡絲液并從機頭擠出，并通過與機頭相連的輸液管進入紡絲噴頭在紡絲噴頭噴射口處形成液滴，紡絲噴頭噴射口處的磁流體紡絲液液滴在磁場力的作用下形成射流與永磁鐵搭連成橋，此時打開噴頭驅動機構開關和直流無刷電機的電機控制器開關，調節電機轉速，直流無刷電機帶動收集圓盤旋轉，在磁場力作用下鐵磁流體射流不斷被拉出，在拉伸細化過程中伴隨著溶劑揮發，在收集圓盤的豎直支柱間纏繞形成有序磁性微納米纖維。
[0015]進一步的，所述步驟(I)物料混合為將質量比為43:57的Fe3O4磁性納米顆粒和聚己內酯充分攪拌混合，所述Fe3O4磁性納米顆粒的直徑為20納米，所述聚己內酯的分子量為100000 ;步驟(2)中使用的單螺桿擠出機中單螺桿直徑為20毫米，其長徑比為25，設定單螺桿擠出機的喂料段溫度為80°C、塑化段溫度為85°C、均化段溫度為90°C，螺桿轉速為50轉/分鐘，調節紡絲噴頭噴射口與永磁鐵間距為6.5毫米，直流無刷電機轉速為300轉/分鐘，紡絲時間為20分鐘。
[0016]進一步的，所述步驟(I)物料混合為將質量比為3:7的Fe3O4磁性納米顆粒和乙烯-醋酸乙烯共聚物充分攪拌混合，所述Fe3O4磁性納米顆粒的直徑為20納米，所述乙烯-醋酸乙烯共聚物的分子量為2000 ;步驟(2)中使用的單螺桿擠出機中單螺桿直徑為20毫米，其長徑比為25，設定單螺桿擠出機的喂料段溫度為110°C、塑化段溫度為115°C、均化段溫度為120°C，螺桿轉速為60轉/分鐘，調節紡絲噴頭噴射口與永磁鐵間距為6.5毫米，直流無刷電機轉速為500轉/分鐘，紡絲時間為20分鐘。
[0017]進一步的，還包括步驟(3)后期處理:用酸性溶液浸泡氧化步驟(2)所得的磁性微納米纖維溶解去除復合纖維中的磁性納米顆粒，即可以得到不含磁性顆粒的聚合物微納米線。
[0018]本發明的有益效果為:本發明提供了一種熔體磁紡絲裝置，該裝置利用交變磁場力作用，拉伸含聚合物熔體的射流進行紡絲，整個過程無需高壓電作用，有效降低生產成本和安全隱患，且制得的纖維排布有序，產量高適合大規模生產，所得微納米纖維具有很好的應用前景。具體而言:
[0019](I)本發明裝置操作方便，所需設備簡單易得，僅由螺桿擠出機、加熱器和旋轉永磁鐵便可搭建紡絲裝置；操作安全，由磁場力結合拉伸力完全替代電場力，克服了高壓靜電的危險，紡絲過程安全環保無污染，便于推廣應用。
[0020](2)本發明工藝流程簡單、紡絲成本低廉，對生產設備要求低，可根據需求增加紡絲噴頭數目，實現工業化批量生產微納米纖維。
[0021](3)本發明制備的磁性微納米纖維直徑分布均勻，具有良好的磁性，制備的有序磁性微納米纖維可廣泛應用在靶向藥物載體、腫瘤磁熱療、生物活性物質檢測等領域。
[0022](4)本發明得到的磁性微納米纖維經過簡易處理，即可除去纖維中的磁性納米顆粒獲得多孔纖維。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發明的熔體磁紡絲裝置主體結構示意圖；
[0024]圖2為本發明制備的有序聚偏氟乙烯磁性微納米纖維的光學顯微鏡照片；
[0025]圖中:1-單螺桿擠出機，2-料斗，3-機頭，4-輸液管，5-紡絲噴頭，6-直線電機，7-永磁鐵，8-金屬細針，9_收集圓盤，10-直流無刷電機，Il-電機控制器。
【具體實施方式】
[0026]根據下述實施例，可以更好地理解本發明。然而，本領域的技術人員容易理解，實施例所描述的具體的物料配比、工藝條件及其結果僅用于說明本發明而不應當也不會限制權利要求書中所詳細描述的本發明。
[0027]實施例1
[0028]如圖1所示，一種熔體磁紡絲裝置，包括可控制給料速率可加熱的給料裝置，紡絲噴頭5，噴頭驅動機構和紡絲接收裝置，所述給料裝置設置有加熱熔融高分子材料的加熱部件，所述紡絲接收裝置包括水平設置的收集圓盤9，所述收集圓盤9的底部圓心處與直流無刷電機10的輸出軸對接聯動，直流無刷電機10電連接電源和控制電機轉速的電機控制器11，所述收集圓盤9上表面以圓盤中心軸線為對稱軸對稱設置多個豎直支柱，所述豎直支柱至少為3個，豎直支柱中I個為永磁鐵7，其余為金屬細針8，所述紡絲噴頭5水平設置，紡絲噴頭5的噴射口指向紡絲接收裝置的永磁鐵7，所述紡絲噴頭5連接可帶動其在豎直方向上做往復運動的噴頭驅動機構，所述紡絲噴頭5與供給紡絲液的給料裝置相連。
[0029]具體而言，所述給料裝置為單螺桿擠出機1，所述單螺桿擠出機I通過三段加熱，喂料段溫度為80°C?200°C、塑化段溫度在85°C?205°C、均化段溫度在90°C?210°C，所述單螺桿擠出機的機頭3通過輸液管4連接紡絲噴頭5。所述豎直支柱為4個，其中I個為永磁鐵7，3個為金屬細針8。所述噴頭驅動機構為直線電機6及其控制器。
[0030]實施例2
[0031]使用實施例1的熔體磁紡絲裝置制備微納米纖維的方法，包括以下步驟:
[0032](I)物料混合:將質量比為43:57的Fe3O4磁性納米顆粒和聚己內酯充分攪拌混合，所述Fe3O4磁性納米顆粒的直徑為20納米，所述聚己內酯的分子量為100000 ；
[0033](2)微納米纖維的制備:將步驟(I)所得的混合物從料斗2加入單螺桿擠出機I中，啟動單