本发明公开了一种熔体磁纺丝装置及利用该装置制备微纳米纤维的方法，该装置包括可控制给料速率可加热的给料装置，纺丝喷头，喷头驱动机构和纺丝接收装置，所述纺丝接收装置包括水平收集圆盘，收集圆盘的底部圆心处与直流无刷电机的输出轴对接联动，收集圆盘上表面以圆盘中心轴线为对称轴对称设置多个竖直支柱，其中1个竖直支柱为永磁铁，其余为金属细针，所述纺丝喷头水平设置，纺丝喷头的喷射口指向纺丝接收装置的永磁铁，所述纺丝喷头连接可带动其在竖直方向上做往复运动的喷头驱动机构。该装置使用过程中无需高压电作用，有效降低生产成本和安全隐患，且制得的纤维排布有序，产量高适合大规模生产，所得微纳米纤维具有很好的应用前景。
1.一种熔体磁纺丝装置，其特征在于，包括可控制给料速率可加热的给料装置，纺丝喷头，喷头驱动机构和纺丝接收装置，所述给料装置设置有加热熔融高分子材料的加热部件，所述纺丝接收装置包括水平设置的收集圆盘，所述收集圆盘的底部圆心处与直流无刷电机的输出轴对接联动，直流无刷电机电连接电源和控制电机转速的电机控制器，所述收集圆盘上表面以圆盘中心轴线为对称轴对称设置多个竖直支柱，所述竖直支柱至少为3个，竖直支柱中1个为永磁铁，其余为金属细针，所述纺丝喷头水平设置，纺丝喷头的喷射口指向纺丝接收装置的永磁铁，所述纺丝喷头连接可带动其在竖直方向上做往复运动的喷头驱动机构，所述纺丝喷头与供给纺丝液的给料装置相连。
2.如权利要求1所述的一种熔体磁纺丝装置，其特征在于，所述给料装置为单螺杆挤出机，所述单螺杆挤出机通过三段加热，喂料段温度为80℃～200℃、塑化段温度在85℃～205℃、均化段温度在90℃～210℃，所述单螺杆挤出机的机头通过输液管连接纺丝喷头。
3.如权利要求1所述的一种熔体磁纺丝装置，其特征在于，所述竖直支柱为4个，其中1个为永磁铁，3个为金属细针。
4.如权利要求1所述的一种熔体磁纺丝装置，其特征在于，所述喷头驱动机构为直线电机及其控制器。
5.利用权利要求1至4中任一种熔体磁纺丝装置制备微纳米纤维的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)物料混合：将磁性纳米颗粒和高分子聚合物充分搅拌混合，得混合物；
(2)微纳米纤维的制备：将步骤(1)所得混合物加入给料装置中，开启给料装置，设置加热部件的加热温度，磁性纳米颗粒和高分子聚合物在高温作用下熔融成磁流体纺丝液，调整给料装置的给料速率，磁流体纺丝液进入纺丝喷头，在纺丝喷头喷射口处形成液滴，纺丝喷头喷射口处的磁流体纺丝液液滴在磁场力的作用下形成射流与永磁铁搭连成桥，此时打开喷头驱动机构开关和直流无刷电机的电机控制器开关，调节电机转速，直流无刷电机带动收集圆盘旋转，在磁场力作用下磁流体纺丝液射流不断被拉出，在收集圆盘的竖直支柱间缠绕形成有序磁性微纳米纤维。
6.如权利要求5所述的利用熔体磁纺丝装置制备微纳米纤维的方法，其特征在于，步骤(1)所述的高分子聚合物是聚氧化乙烯、聚偏氟乙烯、聚己内酯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、乙烯-醋酸乙烯共聚物中的一种或多种；步骤(1)所述的磁性纳米颗粒是γ-Fe2O3、Fe3O4、钴、镍中的一种，或者为多种磁性元素的复合磁性纳米颗粒。
7.如权利要求5所述的利用熔体磁纺丝装置制备微纳米纤维的方法，其特征在于，步骤(2)中使用的给料装置为单螺杆挤出机，将步骤(1)所得的混合物从料斗加入单螺杆挤出机中，启动单螺杆挤出机，设定喂料段温度、塑化段温度、均化段温度和螺杆转速，磁性纳米颗粒和高分子聚合物在三段加热的过程中熔融成磁流体纺丝液，在单螺杆的挤出推动作用下混匀形成磁流体纺丝液并从机头挤出，并通过与机头相连的输液管进入纺丝喷头在纺丝喷头喷射口处形成液滴，纺丝喷头喷射口处的磁流体纺丝液液滴在磁场力的作用下形成射流与永磁铁搭连成桥，此时打开喷头驱动机构开关和直流无刷电机的电机控制器开关，调节电机转速，直流无刷电机带动收集圆盘旋转，在磁场力作用下磁流体纺丝液射流不断被拉出，在收集圆盘的竖直支柱间缠绕形成有序磁性微纳米纤维。
8.如权利要求7所述的利用熔体磁纺丝装置制备微纳米纤维的方法，其特征在于，所述步骤(1)物料混合为将质量比为43:57的Fe3O4磁性纳米颗粒和聚己内酯充分搅拌混合，所述Fe3O4磁性纳米颗粒的直径为20纳米，所述聚己内酯的分子量为100000；步骤(2)中使用的单螺杆挤出机中单螺杆直径为20毫米，其长径比为25，设定单螺杆挤出机的喂料段温度为80℃、塑化段温度为85℃、均化段温度为90℃，螺杆转速为50转/分钟，调节纺丝喷头喷射口与永磁铁间距为6.5毫米，直流无刷电机转速为300转/分钟，纺丝时间为20分钟。
9.如权利要求7所述的利用熔体磁纺丝装置制备微纳米纤维的方法，其特征在于，所述步骤(1)物料混合为将质量比为3:7的Fe3O4磁性纳米颗粒和乙烯-醋酸乙烯共聚物充分搅拌混合，所述Fe3O4磁性纳米颗粒的直径为20纳米，所述乙烯-醋酸乙烯共聚物的分子量为
2000；步骤(2)中使用的单螺杆挤出机中单螺杆直径为20毫米，其长径比为25，设定单螺杆挤出机的喂料段温度为110℃、塑化段温度为115℃、均化段温度为120℃，螺杆转速为60转/分钟，调节纺丝喷头喷射口与永磁铁间距为6.5毫米，直流无刷电机转速为500转/分钟，纺丝时间为20分钟。
10.如权利要求5所述的利用熔体磁纺丝装置制备微纳米纤维的方法，其特征在于，还包括步骤(3)后期处理：用酸性溶液浸泡氧化步骤(2)所得的磁性微纳米纤维溶解去除复合纤维中的磁性纳米颗粒，即可以得到不含磁性颗粒的聚合物微纳米线。
一种熔体磁纺丝装置及利用该装置制备微纳米纤维的方法
技术领域
[0001] 本发明属于纳米纤维制备新技术领域，特别涉及一种利用交变磁场力和拉伸力完全取代电场力的新型熔体磁纺丝装置及利用该装置制备微纳米纤维的方法。
背景技术
[0002] 与传统纳米材料相比，一维纳米材料(如纳米线、纳米棒、纳米管等)具有巨大的比表面积、较大的长度/直径比、以及不同于大块样品的电、磁、力、热、光等物理化学性质，在纳米电子器件、空气过滤、传感器以及生物医学等诸多领域有着广阔的应用。随着纳米纤维材料在各领域应用技术的不断发展，纳米纤维材料的制备技术也得到了进一步的开发与研究。目前聚合物纳米纤维的制备技术主要包括模板聚合、相分离、自组装和纺丝加工法(包括熔喷法、静电纺丝法、拉伸法、双组分复合纺丝法)等，不同的制备技术具有其自身优势和其相对局限性。随着纳米科技的发展，静电纺丝法以其加工设备简单、原料来源广泛、纺丝工艺可控等诸多优点，受到国内外的广泛研究报道。静电纺丝技术分为溶液静电纺丝和熔体静电纺丝，其中熔体静电纺丝在提高纺丝产量，拓展纤维应用领域等方面有着传统溶液静电纺丝无法比拟的巨大优势：(1)熔体静电纺丝过程无需有机溶剂，减少溶剂挥发造成危害的同时，降低生产成品；(2)产品转化率高，避免溶剂的残留问题。
[0003] 近年来，开发和完善熔体静电纺丝技术已经电纺研究热点之一。熔体静电纺丝虽然早在1936年Charles Norton等人的专利中就已提出，但是由于制备的纤维直径较大以及需要加热装置等原因，直到1981年才有相关的研究论文出现，进入21世纪之后，真正掀起熔体静电纺丝技术的研究热潮。当前熔体静电纺丝技术存在的主要问题：一是聚合物熔体的粘性大于其溶于溶剂后的粘性，意味着熔体静电纺丝需要更高的工作电压和温度；二是熔体电纺没有溶剂的挥发过程，制备的纤维较粗；三是熔体电纺需要额外的加热装置，一般采用电加热方式，极易导致电加热电路或金属元件同高压电极的击穿，从而终止纺丝过程。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对熔体静电纺丝装置结构复杂，高压电极易与加热电路击穿造成安全隐患等缺点，提供一种结构简单、操作安全的新型磁纺丝装置，该装置利用交变磁场力结合拉伸力完全取代电场力对聚合物熔体进行拉伸纺丝制备微纳米纤维。
[0005] 为了实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
[0006] 一种熔体磁纺丝装置，包括可控制给料速率可加热的给料装置，纺丝喷头，喷头驱动机构和纺丝接收装置，所述给料装置设置有加热熔融高分子材料的加热部件，所述纺丝接收装置包括水平设置的收集圆盘，所述收集圆盘的底部圆心处与直流无刷电机的输出轴对接联动，直流无刷电机电连接电源和控制电机转速的电机控制器，所述收集圆盘上表面以圆盘中心轴线为对称轴对称设置多个竖直支柱，所述竖直支柱至少为3个，竖直支柱中1个为永磁铁，其余为金属细针，所述纺丝喷头水平设置，纺丝喷头的喷射口指向纺丝接收装置的永磁铁，所述纺丝喷头连接可带动其在竖直方向上做往复运动的喷头驱动机构，所述纺丝喷头与供给纺丝液的给料装置相连。
[0007] 进一步的，所述给料装置为单螺杆挤出机，所述单螺杆挤出机通过三段加热，喂料段温度为80℃～200℃、塑化段温度在85℃～205℃、均化段温度在90℃～210℃，所述单螺杆挤出机的机头通过输液管连接纺丝喷头。
[0008] 进一步的，所述竖直支柱为4个，其中1个为永磁铁，3个为金属细针。
[0009] 进一步的，所述喷头驱动机构为直线电机及其控制器。
[0010] 本发明还公开了利用所述的新型熔体磁纺丝装置制备微纳米纤维的方法，包括以下步骤：
[0011] (1)物料混合：将磁性纳米颗粒和高分子聚合物充分搅拌混合，得混合物；
[0012] (2)微纳米纤维的制备：将步骤(1)所得混合物加入给料装置中，开启给料装置，设置加热部件的加热温度，磁性纳米颗粒和高分子聚合物在高温作用下熔融成磁流体纺丝液，调整给料装置的给料速率，磁流体纺丝液进入纺丝喷头，在纺丝喷头喷射口处形成液滴，纺丝喷头喷射口处的磁流体纺丝液液滴在磁场力的作用下形成射流与永磁铁搭连成桥，此时打开喷头驱动机构开关和直流无刷电机的电机控制器开关，调节电机转速，直流无刷电机带动收集圆盘旋转，在磁场力作用下磁流体纺丝液射流不断被拉出，在收集圆盘的竖直支柱间缠绕形成有序磁性微纳米纤维，喷头驱动机构开启后带动纺丝喷头在竖直方向上做往复运动，可使纺丝在竖直支柱间均匀缠绕，而不聚集在一个位置互相缠绕粘连影响纺丝质量。
[0013] 进一步的，步骤(1)所述的高分子聚合物是聚氧化乙烯、聚偏氟乙烯、聚己内酯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、乙烯-醋酸乙烯共聚物中的一种或多种；步骤(1)所述的磁性纳米颗粒是γ-Fe2O3、Fe3O4、钴、镍中的一种，或者为多种磁性元素的复合磁性纳米颗粒。
[0014] 进一步的，步骤(2)中使用的给料装置为单螺杆挤出机，将步骤(1)所得的混合物从料斗加入单螺杆挤出机中，启动单螺杆挤出机，设定喂料段温度、塑化段温度、均化段温度和螺杆转速，磁性纳米颗粒和高分子聚合物在三段加热的过程中熔融成磁流体纺丝液，在单螺杆的挤出推动作用下混匀形成磁流体纺丝液并从机头挤出，并通过与机头相连的输液管进入纺丝喷头在纺丝喷头喷射口处形成液滴，纺丝喷头喷射口处的磁流体纺丝液液滴在磁场力的作用下形成射流与永磁铁搭连成桥，此时打开喷头驱动机构开关和直流无刷电机的电机控制器开关，调节电机转速，直流无刷电机带动收集圆盘旋转，在磁场力作用下磁流体纺丝液射流不断被拉出，在收集圆盘的竖直支柱间缠绕形成有序磁性微纳米纤维。
[0015] 进一步的，所述步骤(1)物料混合为将质量比为43:57的Fe3O4磁性纳米颗粒和聚己内酯充分搅拌混合，所述Fe3O4磁性纳米颗粒的直径为20纳米，所述聚己内酯的分子量为100000；步骤(2)中使用的单螺杆挤出机中单螺杆直径为20毫米，其长径比为25，设定单螺杆挤出机的喂料段温度为80℃、塑化段温度为85℃、均化段温度为90℃，螺杆转速为50转/分钟，调节纺丝喷头喷射口与永磁铁间距为6.5毫米，直流无刷电机转速为300转/分钟，纺丝时间为20分钟。
[0016] 进一步的，所述步骤(1)物料混合为将质量比为3:7的Fe3O4磁性纳米颗粒和乙烯-醋酸乙烯共聚物充分搅拌混合，所述Fe3O4磁性纳米颗粒的直径为20纳米，所述乙烯-醋酸乙烯共聚物的分子量为2000；步骤(2)中使用的单螺杆挤出机中单螺杆直径为20毫米，其长径比为25，设定单螺杆挤出机的喂料段温度为110℃、塑化段温度为115℃、均化段温度为120℃，螺杆转速为60转/分钟，调节纺丝喷头喷射口与永磁铁间距为6.5毫米，直流无刷电机转速为500转/分钟，纺丝时间为20分钟。
[0017] 进一步的，还包括步骤(3)后期处理：用酸性溶液浸泡氧化步骤(2)所得的磁性微纳米纤维溶解去除复合纤维中的磁性纳米颗粒，即可以得到不含磁性颗粒的聚合物微纳米线。
[0018] 本发明的有益效果为：本发明提供了一种熔体磁纺丝装置，该装置利用交变磁场力作用，拉伸含聚合物熔体的射流进行纺丝，整个过程无需高压电作用，有效降低生产成本和安全隐患，且制得的纤维排布有序，产量高适合大规模生产，所得微纳米纤维具有很好的应用前景。具体而言：
[0019] (1)本发明装置操作方便，所需设备简单易得，仅由螺杆挤出机、加热器和旋转永磁铁便可搭建纺丝装置；操作安全，由磁场力结合拉伸力完全替代电场力，克服了高压静电的危险，纺丝过程安全环保无污染，便于推广应用。
[0020] (2)本发明工艺流程简单、纺丝成本低廉，对生产设备要求低，可根据需求增加纺丝喷头数目，实现工业化批量生产微纳米纤维。
[0021] (3)本发明制备的磁性微纳米纤维直径分布均匀，具有良好的磁性，制备的有序磁性微纳米纤维可广泛应用在靶向药物载体、肿瘤磁热疗、生物活性物质检测等领域。
[0022] (4)本发明得到的磁性微纳米纤维经过简易处理，即可除去纤维中的磁性纳米颗粒获得多孔纤维。
附图说明
[0023] 图1为本发明的熔体磁纺丝装置主体结构示意图；
[0024] 图2为本发明制备的有序聚偏氟乙烯磁性微纳米纤维的光学显微镜照片；
[0025] 图中：1-单螺杆挤出机，2-料斗，3-机头，4-输液管，5-纺丝喷头，6-直线电机，7-永磁铁，8-金属细针，9-收集圆盘，10-直流无刷电机，11-电机控制器。
具体实施方式
[0026] 根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
[0027] 实施例1
[0028] 如图1所示，一种熔体磁纺丝装置，包括可控制给料速率可加热的给料装置，纺丝喷头5，喷头驱动机构和纺丝接收装置，所述给料装置设置有加热熔融高分子材料的加热部件，所述纺丝接收装置包括水平设置的收集圆盘9，所述收集圆盘9的底部圆心处与直流无刷电机10的输出轴对接联动，直流无刷电机10电连接电源和控制电机转速的电机控制器11，所述收集圆盘9上表面以圆盘中心轴线为对称轴对称设置多个竖直支柱，所述竖直支柱至少为3个，竖直支柱中1个为永磁铁7，其余为金属细针8，所述纺丝喷头5水平设置，纺丝喷头5的喷射口指向纺丝接收装置的永磁铁7，所述纺丝喷头5连接可带动其在竖直方向上做往复运动的喷头驱动机构，所述纺丝喷头5与供给纺丝液的给料装置相连。
[0029] 具体而言，所述给料装置为单螺杆挤出机1，所述单螺杆挤出机1通过三段加热，喂料段温度为80℃～200℃、塑化段温度在85℃～205℃、均化段温度在90℃～210℃，所述单螺杆挤出机的机头3通过输液管4连接纺丝喷头5。所述竖直支柱为4个，其中1个为永磁铁7，3个为金属细针8。所述喷头驱动机构为直线电机6及其控制器。
[0030] 实施例2
[0031] 使用实施例1的熔体磁纺丝装置制备微纳米纤维的方法，包括以下步骤：
[0032] (1)物料混合：将质量比为43:57的Fe3O4磁性纳米颗粒和聚己内酯充分搅拌混合，所述Fe3O4磁性纳米颗粒的直径为20纳米，所述聚己内酯的分子量为100000；
[0033] (2)微纳米纤维的制备：将步骤(1)所得的混合物从料斗2加入单螺杆挤出机1中，启动单螺杆挤出机1，单螺杆直径为20毫米，其长径比为25，设定喂料段温度为80℃、塑化段温度为85℃、均化段温度为90℃，螺杆转速为50转/分钟，磁性纳米颗粒和高分子聚合物在三段加热的过程中熔融成磁流体纺丝液，在单螺杆的挤出推动作用下混匀形成磁流体纺丝液并从机头3挤出，并通过与机头3相连的输液管4进入纺丝喷头5在纺丝喷头5喷射口处形成液滴，调节纺丝喷头5喷射口与永磁铁7的最小间距为6.5毫米，纺丝喷头5喷射口处的磁流体纺丝液液滴在磁场力的作用下形成射流与永磁铁7搭连成桥，此时打开直线电机6开关和直流无刷电机10的电机控制器11开关，调节电机转速为300转/分钟，纺丝时间为20分钟，直流无刷电机带动收集圆盘旋转9，在磁场力作用下磁流体纺丝液射流不断被拉出，在收集圆盘9的竖直支柱间缠绕形成有序磁性微纳米纤维。
[0034] 实施例3：
[0035] 使用实施例1的熔体磁纺丝装置制备微纳米纤维的方法，包括以下步骤：
[0036] (1)物料混合：将质量比为3:7的Fe3O4磁性纳米颗粒和乙烯-醋酸乙烯共聚物充分搅拌混合，所述Fe3O4磁性纳米颗粒的直径为20纳米，所述乙烯-醋酸乙烯共聚物的分子量为2000；
[0037] (2)微纳米纤维的制备：将步骤(1)所得的混合物从料斗2加入单螺杆挤出机1中，启动单螺杆挤出机1，单螺杆直径为20毫米，其长径比为25，设定喂料段温度为110℃、塑化段温度为115℃、均化段温度为120℃，螺杆转速为60转/分钟，磁性纳米颗粒和高分子聚合物在三段加热的过程中熔融成磁流体纺丝液，在单螺杆的挤出推动作用下混匀形成磁流体纺丝液并从机头3挤出，并通过与机头3相连的输液管4进入纺丝喷头5在纺丝喷头5喷射口处形成液滴，调节纺丝喷头5喷射口与永磁铁7的最小间距为6.5毫米，纺丝喷头5喷射口处的磁流体纺丝液液滴在磁场力的作用下形成射流与永磁铁7搭连成桥，此时打开直线电机6开关和直流无刷电机10的电机控制器11开关，调节电机转速为500转/分钟，纺丝时间为20分钟，直流无刷电机带动收集圆盘旋转9，在磁场力作用下磁流体纺丝液射流不断被拉出，在收集圆盘9的竖直支柱间缠绕形成有序磁性微纳米纤维。
[0038] 实施例4：
[0039] 使用实施例1的熔体磁纺丝装置制备微纳米纤维的方法，包括以下步骤：
[0040] (1)物料混合：将质量比为3:7的Fe3O4磁性纳米颗粒和聚偏氟乙烯充分搅拌混合，所述Fe3O4磁性纳米颗粒的直径为20纳米，所述聚偏氟乙烯的分子量为270000；
[0041] (2)微纳米纤维的制备：将步骤(1)所得的混合物从料斗2加入单螺杆挤出机1中，启动单螺杆挤出机1，单螺杆直径为20毫米，其长径比为25，设定喂料段温度为200℃、塑化段温度为205℃、均化段温度为210℃，螺杆转速为40转/分钟，磁性纳米颗粒和高分子聚合物在三段加热的过程中熔融成磁流体纺丝液，在单螺杆的挤出推动作用下混匀形成磁流体纺丝液并从机头3挤出，并通过与机头3相连的输液管4进入纺丝喷头5在纺丝喷头5喷射口处形成液滴，调节纺丝喷头5喷射口与永磁铁7的最小间距为6毫米，纺丝喷头5喷射口处的磁流体纺丝液液滴在磁场力的作用下形成射流与永磁铁7搭连成桥，此时打开直线电机6开关和直流无刷电机10的电机控制器11开关，调节电机转速为300转/分钟，纺丝时间为20分钟，直流无刷电机带动收集圆盘旋转9，在磁场力作用下磁流体纺丝液射流不断被拉出，在收集圆盘9的竖直支柱间缠绕形成有序磁性微纳米纤维，所制得的有序聚偏氟乙烯磁性微纳米纤维的光学显微镜照片如图2所示。
[0042] 实施例5
[0043] 对实施例3所得的聚偏氟乙烯磁性微纳米纤维进行后期处理：将实施例3的步骤(2)所得的聚偏氟乙烯磁性微纳米纤维放入体积比为3:1的硫酸和硝酸的混合溶液中浸泡氧化，氧化温度80℃，时间为48小时，然后取出微纳米纤维分别用去离子水和酒精清洗6遍，真空110℃干燥，磁性颗粒即从纤维上去除，在磁性颗粒原本所在的位置留下纳米级的小孔，即可得到不含磁性颗粒的多孔聚偏氟乙烯微纳米线。
[0044] 以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
