绿色高强度熔体喷射纺丝纳米纤维制备方法及其制备装置
技术领域
本发明涉及纳米材料技术领域，具体涉及绿色高强度熔体喷射纺丝纳米纤维制备方法及其制备装置。
背景技术
纳米纤维由于比表面积比微米纤维高100倍以上，在能源、电子、生物医药、卫生防护、催化剂负载、高性能织物、未来建筑材料等方面具有非常广泛的应用场景。静电纺丝作为常用的纳米纤维制备技术，是一种特殊的纤维制造工艺，聚合物溶液或熔体在强电场中进行喷射纺丝。这种方式可以生产出纳米级直径的聚合物细丝。但其生产效率低，不适应大规模生产要求；需要高压静电场，在使用过程中需要相关配套保护装置以确保生产安全性；由于静电场应用，对纤维接收设备有要求，不能将纤维沉积到任意材料表面。
采用溶液喷射纺丝技术制备纳米纤维，可以有效提高纳米纤维制备效率。但使用溶液中溶质需要能在溶剂中溶解，溶剂有氯仿、乙醇、二甲基甲酰胺DMF、三氟乙酸混合物静电纺丝酸和二氯甲烷等有机溶剂，挥发性较好，可快速挥发，保证射流迅速成纤，但有一定毒性，生产环境要求较高。溶剂挥发造成只有1-30％聚合物固化成纤，生产效率低。生产环境温度及湿度影响溶液粘度以及溶剂挥发速率，间接地影响了纤维细度、表面孔特征及纤维可纺性。生产的纤维由于溶剂挥发造成孔洞多，纤维机械强度差。
熔体静电纺丝技术，由于熔体介电性差，需要较高的电压，容易造成电晕现象，对生产原材料要求较高。
因此，亟待绿色高强度熔体喷射纺丝纳米纤维制备方法及其制备装置的出现，采用熔体喷射纳米纺丝技术，通过对热塑性聚合物熔体进行加工形成纳米纤维，聚合物熔体属于高分子流体的浓厚体系，制备过程无有毒溶剂挥发，属于绿色制备过程，适用聚合物原材料范围广泛；环境温湿度对纺丝过程影响不明显；制备得到的纳米纤维直径分布均匀，纳米纤维表面密实光滑，不存在孔洞缺陷，力学性能高；熔体喷射纳米纤维制备技术纺丝效率高，适合工业化大批量生产。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了绿色高强度熔体喷射纺丝纳米纤维制备方法及其制备装置，采用熔体喷射纳米纺丝技术，通过对热塑性聚合物熔体进行加工形成纳米纤维，聚合物熔体属于高分子流体的浓厚体系，制备过程无有毒溶剂挥发，属于绿色制备过程，适用聚合物原材料范围广泛；环境温湿度对纺丝过程影响不明显；制备得到的纳米纤维直径分布均匀，纤维表面密实光滑，不存在孔洞缺陷，力学性能较高；熔体喷射纳米纤维制备技术纺丝效率高，适合工业化大批量生产。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
绿色高强度熔体喷射纺丝纳米纤维制备方法，包括以下制备步骤：
S1将离子盐或减链剂加入到高分子聚合物中得到混合料；
S2将混合料加入到螺杆挤出机中，加热得到聚合物熔体材料；
S3通过计量泵，将聚合物熔体材料通过设定的进给流量加入到纺丝喷头组件中；
S4通过纺丝喷头组件进行熔体气流喷射纳米纺丝至网带接收机中；
S5网带接收机将接收到的纳米纤维传送至切边卷绕机进行卷绕成卷。
本发明提供的绿色高强度熔体喷射纺丝纳米纤维制备方法及其制备装置，采用熔体喷射纳米纺丝技术，通过对热塑性聚合物熔体进行加工形成纳米纤维，聚合物熔体属于高分子流体的浓厚体系，制备过程无有毒溶剂挥发，属于绿色制备过程，适用聚合物原材料范围广泛；环境温湿度对纺丝过程影响不明显；制备得到的纳米纤维直径分布均匀，纳米纤维表面密实光滑，不存在孔洞缺陷，力学性能较高；熔体喷射纳米纤维制备技术纺丝效率高，适合工业化大批量生产。
在上述技术方案的基础上，还可做如下改进：
作为优选的方案，所述高分子聚合物为聚丙烯、聚乙烯、聚乳酸、聚乙烯醇或聚氧化乙烯中的一种或几种。
作为优选的方案，所述离子盐的重量百分比为0.5-2.5％，所述减链剂的重量百分比为0.5-2.5％，所述减链剂为流变改性减链剂。
作为优选的方案，步骤S2中螺杆挤出机的加热温度为180℃-220℃，所述聚合物熔体材料的粘度为20-200Pa.s。
作为优选的方案，步骤S3中设定的进给流量为0.5-1.5ml/h的单针熔体进给流量。
作为优选的方案，步骤S4中纺丝喷头组件进行熔体气流喷射的气流压强为0.06-1MPa，步骤S4中纺丝喷头组件进行熔体气流喷射的距离为5-50cm，所述纳米纤维的直径为100-600nm。
作为优选的方案，绿色高强度熔体喷射纺丝纳米纤维制备装置，包括：螺杆挤出机、计量泵、纺丝喷头组件、网带接收机和切边卷绕机，所述螺杆挤出机与所述计量泵连通，所述计量泵与所述纺丝喷头组件连通，所述纺丝喷头组件与所述网带接收机相对应且相互配合，所述切边卷绕机与所述网带接收机相对应且相互配合将纳米纤维进行卷绕成卷。
作为优选的方案，所述螺杆挤出机与所述计量泵之间设有熔体过滤器，所述熔体过滤器分别与所述螺杆挤出机和所述计量泵连通。
作为优选的方案，包括：空气压缩机和空气加热器，所述空气压缩机与所述空气加热器连通，所述空气加热器与所述纺丝喷头组件连通。
作为优选的方案，包括：排风风机，所述排风风机与所述网带接收机相对应且相互配合。
附图说明
图1为本发明实施例提供的绿色高强度熔体喷射纺丝纳米纤维制备装置的结构图；
其中：1.螺杆挤出机，2.计量泵，3.纺丝喷头组件，4.网带接收机，5.切边卷绕机，6.熔体过滤器，7.空气压缩机，8.空气加热器，9.排风风机，10.传送辊，11.进料斗。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图详细说明本发明的优选实施方式。
为了达到本发明的目的，如图1所示，本实施例中的绿色高强度熔体喷射纺丝纳米纤维制备方法，包括以下制备步骤：
S1将离子盐或减链剂加入到高分子聚合物中得到混合料；
S2将混合料加入到螺杆挤出机中，加热得到具有黏度和热塑性的聚合物熔体材料；
S3通过计量泵将聚合物熔体材料通过其设定的进给流量加入到纺丝喷头组件中；
S4通过纺丝喷头组件进行熔体气流喷射纳米纺丝至网带接收机中；
S5网带接收机将接收到的纳米纤维传送至切边卷绕机进行卷绕成卷。
本发明提供的绿色高强度熔体喷射纺丝纳米纤维制备方法及其制备装置，采用熔体喷射纳米纺丝技术，通过对热塑性聚合物熔体进行加工形成纳米纤维，聚合物熔体属于高分子流体的浓厚体系，制备过程无有毒溶剂挥发，属于绿色制备过程，适用聚合物原材料范围广泛；环境温湿度对纺丝过程影响不明显；制备的纳米纤维直径分布均匀，纤维表面密实光滑，不存在孔洞缺陷，力学性能较高；熔体喷射纳米纤维制备技术纺丝效率高，适合工业化大批量生产。
在一些实施例中，所述高分子聚合物为聚丙烯、聚乙烯、聚乳酸、聚乙烯醇或聚氧化乙烯中的一种或几种。
在一些实施例中，所述离子盐的重量百分比为0.5-2.5％，所述减链剂的重量百分比为0.5-2.5％，所述减链剂为流变改性减链剂。
在一些实施例中，步骤S2中螺杆挤出机的加热温度为180℃-220℃，所述聚合物熔体材料的粘度为20-200Pa.s。
在一些实施例中，步骤S3中设定的进给流量为0.5-1.5ml/h的单针熔体进给流量。
在一些实施例中，步骤S4中纺丝喷头组件进行熔体气流喷射的气流压强为0.06-1MPa，步骤S4中纺丝喷头组件进行熔体气流喷射的距离为5-50cm，所述纳米纤维的直径为100-600nm。
在一些实施例中，绿色高强度熔体喷射纺丝纳米纤维制备装置，包括：螺杆挤出机1、计量泵2、纺丝喷头组件3、网带接收机4和切边卷绕机5，所述螺杆挤出机1与所述计量泵2连通，所述计量泵2与所述纺丝喷头组件3连通，所述纺丝喷头组件3与所述网带接收机4相对应且相互配合，所述切边卷绕机5与所述网带接收机4相对应且相互配合将纳米纤维进行卷绕成卷。
采用上述实施例，其结构简单，操作方便，所述螺杆挤压机1与所述计量泵2之间通过纺丝液管道与计量泵管道相连通，所述计量泵2与所述纺丝喷头组件3之间通过计量泵管道与纺丝液管道相连通，所述网带接收机4用于接收纺丝喷头组件3上熔体气流喷射纳米纤维，所述切边卷绕机5用于对制备得到的纳米纤维进行卷绕成卷。
在一些实施例中，所述螺杆挤出机1与所述计量泵2之间设有熔体过滤器6，所述熔体过滤器6分别与所述螺杆挤出机1和所述计量泵2连通。
采用上述实施例，其结构简单，操作方便，所述熔体过滤器6分别与所述螺杆挤出机1之间通过纺丝液管道相连通，所述熔体过滤器6与所述计量泵2之间通过纺丝液管道与计量泵管道相连通，便于对聚合物熔体材料进行过滤。
在一些实施例中，包括：空气压缩机7和空气加热器8，所述空气压缩机7与所述空气加热器8连通，所述空气加热器8与所述纺丝喷头组件3连通。
采用上述实施例，其结构简单，操作方便，所述空气压缩机7与所述空气加热器8之间通过加热管道相连通，所述空气加热器8与所述纺丝喷头组件3之间通过加热管道相连通，空气加热器8在加热运行时，可以促进溶剂的快速挥发也有利于聚合物熔体材料的牵伸。
在一些实施例中，包括：排风风机9，所述排风风机9与所述网带接收机4相对应且相互配合。
采用上述实施例，其结构简单，操作方便，当排风风机9运行时，便于对制备得到的纳米纤维进行冷却。
将离子盐或减链剂加入到高分子聚合物中得到混合料，将混合料通过进料斗加入到螺杆挤出机1中，加热得到具有黏度和热塑性的聚合物熔体材料，所述进料斗11与螺杆挤出机1连接，通过计量泵2将聚合物熔体材料通过设定的进给流量加入到纺丝喷头组件3中，通过纺丝喷头组件3进行熔体气流喷射纳米纺丝至网带接收机4中，网带接收机4通过传送辊10将纳米纤维传送至切边卷绕机5进行卷绕成卷；所述空气加热器8在加热时，可以促进溶剂的快速挥发也有利于聚合物熔体材料的牵伸；所述网带接收机4用于接收纺丝喷头组件上熔体气流喷射纳米纺丝；所述排风风机9运行时，可以对制备得到的纳米纤维进行冷却至室温；所述网带接收机4上至少设有五组以上传送辊10，所述传送辊10与所述网带接收机4连接，所述传送辊10运行时，冷却至室温的纳米纤维通过传送辊10传送至切边卷绕机5进行卷绕成卷，得到的纳米纤维直径为100-600nm，这样制备得到的纳米纤维直径分布均匀，纤维表面密实光滑，不存在孔洞缺陷，纳米纤维的拉伸强力为43.0MPa-120MPa，力学性能得到了提高；熔体喷射纳米纤维制备技术纺丝效率高，适合工业化大批量生产。
绿色高强度熔体喷射纺丝纳米纤维1制备方法，包括以下制备步骤：
S1将1％Irgatec CR76减链剂加入到聚丙烯中得到混合料；
S2将混合料加入到螺杆挤出机中，加热得到具有黏度和热塑性的聚合物熔体材料，加热温度为200℃，聚合物熔体材料黏度为110Pa.s；
S3通过计量泵将聚合物熔体材料通过1ml/h的单针熔体进给流量加入到纺丝喷头组件中；
S4通过纺丝喷头组件进行熔体气流喷射纳米纺丝至网带接收机中，纺丝喷头组件进行熔体气流喷射的气流压强为0.53MPa，纺丝喷头组件进行熔体气流喷射的距离为27cm；
S5网带接收机将冷却至室温的纳米纤维传送至切边卷绕机进行卷绕成卷，制备得到的纳米纤维直径为350nm。
本实施例制备得到的纺丝纳米纤维1直径分布均匀，纤维表面密实光滑，不存在孔洞缺陷，纺丝纳米纤维的拉伸强力为120MPa，力学性能得到了提高；熔体喷射纳米纤维制备技术纺丝效率高，适合工业化大批量生产。
绿色高强度熔体喷射纺丝纳米纤维2制备方法，包括以下制备步骤：
S1将0.5％离子盐加入到聚乙烯中得到混合料；
S2将混合料加入到螺杆挤出机中，加热得到具有黏度和热塑性的聚合物熔体材料，加热温度为180℃，聚合物熔体材料黏度为20Pa.s；
S3通过计量泵将聚合物熔体材料通过0.5ml/h的单针熔体进给流量加入到纺丝喷头组件中；
S4通过纺丝喷头组件进行熔体气流喷射纳米纺丝至网带接收机中，纺丝喷头组件进行熔体气流喷射的气流压强为0.06MPa，纺丝喷头组件进行熔体气流喷射的距离为5cm；
S5网带接收机将冷却至室温的纳米纤维传送至切边卷绕机进行卷绕成卷，制备得到的纳米纤维直径100nm。
本实施例制备得到的纺丝纳米纤维2直径分布均匀，纤维表面密实光滑，不存在孔洞缺陷，纳米纤维的拉伸强力为43.0MPa，力学性能得到了提高；熔体喷射纳米纤维制备技术纺丝效率高，适合工业化大批量生产。
绿色高强度熔体喷射纺丝纳米纤维3制备方法，包括以下制备步骤：
S1将2.5％Irgatec CR76加入到聚乙烯醇中得到混合料；
S2将混合料加入到螺杆挤出机中，加热得到具有黏度和热塑性的聚合物熔体材料，加热温度为220℃，聚合物熔体材料黏度为200Pa.s；
S3通过计量泵将聚合物熔体材料通过1.5ml/h的单针熔体进给流量加入到纺丝喷头组件中；
S4通过纺丝喷头组件进行熔体气流喷射纳米纺丝至网带接收机中，纺丝喷头组件进行熔体气流喷射的气流压强为1MPa，纺丝喷头组件进行熔体气流喷射的距离为50cm；
S5网带接收机将冷却至室温的纳米纤维传送至切边卷绕机进行卷绕成卷，制备得到的纳米纤维直径600nm。
本实施例制备得到的纺丝纳米纤维3直径分布均匀，纤维表面密实光滑，不存在孔洞缺陷，纺丝纳米纤维的拉伸强力为96.0MPa，力学性能得到了提高；熔体喷射纳米纤维制备技术纺丝效率高，适合工业化大批量生产。
以上的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
