专利名称：制备定向碳纳米管增强聚合物纳米纤维的静电纺丝装置的制作方法碳纳米管(CNTs)于1991年被日本学者Iijima发现，由于其具有非常大的长径比和优良的力学、电学、热学等性能，故可以作为纳米纤维增强体和导电纤维添加材料，尤其 是当CNTs在聚合物基体中高度定向排列时，其上述性能将会得到更加充分有效的发挥。Sundaray等通过静电纺丝工艺实现了 CNTs在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等聚 合物基纳米纤维中的初步定向排列(Bibekananda Sundaray, et a 1. APPLI-ED PHYSICS LETTERS. 2006，88，143114)，即通过使带电荷的高分子溶液或熔体在静电场中流动与变形， 然后经溶剂蒸发或冷却而固化而得到纤维状物质，制备出纳米级纤维。但其所得的聚合物 基纳米纤维中的CNTs的定向排列度不高；而且在静电纺丝过程中，当溶液或熔体的浓度过 低、黏度过小时，会使得到的聚合物基纳米纤维的表面形貌不光滑，易出现孔洞、串珠状结 构且纤维易粘连在一起，同时所得的纤维的直径分布不均。
本发明的目的是实现CNTs在聚合物基纳米纤维中的高度定向排列，得到表面形 貌光滑、无孔洞且直径分布均勻的聚合物基纳米纤维。本发明解决上述问题采用的技术方案是制备定向碳纳米管增强聚合物纳米纤维 的静电纺丝装置，包括有储液装置2，连接在储液装置2下的石英毛细管定向装置，由转轴 连接的圆盘状转动收集板5和电机M1,石英毛细管定向装置和圆盘状转动收集板5之间对 应连接有高压直流电源6，石英毛细管定向装置中的石英毛细管3 —端与储液装置2连接， 另一端装有嵌入细铜丝4a的钢质喷丝头4。本发明的技术解决方案中所述钢质喷丝头4的长度为30mm、钢制外层4b厚 100 μ m，钢质喷丝头4的内径4c略大于石英毛细管3的外径，钢质喷丝头4内嵌有四根细 铜丝4a，钢质喷丝头4与石英毛细管3连接处的钢质喷丝头4外壁上有电源接入口 4d。本发明的技术可解决方案中所述的石英毛细管3的内径为200μπι 300μπκ长 度为2m 5m，石英毛细管3外部包裹有50 μ m厚度的聚酰胺涂层。本发明的技术解决方案中所述的储液装置2上设有增压装置1。本发明的技术解决方案中所述的圆盘状转动收集板5厚度为5mm、外部附有铝 膜，圆盘状转动收集板5在工作时，圆盘状转动收集板5边缘的线速度为5m/s 45m/s，与 钢质喷丝头4之间的距离为IOcm 20cm。本发明的技术解决方案中所述的高压直流电源6的正极用导线与钢质喷丝头4 的电源接入口 4d连接，高压直流电源6的负极用导线与圆盘状转动收集板5连接。发明的技术解决方案中所述的细铜丝4a的直径均为20 μ m，在钢质喷丝头4的 喷丝口端平行排列、相互分离，并伸出钢质喷丝头4的喷丝口 2mm，细铜丝4a在与钢质喷丝头4的喷丝口端相对的另一端伸出且固定在钢质喷丝头4的外壁，同钢质喷丝头4的电源 接入口 4d连接。与现有技术相比，本发明具有以下特点1.本发明在静电纺丝过程中采用电场和流场形成的组合物理场，提高了聚合物基 纳米纤维中CNTs定向度。即在静电纺丝装置的储液装置2和电源6之间添加超长的石英毛细管定向装置， 使静电纺丝溶液或熔体以Poiseuille流的形式通过石英毛细管3部分，毛细管中心处的 流速高，靠近毛细管壁处流速低。在此过程中，由于流速梯度的存在，使CNTs只有在沿流 线方向排列时，所受转动力矩才等于零。同时，根据求解Fokker-Planck方程分析，流速 梯度场的流程越长，CNTs沿流速方向取向优势越明显。本发明选用长度为2m-5m，内径 200 μ m-300 μ m的石英毛细管3时，可以保证在进行静电纺丝前，CNTs已经预先取得一定的 取向优势，从而提高了其在最终产物中的定向程度。2.本发明在静电纺丝过程中，a.利用细铜丝使喷丝口附近的电场线更加集中，减 小喷丝的临界电压；b.利用纺丝溶液或熔体与铜丝间的毛细作用，使泰勒锥产生于细铜丝 尖端，减小实际喷丝头口径和泰勒锥底面直径，以得到更细的CNTs增强复合纳米纤维。图1为改进型静电纺丝设备结构示意图，图2为嵌入有细铜丝的喷丝头结构示意 图，图3为石英毛细管的截面图，图4为图2中嵌入有细铜丝的钢质喷丝头AB面的截面图， 图5为CNTs/PMMA聚合物基纳米纤维的SEM照片，图6为CNTs/PMMA聚合物基纳米纤维的 TEM照片。 图6所示为所得CNTs/PMMA聚合物基纳米纤维的TEM照片。
本发明所述的钢质喷丝头(4)通过导线与高压直流电源6正极端相连、圆盘状转动收集板5通过导线与高压直流电源6负极端相连，当高压直流电源6打开时，在钢质喷丝 头6与圆盘状转动收集板5之间产生静电电场。当产生静电电场后，增压装置1提供压力使储液装置2中的纺丝溶液或熔体流经 石英毛细管3时有一个流场分布且CNTs在流场中受转动力矩作用，即在流场中CNTs所受 转动力矩正比于CNTs与流线夹角正弦值的平方，并且CNTs在流场中的空间取向分布服从 Fokker-Planck方程，从而使CNTs在静电纺丝前预先获得空间取向优势。本发明所述的圆盘状转动收集板5，采用的是5mm宽且外部附有铝膜的窄收集板， 以进一步约束纺丝区域内的电场，实现复合纳米纤维的定向有序收集。本发明所述圆盘状转动收集板5工作时表面的线速度为5m/s 45m/s可调。在 开始静电纺丝时，通过不同电机M1的选择，使圆盘状转动收集板5表面的线速度与射流沉 积时溶剂或熔体的挥发速度相匹配，进而得到缠绕在圆盘边缘处的定向排列纤维。本发明所述圆盘状转动收集板5与钢质喷丝头4之间的距离为IOcm 20cm，在静 电纺丝时，通过调节圆盘状转动收集板5与钢质喷丝头4之间的距离，使所选择的熔剂或熔 体在射流沉积时，能够在相应的电场作用力下获得足够的空中运行时间，最终获得充分挥 发成型的，形貌光滑、无孔洞且直径分布均勻的高度定向排列的纳米纤维。下面提供利用上述改进静电纺丝装置制备高度定向CNTs增强复合纳米纤维的方 法实施例将单壁碳纳米管(SWNTs)提纯后，取0. Ig产物加入33ml 二甲基甲酰胺(DMF)中， 超声分散1小时，然后加入2g聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA，平均分子量大于1000000)颗粒， 搅拌分散48小时后注入上述设备的储液装置中，流经内径为200 μ m-300 μ m、长度为2m 5m的石英毛细管到钢质喷丝头，调节高压直流电源电压值约15kV，打开电机使圆盘状转动 收集板表面的线速度达到5m/s-45m/s，圆盘状转动收集板的直径为140mm，喷丝头与收集 板间距离为10cm，以2mL/h的恒定流速进行纺丝，最后可得直径小于lOOnm，表面光滑的超 长纳米纤维，如图5，图6所示。


制备定向碳纳米管增强聚合物纳米纤维的静电纺丝装置，其目的是实现CNTs在聚合物基纳米纤维中的高度定向排列，得到表面形貌光滑、无孔洞且直径分布均匀的聚合物基纳米纤维，包括有储液装置2，连接在储液装置2下的石英毛细管定向装置，由转轴连接的圆盘状转动收集板5和电机M1，石英毛细管定向装置和圆盘状转动收集板5之间对应连接有高压直流电源6，石英毛细管定向装置中的石英毛细管3一端与储液装置2连接，另一端装有嵌入细铜丝4a的钢质喷丝头4。