一种无聚合物模板辅助的无机溶胶纺丝成型方法技术

本发明专利技术涉及一种无聚合物模板辅助的无机溶胶纺丝成型方法。无聚合物模板的无机溶胶射流经过三个温度/碱蒸汽浓度双渐变的静电纺丝区域，并通过热风/蒸汽喷射装置灵活调控区域的温度和碱蒸汽浓度，使得射流在各区域的溶剂置换速率不同而发生由外及里的逐级凝胶化成型。本发明专利技术的无聚合物模板辅助的无机溶胶纺丝成型方法，无需添加聚合物模板辅助纺丝，同时保证了无机凝胶纤维的细直径和高度均匀性，可实现凝胶纤维的连续化生产，为后续实现低缺陷柔性无机纳米纤维的连续制备奠定了基础。柔性无机纳米纤维的连续制备奠定了基础。柔性无机纳米纤维的连续制备奠定了基础。

【技术实现步骤摘要】
一种无聚合物模板辅助的无机溶胶纺丝成型方法


[0001]本专利技术属于无机溶胶静电纺丝
，尤其是涉及一种无聚合物模板辅助的无机溶胶纺丝成型方法。

技术介绍

[0002]静电纺丝法是当前制备无机纳米纤维最有效的方法之一，其制造成本低廉、工艺简单，可以快速获得直径数百纳米左右的无机纤维。传统的适用于静电纺丝的无机溶胶可纺前驱体溶液，其除了含有无机组分外，还必须添加有机聚合物模板才能用以连续纺丝。然而，聚合物模板必须要在后续加工过程中通过高温煅烧去除，才能获得纯无机纳米纤维，这会导致陶瓷纳米纤维表面产生许多缺陷，使得无机纤维柔性差、脆性大。因此，如何在保证无机纳米纤维连续制备的前提下，又满足无机纳米纤维材料的低缺陷及柔性将是该领域亟需解决的问题。
[0003]有研究学者将线形有机硅齐聚物与铝源均匀分散在有机溶剂中制备得到溶胶，随后将无机溶胶纺丝在凝固浴中形成凝胶纤维，但该方法需要配置相应的凝固浴，其需要大量的凝固浴溶剂，容易堵塞挤出口导致纤维较粗且不连续。有研究学者采用离心盘甩丝法将无机溶胶从甩丝孔高速甩出，但是较大粘度的无机溶胶在甩丝过程中需要严格控制甩丝速率，其操作过程复杂，无法保证制得纤维的均匀性以及各向异性，且制备的纤维直径较粗。
[0004]因此，亟需开发一种无聚合物模板辅助的无机溶胶纺丝成型方法，以实现低缺陷无机陶瓷纳米纤维的连续化制备。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种无聚合物模板辅助的无机溶胶纺丝成型方法，目的是解决现有技术中，在干法纺丝或离心纺丝工艺条件下，存在制备得到的纤维均匀性较差且直径较粗的问题；有聚合物模板存在的静电纺丝工艺条件下，存在后续去除模板时会使纤维产生结构缺陷的问题。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007]本专利技术提供一种无聚合物模板辅助的无机溶胶纺丝成型方法，包括以下步骤：
[0008]无聚合物模板辅助的无机溶胶从自上而下的狭缝喷头设备中挤出，并在施加电压条件下被牵伸成为无机溶胶纺丝射流；随后，无机溶胶纺丝射流经过三个温度/碱性醇蒸汽浓度双渐变纺丝区域，使得无机溶胶射流发生由外及里的逐级凝胶化成型，最终获得无机凝胶纤维并沉积在传送带式接收基板上。
[0009]在本专利技术的一个实施方式中，无聚合物模板辅助的无机溶胶从自上而下的狭缝喷嘴中以0.1～100mL/h的速度挤出。
[0010]在本专利技术的一个实施方式中，施加的电压为10～100kV。
[0011]在本专利技术的一个实施方式中，三个温度/碱性醇蒸汽浓度双渐变纺丝区域分别为
纺丝I区、纺丝II区和纺丝III区，其中纺丝区域的温度表现为逐级递增的趋势，而纺丝区域碱性醇蒸汽的浓度则表现为逐级递减的趋势，且纺丝区域的长度逐渐减小。
[0012]在本专利技术的一个实施方式中，无机溶胶纺丝射流经过三个温度/碱性醇蒸汽浓度双渐变纺丝区域的条件为：
[0013]纺丝区域的温度逐渐递增满足T
n
＝T1+15n，n＝2、3，且T1＝2T0，其中T0为室温，T1为纺丝I区的温度，T2为纺丝II区的温度，T3为纺丝III区的温度。沿射流运动方向的三个纺丝区域温度表现为15℃梯度差的逐级递增趋势。
[0014]在本专利技术的一个实施方式中，无机溶胶纺丝射流经过三个温度/碱性醇蒸汽浓度双渐变纺丝区域的条件为：
[0015]纺丝区域碱性醇蒸汽的浓度逐渐递减满足C
n
＝C1‑
2n，n＝2、3且C1>6g/m3。C1为纺丝I区的碱性醇蒸汽的浓度，C2为纺丝II区的碱性醇蒸汽的浓度，C3为纺丝III区的碱性醇蒸汽的浓度。
[0016]在本专利技术的一个实施方式中，无机溶胶纺丝射流经过三个温度/碱性醇蒸汽浓度双渐变纺丝区域的条件为：
[0017]每个温度/碱性醇蒸汽浓度双渐变纺丝区域的长度为5～50cm；纺丝I区、纺丝II区和纺丝III区的长度比符合(a+2):(a+1):a，a>1。其三个区域的长度是根据纺丝距离进行调节的。
[0018]在本专利技术的一个实施方式中，温度/碱性醇蒸汽浓度双渐变纺丝区域各区域的温度和碱性醇蒸汽浓度由热风/蒸汽喷射装置调控。
[0019]在本专利技术的一个实施方式中，所述热风/蒸汽喷射装置包括溶液存储仓、溶液注入口、溶液喷射口、热风通道、热风注入口、负气压吸气装置，
[0020]所述的溶液存储仓为具有三棱柱结构凸起的圆柱体，三棱柱的边上开有密集规则排列的溶液喷射口，圆柱体两个底面上安装有溶液注入口；
[0021]所述的热风通道与溶液存储仓位于同一条轴上，且上方开有一条狭缝，下方连接着热风注入口；
[0022]所述的负气压抽吸装置位于溶液喷射口的对面。
[0023]在本专利技术的一个实施方式中，所述溶液存储仓直径d为5
‑
10cm，长度为1
‑
5m；溶液注入口直径c为2
‑
5cm；溶液存储仓的三棱柱的角度α大小为20
‑
60
°
；棱上面开有密集规则排列的溶液喷射口的直径e为0.2
‑
1cm，间距f为0.2
‑
0.5cm；溶液喷射速度0.01
‑
20ml/min。
[0024]在本专利技术的一个实施方式中，所述热风通道直径a为10
‑
20cm，长度为1
‑
5m；其上方的狭缝宽g为2
‑
5cm，下方的热风注入口的直径b为5
‑
10cm，风速为0.01
‑
1m/min；
[0025]所述负气压抽风装置的抽风速度为0.01
‑
1m/min。
[0026]在本专利技术的一个实施方式中，所述碱性醇蒸汽中的碱选择为氨水、氢氧化钠或氢氧化钾溶液中的一种或多种组合，所述碱性醇蒸汽中的醇选择为乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇或仲丁醇中的一种或多种组合，碱溶液与醇溶液的体积比为0.1～1v/v。
[0027]在本专利技术的一个实施方式中，所得无机凝胶纤维的平均直径为200～1000nm，长度为500～2000mm，100℃烘干条件下凝胶纤维失重率≤5％。
[0028]在本专利技术的一个实施方式中，无机凝胶纤维沉积在运行速度为0.1～10m/min的传送带式接收基板上。
[0029]本专利技术中，所述由外及里发生逐级凝胶化成型，即无机溶胶射流经过不同的纺丝区域时，其溶剂向外扩散的同时碱性醇蒸汽也向射流内部扩散，由于纺丝区域的温度和碱性醇蒸汽浓度是渐变的，使得射流在各区域的溶剂置换速率不同而发生由外及里的逐级凝胶化成型，最终转化为无机凝胶纤维。
[0030]本专利技术的无聚合物模板辅助的无机溶胶纺丝成型方法，由无机溶胶纺丝射流在三个温度/碱性醇蒸汽浓度双渐变纺丝区域内发生逐级凝胶固化而实现。所述温度/碱性醇蒸汽浓度双渐变纺丝区域，沿射流运动方向分为纺丝I区本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无聚合物模板辅助的无机溶胶纺丝成型方法，其特征在于，无聚合物模板辅助的无机溶胶从自上而下的狭缝喷头设备中挤出，并在施加电压条件下被牵伸成为无机溶胶纺丝射流；随后，无机溶胶纺丝射流经过三个温度/碱性醇蒸汽浓度双渐变纺丝区域，使得无机溶胶射流发生由外及里的逐级凝胶化成型，最终获得无机凝胶纤维并沉积在传送带式接收基板上。2.根据权利要求1所述的一种无聚合物模板辅助的无机溶胶纺丝成型方法，其特征在于，无聚合物模板辅助的无机溶胶从自上而下的狭缝喷嘴中以0.1～100mL/h的速度挤出。3.根据权利要求1所述的一种无聚合物模板辅助的无机溶胶纺丝成型方法，其特征在于，施加的电压为10～100kV。4.根据权利要求1所述的一种无聚合物模板辅助的无机溶胶纺丝成型方法，其特征在于，三个温度/碱性醇蒸汽浓度双渐变纺丝区域分别为纺丝I区、纺丝II区和纺丝III区，其中纺丝区域的温度表现为逐级递增的趋势，而纺丝区域碱性醇蒸汽的浓度则表现为逐级递减的趋势，且纺丝区域的长度逐渐减小。5.根据权利要求4所述的一种无聚合物模板辅助的无机溶胶纺丝成型方法，其特征在于，无机溶胶纺丝射流经过三个温度/碱性醇蒸汽浓度双渐变纺丝区域的条件为：纺丝区域的温度逐渐递增满足T
n
＝T1+15n，n＝2、3，且T1＝2T0，其中T0为室温，T1为纺丝I区的温度，T2为纺丝II区的温度，T3为纺丝III区的温度；纺丝区域碱性醇蒸汽的浓度逐渐递减满足C
n
＝C1‑
2n，n＝2、3且C1>6g/m3，C1为纺丝I区的碱性醇蒸汽的浓度，C2为纺丝II区的碱性醇蒸汽的浓度，C3为纺丝III区的碱性醇蒸汽的浓度；每个温度/碱性醇蒸汽浓度双渐变纺丝区域的长度为5～50cm；纺丝I区、纺丝II区和纺丝III区的长度比符合(a+2):(a+1):a，a>1。6.根据权利要求1所述的一种无聚合物模板辅助的无机溶胶纺丝成型方法，其特征在于，温度/碱性醇蒸汽浓度双渐变纺丝区域各区域的温度和碱性醇蒸汽浓度由热风/蒸汽喷射装置调控，所述热风/蒸汽喷射装置包括溶液存储仓、溶液...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁彬，刘华磊，斯阳，徐臻，廖亚龙，印霞，俞建勇，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：