專利名稱：一種蓬松狀超細纖維的制備方法
技術領域：
本發明涉及材料領域；具體是一種蓬松狀超細纖維的制備方法。
背景技術：
超細纖維超大的比表面積和亞微米/納米級直徑，使其具有許多特殊的性能，例如耐高溫、熱導率低、導電性好等，因此，被廣泛用于航天、軍事、體育、醫學等領域。特別是在隔熱材料領域，利用超細纖維作為增強體制備的隔熱復合材料，如超細纖維增強氣凝膠復合材料，力學性能和隔熱性能均得到了較大幅度提高。超細纖維的制備方法很多，以制備超細碳纖維為例，主要有基體法、噴淋法、氣相生長法和靜電紡絲法。現有利用靜電紡絲法制備超細纖維，一般是將針頭與高壓電源正極連接，接收器與電源負極或者大地連接。現有接收器類型較多，例如錐形盤、旋轉框架、銅線框轉鼓、平行排列次電極、平行放置的不銹鋼圓環和凝固浴等等。但制備的纖維都是以纖維束、織物、紗、氈、席、帶、紙等形態存在，很難將纖維均勻的分布在樹脂、金屬、陶瓷等各種基體中；若單獨用超細纖維氈作為隔熱材料， 又必須使用大量的超細纖維來填充隔熱層，使部件整體質量大大增加，提高了固體熱導率， 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。
發明內容
本發明的目的在于提供一種蓬松狀超細纖維的制備方法。以實現制備的纖維直徑達到亞微米/納米水平，纖維外形蓬松，能均勻分布在樹脂、金屬、陶瓷等各種基體或者隔熱層中，從而達到降低材料用量和提高隔熱效果的雙重效果；且工藝過程簡單，生產周期較短，便于實現擴大化生產。
本發明的蓬松狀超細纖維的制備方法，包括以下步驟
(1)先驅體的預處理；(2)紡絲液的配制；(3)靜電紡絲；(4)空氣預氧化；(5)高溫燒成；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或多針頭靜電紡絲機進行紡絲；靜電紡絲的收絲接收器是多柱狀接收器或去蓋長方體接收器；所得超細纖維的蓬松度為 10_4 lO—Wcm。
所述多柱狀接收器是IiTlOO個柱長為廣15cm的非導體長柱和短柱交互排列固定在鋁箔或其他導體上；相鄰柱子的距離為廣10cm。
所述長柱和短柱的的形狀是長方體、圓柱體或錐體。
所述去蓋長方體型接收器是由導體或者非導體制作成去蓋的長方體；所述由導體制作的去蓋長方體可直接使用；所述非導體制作的去蓋長方體是在其底部粘貼有導電片； 在導電片底部開有廣1000個直徑為0.廣IOmm的小孔，在其廣1000個孔內放置有尖端導體，尖端導體與導電片之間用導線連接。
所述小孔的數量和小孔的直徑可根據不同型號接收器而不同。
所述非導體是紙制品、木村或塑料制品。
所述導電片為金屬材料；所述尖端導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。
所述靜電紡絲時是是針頭與負極連接，正極連接接收器；或針頭與正極連接，負極連接接收器。
本發明通過設計接收器的空間結構、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的超細纖維；又通過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四處分散的技術問題，實現了對蓬松纖維的集中收集。這種蓬松狀纖維與其他形態的纖維相比，具有所需原料少，從而能較大幅度的提高氣凝膠等復合材料的隔熱效果；單獨作為隔熱材料時，可以用較少的蓬松碳纖維均勻分布于隔熱層中，達到輕質隔熱的效果。因而在隔熱材料領域具有廣闊的應用前景；又采用單/多針頭靜電紡絲法，工藝簡單，生產周期短，便于批量生產。
圖1為實施例1中去蓋長方體型接收器結構示意圖
圖中A為長方體整體圖；B為長方體俯視圖；C為長方體仰視圖； 圖2為實施例2中多柱狀接收器示意圖； 圖3為實施例2中多針頭靜電紡絲和電極連接方法示意圖； 圖4為實施例2中得到的蓬松聚丙烯腈原纖維普通光學照片； 圖5為實施例2中得到的蓬松碳纖維的掃描電鏡照片。
具體實施例方式以下結合實施例對本發明作進一步說明。
實施例1.
本實施例中，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方體接收器。 電極連接方式是將高壓正極連接接收器，負極連接噴絲針頭。
本實施例的去蓋長方體接收器是這樣制作的
參照圖1 由硬紙殼制作成非導體去蓋長方體(a)；在其底部4粘貼有導電片5，導電片為鐵片；在鐵片底部鑿IiTlOO個的小孔1，孔的直徑為0.廣IOmm;選擇其中5個孔放置有尖端的導體2，尖端導體為鐵釘，孔洞排列方式如圖1(b)。尖端導體與導電片之間用導線3連接。
具體工藝的步驟如下
(1)先驅體的預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
紡絲條件是針頭內徑為0. 8mm的鋼制針頭進行單針頭紡絲，電壓為15kV，接收距離為 10cm，采用去蓋長方體接收器收絲，制得蓬松的聚丙烯腈原纖維；
(4)空氣預氧化將上述原纖維置于預氧化爐中，在流動的空氣氣氛中按照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)高溫燒成將上述不熔化纖維置于氮氣氣體保護下的高溫爐中，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。
實施例2. 參照圖2和圖3
本實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，負極與接收器連接。
所述多柱狀接收器是將2(Γ50個由聚氨酯泡沫切割成長短不等的廣15cm的長方體柱子6無序的固定在68X 58cm的鋁箔7上，再將鋁箔固定在多針頭靜電紡絲機的旋轉圓筒12上。靜電紡絲時，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施例1，不同的是
配制紡絲溶液時，聚丙烯腈與DMF的質量之比為17:100 ；靜電紡絲時，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；空氣預氧化時， 保溫溫度為280°C ；高溫燒成時，保溫溫度為1000°C。
所述蓬松聚丙烯腈原纖維的普通光學照片如圖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，纖維呈無序狀態，平均直徑約500nm。
實施例3
本實施例中采用單針頭靜電紡絲，用去蓋長方體接收器收絲。電極連接方式同實施例1。
所述去蓋長方體是采用導體制作，長方體底部未粘貼導電片。
所述導體為鐵絲網，鐵絲直徑0. Γ0. 3mm ；網孔為正方形，邊長為2mm。
具體實驗步驟同實施例1，不同的是靜電紡絲時，所用針頭內徑為1.5mm，所用電壓為25kV ；空氣預氧化時，升溫速率為5°C /min。
實施例4
本實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，采用去蓋長方體收絲，制得蓬松的聚碳硅烷原纖維；
(3)空氣預氧化將上述原纖維置于氧化爐中，在流動的空氣氣氛中按照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)高溫燒成將上述不熔化纖維置于惰性氣體保護下的高溫爐中，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。
權利要求
1.一種蓬松狀超細纖維的制備方法，其特征在于，包括(1)先驅體的預處理；(2)紡絲液的配制；(3)靜電紡絲；(4)空氣預氧化；(5)高溫燒成；其特征在于，所述第(3)步的靜電紡絲是采用單針頭或多針頭靜電紡絲機進行紡絲；其靜電紡絲的收絲接收器是多柱狀接收器或去蓋長方體接收器；所得超細纖維的蓬松度為10_4 liTg/cm。
2.根據權利要求1所述的一種蓬松狀超細纖維的制備方法，其特征在于，所述多柱狀接收器是10 100個柱長為1 15cm的非導體長柱和短柱交互排列固定在鋁箔或其他導體上；相鄰柱子的距離為1 10cm。
3.根據權利要求2所述的一種蓬松狀超細纖維的制備方法，其特征在于，所述長柱和短柱的的形狀是長方體、圓柱體或錐體。
4.根據權利要求1所述的一種蓬松狀超細纖維的制備方法，其特征在于，所述去蓋長方體接收器是由導體或者非導體制作成去蓋長方體；所述由導體制作的去蓋長方體是直接使用；所述非導體制作的去蓋長方體是在其底部粘貼有導電片；在導電片上開有1 1000 個直徑為0. 1 IOmm的小孔，在孔內放置有尖端導體，尖端導體與導電片之間用導線連接。
5.根據權利要求4所述的一種蓬松狀超細纖維的制備方法，其特征在于，所述非導體是紙制品、木村或塑料制品；所述導電片為金屬材料；所述尖端導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.根據權利要求1所述的一種蓬松狀超細纖維的制備方法，其特征在于，所述靜電紡絲是針頭與負極連接，正極連接接收器。
7.根據權利要求1所述的一種蓬松狀超細纖維的制備方法，其特征在于，所述靜電紡絲是針頭與正極連接，負極連接接收器。
全文摘要
一種蓬松狀超細纖維的制備方法。包括(1)先驅體的預處理；(2)紡絲液的配制；(3)靜電紡絲；(4)空氣預氧化；(5)高溫燒成；所述步驟(3)中的靜電紡絲是采用單針頭靜電紡絲機或多針頭靜電紡絲機進行紡絲；其收絲接收器是多柱狀接收器或去蓋長方體接收器；所得超細纖維的蓬松度為10-4~10-1g/cm。本發明通過設計接收器的空間結構、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；并實現了對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合材料的力學性能和隔熱效果，是一種理想的增強體；單獨作為隔熱材料時，可以用較少的蓬松碳纖維均勻分布于隔熱層中，達到輕質隔熱的效果；在隔熱材料領域具有廣闊的應用前景。
文檔編號D01F9/10GK102206883SQ201110148439
公開日2011年10月5日 申請日期2011年6月3日 優先權日2011年6月3日
發明者王應德, 王兵 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學