一种定向单根聚合物纤维及其制备方法

本发明涉及材料科学与工程，具体涉及一种定向单根聚合物纤维及其制备方法。

背景技术：

1、在自然界中，纤维广泛存在于植物内部，并在力学上发挥着结构性作用。此外，纤维也可由特定动物生产用于特定的应用当中。例如，蜘蛛所生产的各种蜘蛛丝纤维可以具有各种功能应用，例如捕食或作为运动的牵引绳。随着人类社会的发展，如蚕丝、羊毛(动物纤维)、木棉和大麻(植物纤维)等天然纤维已被应用于人们的日常生活生产当中。随着工业革命的发展以及化学合成方面的进步，尼龙(pa)和凯斯夫拉等聚合物被发明并制作成纤维。除了直接作为纤维外，碳纤维和玻璃纤维可以制成用于增强的复合材料。尽管不同纤维的组成以及制备方法有所差异，但如何制备具有优异机械性能的纤维一直是一个热门的研究领域。

2、在纤维制造方面，纤维直径和排列是两个关键因素。然而，结合这些因素的结构优势需要改进纤维纺丝方法。工业方法，如湿法纺丝、干法纺丝、凝胶纺丝和熔融纺丝，生产速度相对较快，但纤维产品的直径通常为数十微米或数百微米。尽管直接从纺丝溶液制备非常简单，但由于其产率较低，因此很难具有较高的实用价值。而起源于20世纪40年代的静电纺丝，它可能是目前最成熟的纳米纤维加工方法。然而，由于静电纺丝射流本身的不可控性，静电纺丝所制备的纤维大多是以无纺布形式得到，用静电纺丝获得定向的单根超细纤维仍然是一个难题，这也限制了静电纺丝的应用范围。

3、因此，制备单根定向的极细纤维的方法还需要进一步优化，以求获得高度取向排列的极细的单根聚合物纤维。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：提供一种制备单根定向的极细纤维的方法，本发明提供了解决上述问题的一种定向单根聚合物纤维及其制备方法。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、一种定向单根聚合物纤维的制备方法，将前驱体纺丝溶液经供给装置持续输出、并牵引至卷绕接收装置处，通过控制供给速度和卷绕速度，至少克服输出的前驱体纺丝溶液液滴的表面张力以及保障溶剂挥发，最终实现在卷绕接收装置上连续卷绕形成定向单根聚合物纤维；定向单根聚合物纤维的直径为100nm-20μm；

4、控制供给速度与卷绕速度的比值为1:120-1:800；如1:150,1:180,1:200,1:300,1:350,1:400,1:450,1:500,1:550,1:600,1:700,1:800。更优选地，比值为1:200-1:700，更优选为为1:400-1:600。

5、所述供给速度为溶液供给装置每小时所供给溶液的体积，表示为ml/h；所述卷绕速度为卷绕接收装置每分钟旋转圈数，表示为r/min。

6、本发明将前驱体纺丝溶液进行牵引纺丝得到单根定向聚合物纤维，制备获得的定向单根聚合物纤维的直径为100nm-20μm。具体地，通过调整前驱体纺丝溶液的供给速率以及收集装置的卷绕接收速度，使得输出的前驱体纺丝溶液液滴可以克服表面张力形成稳定的细流，经过一段距离后，输出的前驱体纺丝溶液液滴被迅速高度牵伸和细化到微纳米级并伴随溶剂的快速挥发而最终沉积到收集装置成为聚合物纤维，并且能够进行连续的、定向的单根聚合物纤维的制备。

7、本发明供给速度和/或卷绕速度不仅影响能否通过牵引纺丝获得极细的定向单根聚合物纤维，还可以通过改变供给速度、或改变卷绕速度、或者同时改变供给速度和卷绕速度，获得不同直径大小的定向单根聚合物纤维。

8、进一步可选地，所述前驱体纺丝溶液的浓度为0.5wt％～20wt％，如0.6wt％、0.7wt％、0.8wt％、0.9wt％、1wt％、2wt％、3wt％、4wt％、5wt％、6wt％、7wt％、8wt％、9wt％、10wt％、11wt％、12wt％、13wt、14wt％、15wt％、16wt％、17wt％、18wt％、19wt％；更优选为0.5wt％～15wt％，更优选为0.5wt％～10wt％，更优选为0.5wt％～5wt％。

9、溶液浓度过低不利于溶剂挥发及纤维形成，溶液浓度过高则会影响纺丝纤维直径。

10、控制供给速度为0.1ml/h～10ml/h，如0.2ml/h、0.3ml/h、0.4ml/h、0.5ml/h、0.6ml/h、0.7ml/h、0.8ml/h、0.9ml/h、1ml/h、2ml/h、3ml/h、4ml/h、5ml/h、6ml/h、7ml/h、8ml/h、9ml/h；控制卷绕速度为1r/min～10000r/min，如5r/min、10r/min、20r/min、50r/min、100r/min、200r/min、300r/min、400r/min、500r/min、600r/min、700r/min、800r/min、900r/min。

11、进一步可选地，供给装置输出端直径为1μm～2mm，供给装置输出端至卷绕接收装置接收端的距离为0.2mm～5mm；

12、和/或控制环境温度为20℃～60℃，环境相对湿度为20％～60％。

13、进一步可选地，还包括，在卷绕过程中，控制卷绕接收装置沿卷绕轴线方向往复运动。

14、进一步可选地，控制卷绕接收装置往复运动速度为0.01cm/min～100cm/min。

15、往复运动速度会影响纤维在收集装置上的收集密度，即每根纤维之间的宽度。

16、进一步可选地，所述供给装置为提供所需射流速度的装置；包括注射泵。

17、进一步可选地，所述卷绕接收装置为具有中心对称结构的可旋转模具；包括滚筒、平板、矩形框架、多边形支架中一种。

18、本发明可通过注射泵控制前驱体纺丝溶液的供给速率；卷绕接收装置以一定的转速运动，将注射泵喷丝头所喷射的前驱体纺丝溶液液滴牵引至收集装置处搭建聚合物纤维的连接，卷绕接收装置带动聚合物纤维拉伸，往复移动卷绕接收装置，在卷绕接收装置收集具有较高的定向程度的单根聚合物纤维。

19、进一步可选地，所述前驱体纺丝溶液为高分子聚合物溶解在溶剂中获得。

20、进一步可选地，所述高分子聚合物包括聚间苯二甲酰间苯二胺、聚戊酸丁酸酯、聚苯胺、聚环氧乙烷、聚丙交酯、聚苯乙烯、聚丙烯腈、醋酸纤维素、聚己内酯、聚乙烯吡咯烷酮、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙二酸乙二醇酯、聚碳酸酯、尼龙、聚乙烯醇、聚乳酸、聚轻基丁酸酯、聚对苯二甲酰对苯二胺、聚3-轻基丁酸和3-轻基己酸共聚物、壳聚糖、聚氧化乙烯、透明质酸、明胶和胶原中的至少一种；

21、和/或所述溶剂包括水、n,n-二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、甲醇、甲酸、乙酸、乙醇、硫酸、二氯甲烷、三氯甲烷、丙酮、四氢呋喃、乙醚、二甲亚矾、三氟乙酸、六氟异丙醇和三氟乙醇中的一种或两种以上的组合。

22、一种定向单根聚合物纤维，采用上述的一种定向单根聚合物纤维的制备方法制备获得。

23、本发明具有如下的优点和有益效果：

24、本发明使用前驱体纺丝溶液直接牵引纺丝实现对卷绕接收装置上定向单根聚合物纤维的纺丝。本发明具有工艺简洁、生产连续、过程温和、成型快速、价格低廉以及产品尺寸无限制，力学性能优秀等优点。相对于传统静电纺丝技术，本发明具有显著的优势。

25、本发明将高分子聚合物溶解在溶剂中得到前驱体纺丝溶液，将前驱体纺丝溶液进行牵引纺丝得到单根定向聚合物纤维。

26、本发明得到单根超细纤维以及定向程度较高的单向纤维；本发明所得定向单根聚合物纤维的直径极细，可以达到100nm-20μm。