纤维气凝胶的离心纺装置及离心纺制备方法和应用

技术领域

本发明涉及纤维气凝胶制备技术领域，尤其涉及一种纤维气凝胶的离心纺装置及离心纺制备方法和应用。

背景技术

气凝胶是一种固体物质形态的纳米多孔材料，是世界上密度最小的固体，有着极高孔隙率和极低密度，可以应用在航天、国防等高技术领域和传统民用领域。主要分为无机气凝胶、有机高分子气凝胶和碳气凝胶三大类。气凝胶的制备主要是由溶胶凝胶过程和干燥过程构成，将含高化学活性组分的化合物分散在溶剂中，经过水解反应生成活性单体，活性单体聚合，形成溶胶，进而生成具有一定空间结构的凝胶。此时制作出来的凝胶类似于果冻，紧接着将果冻状凝胶进一步进行干燥处理即可得到气凝胶。干燥过程采用的方法主要有超临界干燥、冷冻干燥和常压干燥。三者都有一定程度的缺点，制备步骤相对较繁琐，不利于规模化制备和应用，是目前急需解决的问题。

纤维基气凝胶具有强度高、易制得等优点，多被用于隔热保温领域。例如专利CN201110357904.6公开了一种定向纤维气凝胶隔热复合材料及其制备方法，包括纤维骨架和气凝胶，将气凝胶填充于纤维骨架间，然后在模具中成型剂后改性处理，得到定向纤维气凝胶隔热复合材料。该复合材料具有超级隔热性能和良好的抗压和抗折性能。但其制备工艺步骤繁琐，不利于大规模制备，且可控性低。专利CN201810443578.2公开了一种聚酰胺气凝胶纤维、其制备方法及应用，采用凝胶纺丝法、湿法纺丝法、干法纺丝法和3D打印法等制备聚酰胺凝胶纤维，对所述聚酰胺凝胶纤维进行干燥处理，获得聚酰胺气凝胶纤维，其具有连通的三维多孔网络结构。其是通过工艺调控使得单根纤维内部形成多孔三维网孔结构，进而进行填充使用，作为保温材料使用时，不利于成型。

离心纺丝是将某些聚合物熔体或溶液借助高速旋转的装置所产生的离心力和剪切力由细孔甩出而成纤的方法。其高速旋转的动态过程与静电纺丝、湿法纺丝等存在较大差异，纺丝速度显著提高，而且纺丝纤维的可调控空间更高。现有技术多采用环形收集或平面收集方式，得到聚集的纤维膜。例如专利CN201620050748.7提供了一种离心纺丝装置，离心纺丝装置包括电机、纺丝头和收集棒，纺丝头侧壁设有与所述空腔连通的喷丝孔，收集棒围绕纺丝头一圈设置。离心纺丝时，纺丝头由电机带动转动，纺丝液从纺丝头的喷丝孔中喷出，在喷丝孔与收集棒之间运动得到拉伸，同时溶剂挥发，形成纤维，通过收集棒接收得到纤维膜。但是该方法得到的纤维膜也无法直接用于隔热保温材料，如果能够通过对离心纺收集装置的改进，实现纤维气凝胶的一步法大规模生产，则对纤维气凝胶的大规模应用具有重要意义。

有鉴于此，有必要设计一种改进的纤维气凝胶的离心纺装置及离心纺制备方法和应用，以解决上述问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种纤维气凝胶的离心纺装置及离心纺制备方法和应用，通过设置相对离心纺喷丝器移动的收集棒，使纤维呈高度蓬松状态交错缠绕于收集棒上，并同步固化，形成三维立体多孔网络结构的纤维气凝胶，显著简化气凝胶制备流程，提高生产效率。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种纤维气凝胶的离心纺装置，包括离心纺喷丝器和围绕所述离心纺喷丝器周围设置的收集棒，所述收集棒底部设有滑槽；在所述离心纺喷丝器离心纺丝过程中，所述收集棒沿所述滑槽相对所述离心纺喷丝器移动，以卷绕纺出的纤维，使所述纤维呈高度蓬松状交错聚集，形成纤维气凝胶。

作为本发明的进一步改进，所述滑槽的延长线与所述离心纺喷丝器的延长线垂直设置；所述滑槽的长度为15-30cm，所述滑槽靠近所述离心纺喷丝器的一端距所述离心纺喷丝器的距离为5-15cm。

作为本发明的进一步改进，所述收集棒的个数为1-8根，所述收集棒还连接有自转驱动装置，用于自转，以调控纤维的卷绕状态。

作为本发明的进一步改进，所述收集棒的外周设有环状加热壁，用于控制纺出纤维的固化温度。

一种纤维气凝胶的离心纺制备方法，采用以上任一项所述的纤维气凝胶的离心纺装置，将纺丝液置于所述离心纺喷丝器中，通过离心旋转从离心纺喷丝器的喷丝孔中喷出，同时驱动所述收集棒沿所述滑槽移动，以使纤维以蓬松状交错卷绕于所述收集棒上，固化后得到纤维气凝胶。

作为本发明的进一步改进，所述纺丝液为质量分数为15％-25％的纺丝溶液或熔融纺丝液；所述纺丝液的原料为芳香族聚酰胺或聚酰亚胺，或者脂肪族聚酰胺或聚酰亚胺中的一种或多种。

作为本发明的进一步改进，所述纤维气凝胶固化后，进行热定型处理，以提高纤维交错点之间的粘结强度。

作为本发明的进一步改进，所述热定型处理的温度为60-130℃。

作为本发明的进一步改进，所述离心纺喷丝器的离心旋转速度为2000-8000r/min，喷丝孔的直径为0.2-1.0mm；所述收集棒的移动速度为0.2-2cm/s，自转速度为0-500r/min；所述纤维气凝胶的固化温度为40-100℃。

一种以上任一项所述的离心纺制备方法制备得到的纤维气凝胶的应用，所述纤维气凝胶用于隔热保温领域。

本发明的有益效果是：

1.本发明提供的纤维气凝胶的离心纺装置及离心纺制备方法，通过设置可相对喷丝器移动的收集棒，使纤维呈高度蓬松状态交错缠绕于收集棒上，并同步固化，形成三维立体多孔网络结构的纤维气凝胶，具有类似气凝胶的低密度、高孔隙率等特点，可用于隔热保温、吸附过滤领域，显著简化气凝胶制备流程，提高生产效率。

2.本发明滑槽与离心纺喷丝器垂直设置，使得收集棒不断靠近或远离喷丝孔，通过调控收集的往返行程量及移动速度，能够对纤维的卷绕形态进行调控。整个制备装置改造结构简单，且实用性强，能够实现纤维气凝胶的一步法制备，市场前景广阔。

3.离心纺是一种新型纺丝技术，借助强大离心力将溶液或熔融体甩出再固化形成长丝，本发明通过改进收集装置使纤维聚集在收集棒周围形成气凝胶状的空间结构，产量大、流程简单，是一种新型气凝胶制备方法。聚酰胺纤维气凝胶拥有较高的强度，用作隔热保温材料的隔热层，保型性好，便于应用。

附图说明

图1为本发明纤维气凝胶的离心纺装置的结构示意图。

附图标记

10-离心纺喷丝器；11-喷丝孔；20-收集棒；21-滑槽；30-环状加热壁。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对本发明进行详细描述。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在具体实施例中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

请参阅图1所示，本发明提供的纤维气凝胶的离心纺装置，包括离心纺喷丝器10和围绕离心纺喷丝器10周围设置的收集棒20；收集棒20底部设有滑槽21，在离心纺喷丝器10离心纺丝过程中，收集棒20沿所述滑槽21相对所述离心纺喷丝器10移动，以卷绕纺出的纤维，使纤维呈高度蓬松状交错聚集，形成纤维气凝胶。如此设置，收集棒20通过滑动，使得其相对离心纺喷丝器10的位置不断变化，尤其是相对喷丝孔11的位置不断变化，使得纤维不断卷绕于收集棒20上，形成交错的三维网络，固化时，交错点之间形成一定的粘结强度，维持纤维网的结构；与此同时，收集棒20的移动，还能对纤维起到牵伸拉扯作用，从而得到超细纤维。如此得到的纤维网具有类似气凝胶的低密度、高孔隙率等特点，可用于隔热保温等领域。

具体地，滑槽21的延长线与所述离心纺喷丝器10的延长线垂直设置；所述滑槽21的长度为15-30cm，滑槽21靠近离心纺喷丝器10的一端距离心纺喷丝器10的距离为5-15cm；所述收集棒20的移动速度为0.2-2cm/s。通过调控收集棒20的往返行程量及移动速度，能够对纤维的卷绕形态进行调控。

收集棒20的个数为1-8根，收集棒20还连接有自转驱动装置，用于自转，以调控纤维的卷绕状态。通过收集棒20的自转，能够进一步提高纤维卷绕度的调控性，从而便于得到预期的纤维气凝胶。

收集棒20的外周设有环状加热壁30，用于控制纺出纤维的固化温度。通过环状加热壁30的温度，促进纺丝溶剂的蒸发，加速凝固，提高纤维气凝胶的强度。特别地，环状加热壁30连接有旋转驱动装置，通过旋转，进行热对流提高固化效果。

优选地，本发明收集棒20均设为可拆卸结构，便于收集后将纤维气凝胶取下，并防止取出过程造成的变形问题。

一种纤维气凝胶的离心纺制备方法，采用以上任一项纤维气凝胶的离心纺装置，将纺丝液置于离心纺喷丝器10中，通过离心旋转从离心纺喷丝器10的喷丝孔11中喷出，同时驱动收集棒20沿所述滑槽21移动，以使纤维以蓬松状交错卷绕于所述收集棒20上，固化后得到纤维气凝胶。本发明制得的气凝胶孔隙率可高达99％。

优选地，纤维气凝胶固化后，进行热定型处理，以提高纤维交错点之间的粘结强度，热定型温度为60-130℃，优选为80-120℃。以使交错点处的纤维软化粘结。

纺丝液为质量分数为15％-25％的纺丝溶液或熔融纺丝液；所述纺丝液的原料为芳香族聚酰胺或聚酰亚胺，或者脂肪族聚酰胺或聚酰亚胺中的一种或多种。离心纺喷丝器10内部具有加热功能，能控制保证纺丝过程中纺丝液温度保持25-300℃。优选采用熔融纺丝液进行纺丝，纺出的熔融态纤维交错固化时，粘结强度更高，且可无需进行热定型处理。

特别地，离心纺喷丝器的离心旋转速度为2000-8000r/min，喷丝孔直径为0.2-1.0mm；收集棒的移动速度为0.2-2cm/s，自转速度为0-500r/min；纤维气凝胶的固化温度为40-100℃。

实施例1

一种纤维气凝胶的离心纺制备方法，采用图1所示的装置，将熔融态尼龙6置于离心纺喷丝器10中，以5000r/min的离心旋转速度从离心纺喷丝器10的喷丝孔11(直径为0.3mm)中喷出，同时驱动4根收集棒20以0.2cm/s的速度沿滑槽21来回移动，以使尼龙6纤维以蓬松状卷绕于收集棒20上，固化后得到尼龙6纤维气凝胶。其中，滑槽21的长度为25cm，其靠近离心纺喷丝器10的一端与喷丝器10的距离为10cm。

实施例2

一种纤维气凝胶的离心纺制备方法，与实施例1相比，不同之处在于，收集棒20还以100r/min的速度自转。其他与实施例1大致相同，在此不再赘述。

实施例3

一种纤维气凝胶的离心纺制备方法，将22％的尼龙6纺丝溶液置于离心纺喷丝器10中，以5000r/min的离心旋转速度从离心纺喷丝器10的喷丝孔11中喷出，同时驱动收集棒20以以0.2cm/s的速度沿滑槽21来回移动，以使尼龙6纤维以蓬松状卷绕于收集棒20上，通过环状加热壁30控制固化温度为100℃，固化后得到尼龙6纤维气凝胶。

对比例1

一种纤维气凝胶的离心纺制备方法，与实施例1相比，不同之处在于，收集棒20固定不动。其他与实施例1大致相同，在此不再赘述。

对比例1得到的纤维无法缠绕于收集棒上，而是环绕于4根收集棒表面平铺，难以得到三维网络结构的多孔气凝胶。

实施例4-9

一种纤维气凝胶的离心纺制备方法，与实施例1相比，不同之处在于，离心纺丝速度、喷丝孔径、滑槽21的长度和收集棒20移动速度如表1所示。其他与实施例1大致相同，在此不再赘述。

表1实施例4-9的制备参数

测试得到的纤维气凝胶压缩前后的孔隙率(压缩后的孔隙率是指对纤维气凝胶施加1MPa的压力并保持4min后，测试其孔隙率，以表征纤维气凝胶的多孔网络结构的保型性)。

表1实施例1-9及对比例1的性能测试结果

从表1可以看出，该方法生产的气凝胶在压缩后也保持较高的孔隙率和较大的孔容，可很好地用于隔热保温材料的制备，因此实现了三维立体多孔网络结构纤维气凝胶的一步法大规模制备，而且装置改造方法简单，便于投入实产，经济价值显著。本发明制备的纤维气凝胶压缩一定时间后，孔隙率保持较好，说明三维立体网络结构没有因此而塌陷，这是因为在动态纺丝收集过程中交错点之间的固化粘结赋予其一定的支撑强度，因此便于实际使用。

综上所述，本发明提供的纤维气凝胶的离心纺装置及离心纺制备方法和应用，通过设置可相对喷丝器移动的收集棒，使纤维呈高度蓬松状态交错缠绕于收集棒上，并同步固化，形成三维立体多孔网络结构的纤维气凝胶，具有类似气凝胶的低密度、高孔隙率等特点，可用于隔热保温、吸附过滤领域，显著简化气凝胶制备流程，提高生产效率。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。