本发明专利技术提供了一种焦耳热辅助的无针头熔喷制备纳米纤维的方法及装置。该方法包括：从所设计的纺丝箱中挤出熔体；使用加热气流牵伸熔体。以及对金属材质的无针头喷丝多孔金属板施加一定的焦耳热功率，以加热熔体。这样，通过对喷丝孔的局部结构施加焦耳热功率达到高效节能地加热熔体，能够使被挤出的熔体快速达到所需的粘度和组分，从而能够被牵伸成所需直径的微纳米纤维。的微纳米纤维。的微纳米纤维。
【技术实现步骤摘要】
一种焦耳热辅助的无针头熔喷纺丝方法及装置
(2)
[0001]本专利技术属于纤维纺丝领域，更具体地涉及一种熔喷纺丝方法及相关装置。
(3)
技术介绍
[0002]纤维材料具备独特的物理化学性质，其尺寸通常为微米级或纳米级。纤维材料因维度限制产生了丰富的表面效应和量子尺寸效应，被广泛应用于环境处理、可持续能源、柔性电子、智能织物、安全防护等多个领域。促进微纳米纤维材料在终端产品中的进一步应用，对开发先进的制造科学和相关技术，实现高性能纤维材料的高效率、低成本、连续稳定制备具有重大的研究意义的应用前景。
[0003]目前，微纳米纤维材料的常用制备技术有干法/湿法纺丝、静电纺丝、离心纺丝、溶液气纺丝和熔喷纺丝等。然而，传统的制备方法存在生产效率低、设备复杂等缺点，而且对纤维的尺寸难以精确控制，严重限制了纤维材料的生产与规模化应用。熔喷纺丝虽然能够实现较高的生产效率和无溶剂残留等优势，但加热熔体所带来的大量额外能耗和对复杂高聚物前驱体组分的熔融温度的调控效率仍是工业界亟待解决的难题。在典型的多针头纺丝过程中，前驱体溶液从针尖喷出，并通过静电力、离心力或气体剪切力进行拉伸，随后蒸发溶剂以获得纤维，其主要技术缺点包括复杂的物理场设计、溶剂蒸发和纤维收集困难、针头阻塞、液滴形成，以及产量低的问题。因此，开发低能耗、普适性强、环境友好的无针头熔喷纺丝策略以制备尺寸和化学组分可调的高聚物纳米纤维，具有重大的研究意义和广阔的应用前景。
[0004]焦耳热技术具备超高的电/热转化效率和非平衡热化学状态，能够实现制备温度和功率的程序化原位调控和纳米材料组分、化学状态的可控调节，并广泛运用于纳米材料制备、电子器件、环境处理和资源回收等领域。本专利技术利用焦耳加热辅助的方式开发了一种新颖的无针头熔喷方法和相关装置，在低能耗下精准加热熔体，并实现所需直径的微纳米纤维的低成本宏量制备。
(4)
技术实现思路
[0005]1、本专利技术的目标
[0006]鉴于上述现有的纺丝和熔喷技术背景和状态而做出本申请。本申请的目的在于提供一种焦耳热辅助的无针头熔喷纺丝方法和装置，能够克服上述
技术介绍
说明的其中至少一个缺点，开发低能耗、普适性强、环境友好的无针头熔喷策略以制备尺寸和化学组分可调的纳米纤维。
[0007]2、本技术的专利技术要点
[0008]为实现上述目的，本申请采用如下技术要点：
[0009]本申请提供了一种如下的焦耳热辅助的无针头熔喷方法，该熔喷方法包括：从纺丝箱(2)挤出熔体(1c)；对所述的纺丝箱(2)下方无针头多孔喷丝板(2c)两端(2a，2b)施加焦耳热功率，以精准加热所述熔体(1c)。使用高速加热气流牵引熔体；。
[0010]在一个可选的方案中，对所述无针头多孔喷丝板(2c)两端(2a，2b)施加焦耳热功率，包括：使用直流电源(3)夹持在所述无针头多孔喷丝板(2c)两端；夹持装置(2a，2b)材质为纯铜；所述无针头多孔喷丝板(2c)的局部结构为长宽均为0.1
‑
0.5mm的正方形孔，其高度为3
‑
5mm，其材质为电加热效果良好的合金，包括但不限于镍铁合金、钨合金、铁铬铝合金。
[0011]在另一个可选的方案中，所述喷丝孔的数量为多个并排布置。
[0012]在另一个可选的方案中，所述施加的焦耳热功率范围为5.5W至20.0W，并根据熔体类型和所需微纳米纤维(1d)的直径实时调节。
[0013]本申请还提供了一种如下的焦耳热辅助熔喷装置。该装置包括：无针头熔体发生装置，包括熔体供给源(1a)和挤出装置(1b)，用于从所述的纺丝箱(2)的无针头多孔喷丝板(2c)中挤出熔体(1d)；所述喷丝板的孔道数量为多个，排列方式为并排布置；气体发生装置(4a)和气体加热装置(4d)用于产生高速加热气流，以牵伸所述熔体(1c)，其温度范围为100
‑
300℃；焦耳加热单元，包括外部直流电源(3)，夹持装置(2a，2b)和功率控制系统，以对喷丝板孔道内部挤出的所述熔体进行精准加热。
[0014]本专利技术的具体方法说明如下：
[0015]本专利技术中，对于一种选定的高聚物纤维材料，首先将含有特定金属掺杂元素的无机盐或有机盐前驱体与高分子熔体原料混合加入到熔体发生装置，以特定的供给速率和温度从纺丝箱中挤出熔体。在无针头多孔喷丝板处用夹持装置施加一个外部焦耳热功率，能够在并列排布的多个喷丝孔道出口部位实现精准且低能耗的加热效果，使熔体能够被加热至所需的熔融温度，从而保持一定的黏度和可纺性。
[0016]在喷嘴处加上与熔体粘度、流出速度所匹配的一定速度和温度的气流，熔体将均匀且连续地在气流的作用下被拉伸为微纳米纤维，最终被收集器所收集。同时熔体中的前驱体物质在高温和氧化气氛的作用下形成所需的掺杂组分。
[0017]相对于需要高温外部加热器和并列式纺丝针头作为熔融设备的传统熔融纺丝技术，这种方法不仅能够显著降低能耗，而且能够实现加热温度的精准快速调节，大大提升了生产效率和设备兼容性。
[0018](5)本专利技术的附图
[0019]图1示出了本申请的焦耳热辅助无针头熔喷装置结构示意图。
[0020]图2示出了图1中的无针头多孔喷丝板的示意图。
[0021]图3示出了图1中装置制得的PET纳米纤维的扫描电子显微图像。
[0022]附图标记说明：
[0023]1a熔体供给源；1b螺旋挤出装置；1c熔体；1d纳米纤维
[0024]2纺丝箱；2a、2b焦耳热夹持装置；2c无针头多孔喷丝板；
[0025]3外部直流电源；
[0026]4a供气单元；4b气体加热装置；
[0027]5收集装置。
[0028](6)本专利技术实施例
[0029]下面参照附图描述本申请的示例性实施例。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本申请，而不用于穷举本申请的所有可行方式，也不用于限制本申请的范围。
[0030]实施例1：PET纤维的焦耳热辅助无针头熔喷制备。
[0031]首先，配置需要进行纺丝的熔体将一定量的对苯二甲酸乙二醇酯(PET)加入到熔体发生装置中，此处具体为螺杆式熔体挤出机。纺丝箱与熔体挤出机的输出端连通。纺丝箱末端为无针头的多孔纺丝板，并与纺丝箱输出端连通。由长宽均为0.1至0.5mm的正方形纺丝孔道，并在下端平面上并列排布。通过配备减压阀的压缩气源作为气体发生装置，其中减压阀用于调节喷出气流的压力和流速，气体加热器可将空气加热到与熔体成分和温度相匹配的温度。焦耳热施加单元为程序化控制的直流电源，通过铜质夹持装置与发热良好的金属无针头多孔纺丝板连接。
[0032]熔体挤出机可以从纺丝箱挤出所需熔体，挤出速率为0.1mL/h/孔至5mL/h/孔，气流喷出方向与熔体挤出方向垂直。熔体被气流牵伸并形成锥形收缩部，气流的表压力为0.01MPa至0.5MPa。焦耳热施加于多孔纺丝板并持续加热锥形收缩部，使得熔体被牵伸为微纳米纤维。优选地，焦耳热本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种焦耳热辅助的无针头熔喷方法，其特征在于，包括：从纺丝箱(2)挤出熔体(1c)；对所述的纺丝箱(2)下方无针头多孔喷丝板(2c)两端(2a，2b)施加焦耳热功率，以精准加热所述熔体(1c)，并使用高速加热气流牵引熔体。2.根据权利要求1所述的焦耳热辅助无针头熔喷方法，其特征在于，对所述无针头多孔喷丝板(2c)两端(2a，2b)施加焦耳热功率，包括：使用直流电源(3)夹持在所述无针头多孔喷丝板(2c)两端；夹持装置(2a，2b)材质为纯铜；以及所述无针头多孔喷丝板(2c)的局部结构为长宽均为0.1
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0.5mm的正方形孔，其高度为3
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5mm，其材质为电加热效果良好的合金，包括但不限于镍铁合金、钨合金、铁铬铝合金。3.根据权利要求1或2所述的无针头熔喷方法...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄凯，雷鸣，杜鹏，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：
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