纤维气凝胶的离心纺装置及离心纺制备方法

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。

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。

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。专利CN201910431022.6提供了一种平面接收式离心纺装置，在喷丝器下方设置连续移动的收集带，喷丝器在高速旋转时喷出的纺丝溶液瞬间形成纤维，并呈螺旋线下降收集于收集带上，最终形成连续不断的离心纺纤维网；解决了离心纺连续长丝的制备问题，实现了离心纺批量化生产。可见，离心纺丝的收集方式对纤维聚集形态有较大影响，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，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，通过设置与喷丝器同步旋转的收集棒，使纤维呈高度蓬松状态缠绕于收集棒上，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；在所述离心纺喷丝器离心纺丝过程中，所述收集棒围绕所述离心纺喷丝器公转，以收集纺出的纤维，并使所述纤维呈高度蓬松状聚集，形成纤维气凝胶。

作为本发明的进一步改进，所述收集棒与所述离心纺喷丝器呈5-60°的夹角倾斜设置，且所述收集棒与所述离心纺喷丝器的喷丝孔之间的水平距离为20-40cm。

作为本发明的进一步改进，所述收集棒的个数为1-8根，每根所述收集棒的一端均固定设置于旋转底座上，所述旋转底座设置于所述离心纺喷丝器的上方；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。

作为本发明的进一步改进，所述收集棒的另一端与所述环状加热壁的内壁固定连接，用于带动所述环状加热壁的旋转，以通过热对流提高固化效果。

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旋转，以使纤维以蓬松状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，所述纺丝液为纺丝溶液或熔融纺丝液；所述纺丝液的原料为聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸或聚酯。

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，喷丝孔直径为0.2-1.0mm；所述收集棒的公转速度为0-200r/min，自转速度为0-500r/min；所述纤维气凝胶的固化温度为40-100℃。

一种碳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旋转，以使纤维以蓬松状卷绕于所述收集棒上，固化后得到纤维气凝胶；将所述纤维气凝胶进行预氧化和碳化处理，得到碳纤维气凝胶；

所述纺丝液为质量分数为18％-25％的聚丙烯腈纺丝溶液；所述聚丙烯腈的分子量为85000-250000。

作为本发明的进一步改进，，所述预氧化的温度为260-300℃，时间为30-90min；碳化处理的温度为800-1200min，时间为60-120min。

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，通过设置与喷丝器同步旋转的收集棒，使纤维呈高度蓬松状态缠绕于收集棒上，并同步固化，形成三维立体多孔网络结构的纤维气凝胶，可用于吸附过滤领域，显著简化气凝胶制备流程，提高生产效率。

2.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。聚丙烯腈材料拥有较强的耐菌腐蚀性和优良的热稳定和化学稳定性，同时可以用作碳气凝胶的原材料。经高温碳化后可拥有较强的导电性，应用范围很广。

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。

图2为本发明纤维气凝胶的离心纺装置的另一角度结构示意图。

图3为本发明纤维气凝胶的收集状态结构示意图。

附图标记

10-离心纺喷丝器；11-喷丝孔；20-收集棒；21-旋转底座；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和2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；在离心纺喷丝器10离心纺丝过程中，收集棒20围绕离心纺喷丝器10公转，以收集纺出的纤维，并使纤维呈高度蓬松状聚集，形成纤维气凝胶(如图3所示)。如此设置，收集棒20围绕离心纺喷丝器10旋转，优选以相同方向旋转，并与离心纺喷丝器10有一个旋转速度差，纺出的纤维高速甩出，当收集棒20也旋转时，能够将纤维卷绕于收集棒20上，形成交错的网络，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，如此得到的纤维网具有类似气凝胶的低密度、高孔隙率的特点，可用于吸附过滤等领域。

具体地，收集棒20与离心纺喷丝器10呈5-60°的夹角倾斜设置，且收集棒20与离心纺喷丝器10的喷丝孔11之间的水平距离为20-40cm。收集棒20的个数为1-8根，每根收集棒20的一端均固定设置于旋转底座21上，旋转底座21设置于离心纺喷丝器10的上方。如此设置，能够通过一个驱动装置同时控制多个收集棒20的旋转。而且，收集棒倾斜设置，既能节约空间，又能调节纤维卷绕的交错度，从而得到结构更丰富的纤维气凝胶。

特别地，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，收集棒20的另一端与环状加热壁30的内壁固定连接，用于带动环状加热壁30的旋转，以通过热对流提高固化效果。

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，同时驱动收集棒旋转，以使纤维以蓬松状卷绕于收集棒上，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80-130℃，以使交错点处的纤维软化粘结。

纺丝液为纺丝溶液或熔融纺丝液；纺丝液的原料为聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸或聚酯。当为熔融纺丝液时，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，纺丝液为质量分数为18％-25％的聚丙烯腈纺丝溶液；聚丙烯腈的分子量为85000-250000。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；收集棒的公转速度为0-200r/min，自转速度为0-500r/min；纤维气凝胶的固化温度为40-100℃。

将得到的聚丙烯腈纤维气凝胶进行预氧化和碳化处理，得到碳纤维气凝胶，可用于吸附过滤领域。

实施例1

一种纤维气凝胶的离心纺制备方法，采用图1和2所示的装置，将熔融态聚丙烯腈置于离心纺喷丝器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3根收集棒20以60r/min的速度围绕喷丝器10旋转，以使聚丙烯腈纤维以蓬松状卷绕于收集棒20上，固化后得到聚丙烯腈纤维气凝胶。

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，22％的聚丙烯腈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60r/min的速度围绕喷丝器10旋转，以使聚丙烯腈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90℃，固化后得到聚丙烯腈纤维气凝胶。

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3根收集棒平铺，难以得到三维网络结构的多孔气凝胶。

实施例4-7

一种碳纤维气凝胶的离心纺制备方法，分别将实施例1至3级对比例1得到的纤维气凝胶进行预氧化和碳化处理，得到碳纤维气凝胶。

测试得到的纤维气凝胶对有机油类的吸附性能，

表1实施例1-7及对比例1的吸附性能

从表1可以看出，碳化处理后的气凝胶较碳化前吸附容量大幅度提升，同时都保持着较高的孔隙率和较小的体积密度，说明得到的纤维气凝胶具有多孔和质轻的特点，能够用于吸附过滤领域。而且，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，使得其在使用过程中，三维立体网络结构不易因为外界环境的影响而坍塌，保型性较好，使用寿命较长。本发明通过利用离心纺丝的高速旋转特点，对其收集装置进行简单改进，从而与离心喷出的纤维实现高度配合，进而实现纤维气凝胶的一步法批量制备，应用价值高。

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，通过设置与喷丝器同步旋转的收集棒，使纤维呈高度蓬松状态缠绕于收集棒上，并同步固化，形成三维立体多孔网络结构的纤维气凝胶，具有低密度、高孔隙率等特点，可用于吸附过滤领域，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。