一种三维纳米纤维材料的制备装置及制备方法

本发明涉及一种三维纳米纤维材料的制备装置，还涉及采用上述装置的三维纳米纤维材料制备方法。

背景技术：

1、纳米纤维因其独特的物理化学特性，在环境过滤、能量存储转换、柔性电子、隔热防护等不同领域拥有众多现有且不断扩大的实际应用。为了推动纳米纤维材料向用户终端产品的进一步成功，必须发展更多先进的制造科学和技术，同时保证高质量、高生产率、低成本、易维护和高可靠性，满足工业要求。

2、传统的静电纺丝装置，利用针状喷嘴作为纳米纤维发生器，在高压电流的作用下拉伸成丝，在收集器上积聚成膜，形成高密度的二维无纺布，但应用于大规模生产，就会遇到如静电排斥、针易堵塞等问题，导致纺丝速度较慢，耗时长，纳米纤维生产效率低，也存在高电压的安全风险。引入高速气流作为从溶液中纺出超薄纤维的驱动力，能有效地帮助溶剂蒸发，留下高质量的干纤维，同时克服高压电场的电取向效应，易于形成三维纳米纤维结构，然而气纺纤维易飞散、损耗大，且极易产生珠粒和板结的情况，极大地影响制得纤维的孔隙率等性能。

技术实现思路

1、发明目的：本发明目的在于提供一种三维纳米纤维材料的制备装置，还提供采用上述装置进行的快速高效的三维纳米纤维材料制备方法。

2、技术方案：本发明的三维纳米纤维材料的制备装置，包括气动组件、纺丝组件和接收器，所述接收器为镂空的笼状结构，所述气动组件依次设有空压机、压力调节阀和气喷接头，纺丝组件依次设有控制器、注射泵、注射器和纺丝针头，所述纺丝针头作为气喷接头的内针组合连接，接收器设置在纺丝针头的出丝端。

3、其中，纺丝针头的出丝端与接收器之间设有用于鼓风的加热器。

4、其中，所述空压机和压力调节阀之间还设有连接缓冲储气罐和油水分离器，油水分离器接在空压机出气阀管道，将空压机产生气流时的水雾过滤排出，使输出的气流保持干燥。

5、其中，所述气动组件还设有气流管路接头，所述气流管路接头为一转二、一转三、一转四气多通道气管接头或单通道气管接头。

6、其中，所述纺丝针头的尺寸为21～25g，注射器的容积为5～50ml。

7、其中，所述接收器为开口的箱体、网格篮、纱网或任选二者组合。

8、上述装置的三维纳米纤维材料的制备方法，包括如下步骤：

9、(1)打开空压机电机开关，在系统中设定压力，使设定压力高于输出工作压力；拧开气阀主阀开关，旋转压力调节阀，调节为输出工作压力，气流正常稳定输出，打开加热器；

10、(2)按控制器设定参数运行注射泵，将纺丝液通过气流辅助喷射至接收器中，纤维在气流湍流中随机缠绕，快速交织形成三维结构的纳米纤维材料，在接收器内堆叠成得到立体块状的三维纳米纤维材料。

11、其中，所述空压机的输出压力在0.1-0.8mpa，纺丝环境温度为10～40℃，周边湿度为10～70％；

12、其中，纺丝针头供液的推进速度为2～50ml/h，纺丝针头与接收器之间的横向垂直距离为10～60cm，纺丝针头与接收器底部的纵向高度为5～20cm。

13、其中，所述纺丝液为氧化硅或氧化铝前驱液。

14、发明原理：本发明的三维纳米纤维材料的制备装置，将镂空笼状结构的接收器作为连接纺丝针头的接收装置，镂空的笼状结构底部和筒壁为均匀分布的网格眼，利于高速气流在成丝后快速流通，疏导气流路径，同时笼状环境可利于纤维在笼内连结缠绕，自主形成三维结构；同时在纺丝针头的出丝端与接收器之间设有用于鼓风的加热器，加热器一方面加热快速挥发溶剂得到干纤维，一方面形成空气流动，改变气流的流动形成湍流效果，湍流场使得纳米纤维在空间中沿复杂轨迹运动，随机相互缠绕，形成三维纳米纤维气凝胶，接收器和加热器协同作用，有效克服传统静电纺丝技术对温度、湿度的严格要求，扩大生产环境场地的适应条件，益于纳米纤维的高效生产。利用空气吹制作为动力，使得纳米纤维以复杂的轨迹相互缠绕溶，更有效地将纳米纤维制备成三维气凝胶结构，使纤维生产的量级增大，以高效高产的方式快速制造纳米纤维，实现纳米材料的规模化生产。

15、采用该装置制得的纤维材料，结合煅烧工艺可制备出多种形貌和材质的三维纳米纤维气凝胶材料，该制法具有高效、高速、安全、便捷和低成本的特点，为落地实现工业化、规模化生产提供了有力支撑。

16、有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下优点：(1)本发明的装置，纺丝速度更快，效率更高，安全节能，有利于实现工业化、规模化生产，实现宏量化快速高效制备高性能纳米纤维材料，满足多功能应用和复杂器件的需求；(2)制得的纳米纤维在接收器内随气流场随机缠绕、连续收集，具有低密度、高孔隙率、高表面积的性能。

技术特征：

1.一种三维纳米纤维材料的制备装置，其特征在于，所述装置包括气动组件、纺丝组件和接收器(1)，所述接收器(1)为镂空的笼状结构，所述气动组件依次设有空压机(2)、压力调节阀(3)和气喷接头(5)，纺丝组件依次设有控制器(6)、注射泵(7)、注射器(8)和纺丝针头(9)，所述纺丝针头(9)作为气喷接头(5)的内针组合连接，接收器(1)设置在纺丝针头(9)的出丝端。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，纺丝针头(9)的出丝端与接收器(1)之间设有用于鼓风的加热器(4)。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述空压机(2)和压力调节阀(3)之间还设有连接缓冲储气罐(10)和油水分离器(11)。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气动组件还设有气流管路接头(12)，所述气流管路接头(12)为多通道气管接头或单通道气管接头。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述纺丝针头(9)的尺寸为21～25g，注射器(8)的容积为5～50ml。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述接收器(1)为开口的箱体、网格篮、纱网或任选二者组合。

7.一种使用权利要求1所述装置的三维纳米纤维材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述空压机的输出压力在0.1-0.8mpa，纺丝环境温度为10～40℃，周边湿度为10～70％。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，纺丝针头供液的推进速度为2～50ml/h，纺丝针头与接收器之间的横向垂直距离为10～60cm，纺丝针头与接收器底部的纵向高度为5～20cm。

10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述纺丝液为氧化硅或氧化铝前驱液。

技术总结本发明公开了一种三维纳米纤维材料的制备装置及制备方法，所述装置包括气动组件、纺丝组件和接收器，所述接收器为镂空的笼状结构，所述气动组件依次设有空压机、压力调节阀和气喷接头，纺丝组件依次设有控制器、注射泵、注射器和纺丝针头，所述纺丝针头作为气喷接头的内针组合连接，接收器设置在纺丝针头的出丝端，纺丝针头的出丝端与接收器之间设有用于鼓风的加热器；本发明利用气流吹纺的方法，搭建气喷纺丝装置，实现三维纳米纤维材料的高效宏量制备。技术研发人员：代云茜,赵梓剑,李姝璟,王云鹏,周舟,孙岳明受保护的技术使用者：东南大学技术研发日：技术公布日：2024/4/29