本發(fā)明涉及一種利用高溫熔融靜電紡絲法制備拉脹長絲纖維的裝置、方法及用途，具體涉及一種高溫熔融靜電紡絲法制備具有電磁特性的拉脹碳纖維非織造布的裝置及用途，屬于產(chǎn)業(yè)用拉脹結(jié)構(gòu)材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

拉脹材料被稱為21世紀智能材料之一，柔性拉脹材料，如拉脹纖維、拉脹紗線等的應(yīng)用對智能紡織品的開發(fā)和應(yīng)用具有重要意義。近二三十年來，拉脹紡織品的研究引起了人們的關(guān)注。有關(guān)于拉脹纖維的制備集中于從改變高聚物內(nèi)部微結(jié)構(gòu)入手，如改進傳統(tǒng)熔融紡絲工藝，使高聚物長絲成形后內(nèi)部具有微孔，從而具備拉脹效應(yīng)，如授予alderson等人的auxeticfilamentarymaterials(美國專利，發(fā)明專利號u.s.2007/7247265b2)；關(guān)于拉脹紗線的制備則主要采用傳統(tǒng)正泊松比長絲通過螺旋結(jié)構(gòu)成形，使其在受軸向拉伸作用時，長絲組分由于模量不同而導致結(jié)構(gòu)變化，位置互換，表現(xiàn)為紗線的表觀直徑增大，如授予hook的usesofauxeticfibres(美國專利，發(fā)明專利號u.s.2011/8002879b2)，授予胡紅等人的一種負泊松比紗線結(jié)構(gòu)及其制造方法(發(fā)明專利號cn201210212844.3)；關(guān)于拉脹紡織品的應(yīng)用，可用于穿戴，如授予blakely等人的articlesofapparelwithauxeticfabrics(美國專利，發(fā)明專利號u.s.2014/0109286a1)，可用于過濾，如授予martin等人的filteringface-piecerespiratorhavinganauxeticmeshinthemaskbody(美國專利，發(fā)明專利號u.s.2015/8967147b2)，可用于沖擊防護，如授予rossow等人的blastcontrolblanket(美國專利，發(fā)明專利號u.s.2016/0040962a1)，授予eberlein等人的seatingunitwithauxeticsupport(美國專利，發(fā)明專利號u.s.2015/0320220a1)。

拉脹紡織品在過濾、生物醫(yī)用、個體防護等領(lǐng)域具有潛在的廣闊應(yīng)用，但目前非織造布在制備過程中主要基于對傳統(tǒng)紡絲工藝的改進，基本上都是低溫的熔融紡絲過程，且形成的非織造布為正泊松比結(jié)構(gòu)材料，故彈性回復性能差、塑性高；尤其是碳纖維非織造布的制備具有很好的實用性，但目前的碳纖維非織造布是通過對成形的碳纖維進行切割和機械梳理而成，不僅結(jié)構(gòu)難以控制，而且成形不穩(wěn)定，且不具有拉脹特性，纖維長度差異大、纖維的交叉和粘附力差。故為從關(guān)鍵技術(shù)上解決碳纖維的結(jié)構(gòu)堆砌和形態(tài)控制，更好地展示碳纖維電磁特性的展示，極為必要提出一種新的思路和方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的問題是提供一種能利用高溫熔融靜電紡絲法制備拉脹碳纖維非織造布的裝置。

為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種利用高溫熔融靜電紡絲法制備拉脹長絲纖維的裝置，其特征在于，包括依次連接的喂入機構(gòu)、加熱熔融機構(gòu)、拉脹靜電紡絲機構(gòu)、集束機構(gòu)及后處理機構(gòu)；從帶電噴嘴噴出的薄纖維片通過集束機構(gòu)形成拉脹非織造布；所述后處理機構(gòu)對形成的拉脹非織造布進行后處理，以提高拉脹非織造布的力學性能或賦予其功能性。

優(yōu)選地，所述拉脹靜電紡絲機構(gòu)包括與加熱熔融機構(gòu)的出料口連接的帶電噴嘴，帶電噴嘴與高壓電源連接，帶電噴嘴下方設(shè)有收集裝置，收集裝置表面具有拉脹結(jié)構(gòu)的圖案。

更優(yōu)選地，所述收集裝置上的拉脹結(jié)構(gòu)圖案，通過在拉脹紋路的桿上選用材料a，桿間的空隙選用鏤空或材料b，材料a與材料b為兩種不同電導率或不同磁導率的材料，實現(xiàn)桿上沉積的纖維集合體較硬、較厚、高取向，桿間的孔隙上沉積的纖維集合體較柔、較薄、低取向或無序排列。

更優(yōu)選地，所述收集裝置的表面的拉脹結(jié)構(gòu)的圖案是指能夠通過拉伸、彎曲、旋轉(zhuǎn)、平移、鉸接等變形機理作用形成拉脹效應(yīng)的圖案或結(jié)構(gòu)，為二維或三維拉脹結(jié)構(gòu)。

更優(yōu)選地，所述拉脹結(jié)構(gòu)的圖案為內(nèi)凹蜂窩、星形網(wǎng)絡(luò)、內(nèi)凹菱形、正十二面體、三角格柵、中心旋轉(zhuǎn)矩形、中心旋轉(zhuǎn)三角形、中心旋轉(zhuǎn)四面體、手性蜂窩、中心旋轉(zhuǎn)多面體、鉸接六角形、鉸接四邊形和鉸接三角形中的任意一種或幾種的組合。

優(yōu)選地，所述拉脹靜電紡絲機構(gòu)的靜電紡絲方式為單針頭式、多針頭式或無針式。

優(yōu)選地，所述集束機構(gòu)為針刺集束加固裝置、水刺集束加固裝置或熱軋集束加固裝置。

本發(fā)明還提供了一種采用上述利用高溫熔融靜電紡絲法制備拉脹長絲纖維的裝置制備拉脹長絲纖維的方法，其特征在于，將混有納米四氧化三鐵顆粒的碳纖維在經(jīng)過喂入機構(gòu)喂入加熱熔融機構(gòu)后，形成混合均勻的納米四氧化三鐵顆粒改性的碳纖維熔融液體，通過調(diào)節(jié)高壓電源的電壓改變帶電噴嘴的電壓場，并以磁場輔助，實現(xiàn)碳纖維熔融液體從帶電噴嘴噴出的碳纖維的取向度，最后通過后處理機構(gòu)進行后處理提高其力學性能或賦予其功能。

優(yōu)選地，所述加熱熔融機構(gòu)的溫度不低于1200℃。

優(yōu)選地，所述提高力學性能的后處理方法為熱處理法或化學法；所述賦予功能性的后處理方法為涂層法、浸漬法；所述后處理方法為提高力學性能的后處理方法和賦予功能性的后處理方法中的任意一種或幾種的組合。

本發(fā)明還提供了一種上述利用高溫熔融靜電紡絲法制備拉脹長絲纖維的裝置或制備拉脹長絲纖維的方法在生產(chǎn)具有電磁特性的碳纖維非織造布中的應(yīng)用，所制備的碳纖維非織造布具有拉脹性能。

優(yōu)選地，所述生產(chǎn)為連續(xù)化生產(chǎn)。

本發(fā)明的原理在于通過喂入裝置和加熱熔融裝置形成高聚物熔液，在拉脹靜電紡絲機構(gòu)中沉積到具有拉脹圖案的收集裝置表面形成薄的拉脹纖維片，采用集束機構(gòu)使薄纖維片形成拉脹非織造布，并通過后處理機構(gòu)提高力學性能或賦予其功能。拉脹的薄的纖維片構(gòu)筑拉脹結(jié)構(gòu)，使后處理之后的拉脹非織造布仍然具有拉脹性，提供拉脹非織造布的功能，避免了傳統(tǒng)拉脹非織造布制備過程中微孔的形成導致的力學性能下降；同時集束作用增強了纖維間的相互作用，增加了拉伸過程中受力纖維的根數(shù)，并依靠靜電紡絲形成的局部無序作用增加相互摩擦力，提高拉脹非織造布的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

①在喂入機構(gòu)末端加裝加熱熔融機構(gòu)，可以使碳纖維形成熔體，并可參雜電磁特性優(yōu)良的納米材料，便于熔體靜電紡絲，且不限于特殊的可形成微孔結(jié)構(gòu)的熔融高聚物，擴大拉脹纖維的高聚物范圍；

②傳統(tǒng)的碳纖維非織造布通過切割和機械梳理方式成網(wǎng)，導致纖維的力學性能大幅度下降；本裝置及方法中拉脹靜電紡絲機構(gòu)可以形成薄的拉脹碳纖維片，以結(jié)構(gòu)賦予最終拉脹性，形成的拉脹非織造布力學性能好；

③集束機構(gòu)增強纖維間的相互作用，可以改善拉脹非織造布的力學性能；后處理方式多種多樣，可賦予拉脹非織造布各種功能；

④本發(fā)明提供了一種制備拉脹非織造布的新方法，制備的具有拉脹效應(yīng)，并具有電磁特性，可以應(yīng)用于電磁屏蔽服裝、高溫電磁濾波過濾材料、光電材料、沖擊防護、傳感器、復合材料等領(lǐng)域，市場前景廣闊。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的利用高溫熔融靜電紡絲法制備拉脹長絲纖維的裝置；

圖2為實施例1制得的具有內(nèi)凹六角蜂窩拉脹結(jié)構(gòu)的非織造布的示意圖；

圖3為實施例2制得的具有星型網(wǎng)絡(luò)拉脹結(jié)構(gòu)的非織造布的示意圖；

圖4為實施例3制得的具有雙箭頭拉脹結(jié)構(gòu)的非織造布的示意圖；

圖中：1-喂入機構(gòu)；2-加熱熔融機構(gòu)；3-拉脹靜電紡絲機構(gòu)，31-帶電噴嘴、32-高壓電源、33-收集裝置、34-薄纖維片、35-拉脹非織造布；4-集束機構(gòu)；5-后處理機構(gòu)。

具體實施方式

為使本發(fā)明更明顯易懂，茲以優(yōu)選實施例，并配合附圖作詳細說明如下。

實施例1-5均采用本發(fā)明提供的一種利用高溫熔融靜電紡絲法制備拉脹長絲纖維的裝置，如圖1所示，該裝置由喂入機構(gòu)1、加熱熔融機構(gòu)2、拉脹靜電紡絲機構(gòu)3、集束機構(gòu)4和后處理機構(gòu)5構(gòu)成，加熱熔融機構(gòu)2置于喂入機構(gòu)1末端，為高聚物的熔融提供能量，為靜電紡絲熔液形成做準備；拉脹靜電紡絲機構(gòu)3置于加熱熔融機構(gòu)2下方，包括帶電噴嘴31、高壓電源32、收集裝置33，其收集裝置33表面具有拉脹結(jié)構(gòu)的圖案，高聚物熔液在拉脹靜電紡絲機構(gòu)3內(nèi)制備成具有拉脹結(jié)構(gòu)的薄纖維片34；集束機構(gòu)4將薄纖維片34集束形成拉脹非織造布35；后處理機構(gòu)5在集束機構(gòu)4之后，對形成的拉脹非織造布35進行后處理，以提高拉脹非織造布的力學性能或賦予其功能性。所述方法在于高聚物在經(jīng)過喂入機構(gòu)1末端時經(jīng)加熱熔融機構(gòu)2作用，形成熔液，通過拉脹靜電紡絲機構(gòu)3制成具有拉脹結(jié)構(gòu)的薄纖維片34，薄纖維片在集束機構(gòu)4作用下形成拉脹非織造布35，并通過后處理機構(gòu)5提高力學性能或賦予其功能。本發(fā)明制備的拉脹非織造布力學性能好(拉伸強度提升35％，壓縮柔軟、壓縮模量降低約12％，壓縮回復彈性提升約20％)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可用于服裝、過濾材料、光電材料、沖擊防護、傳感器、復合材料等領(lǐng)域。

實施例1

采用碳纖維單針頭熔融靜電紡絲，內(nèi)凹六角蜂窩結(jié)構(gòu)的收集裝置，制得的非織造布如圖2所示。

實施例2

采用碳纖維多針頭熔融靜電紡絲，采用星型網(wǎng)絡(luò)拉脹結(jié)構(gòu)的收集裝置，制得的非織造布如圖3所示。

實施例3

采用碳纖維無針頭熔融靜電紡絲，采用雙箭頭拉脹結(jié)構(gòu)的收集裝置，制得的非織造布如圖4所示。

實施例4

采用碳纖維多針頭熔融靜電紡絲，采用內(nèi)凹六角蜂窩結(jié)構(gòu)的收集裝置，制得的非織造布容實施例1。

實施例5

采用碳纖維多針頭熔融靜電紡絲，采用雙箭頭拉脹結(jié)構(gòu)的收集裝置，制得的非織造布同實施例3。