一种连续化生产柔性氧化物纳米纤维膜的装置及方法

1.本发明涉及一种连续化生产柔性氧化物纳米纤维膜的装置，还涉及基于上述装置连续化生产柔性氧化物纳米纤维膜的方法。

背景技术：

2.纺丝技术是一种可以快速获得多样化组成、结构和性能的超细纤维的强大技术，纺丝纤维在环境、能源及生物医学等领域应用广泛，纺丝及纤维后处理技术对实现纺丝纤维规模化、工业化生产具有重要意义。目前，利用纺丝技术获得纳米纤维膜后，往往需要将产物取下再置于马弗炉或管式炉中烧结后，才能获得柔性氧化物纳米纤维膜。采用上述方式制备柔性氧化物纳米纤维膜存在工序复杂及效率低下的问题。

技术实现要素：

3.发明目的：本发明针对现有技术中存在的工序复杂及效率低下的问题，提供一种连续化生产柔性氧化物纳米纤维膜的装置，打破原有生产阶段性的限制，提高效率，实现连续化制备柔性氧化物纳米纤维膜，本发明还提供基于上述装置连续化生产柔性氧化物纳米纤维膜的方法。
4.技术方案：本发明所述的连续化生产柔性氧化物纳米纤维材料的装置，所述装置包括传送模块、纺丝模块和烧结装置，所述传送模块由放卷机、成对设置的导轮、张力辊和收卷机组成；纺丝模块由高压电源、注射泵和纺丝针头组成；放卷机上的耐高温陶瓷纤维布依次绕过成对设置的导轮和张力辊，穿过烧结装置后被收卷机收卷；成对设置的导轮通过耐高温陶瓷纤维布传动连接，所述纺丝模块的纺丝针头位于成对设置导轮的正下方，纺丝针头喷射出来的纺丝液由耐高温陶瓷纤维布接收。
5.其中，还包括加湿器，加湿器也位于成对设置导轮的正下方，沿耐高温陶瓷纤维布的移动方向，加湿器设置于纺丝针头靠近收卷机的一侧。
6.其中，所述加湿器为蒸汽喷雾机或气喷加湿机。
7.其中，所述纺丝针头呈矩阵式排布或线性排布。
8.其中，所述烧结装置为平板加热炉、履带式低温连续热处理炉、纤维高温炉或磁力加热炉中的一种。
9.所述陶瓷纤维布还可以替换为耐高温的金属网或不锈钢网。
10.基于上述装置连续化生产柔性氧化物纳米纤维材料的方法，包括如下步骤：
11.(1)调节纺丝环境的湿度为20～60％rh，温度为10～40℃，预热加热炉的温度为600～900℃；纺丝针头的供液速度1.5～3.5ml/h、纺丝针头与耐高温陶瓷纤维布之间的垂直距离为5～25cm；耐高温陶瓷纤维布的移动速度为0.5～2cm/min；
12.(2)打开高压电源开关，转动电压调节旋钮，使电压超过前驱液阈值，在电场作用下，针头处的液滴会由球形变为圆锥形，即“泰勒锥”，并从圆锥尖端延展拉伸得到纤维细丝。纺丝前驱液通过纺丝针对喷射至耐高温陶瓷纤维布上，形成纤维膜，负载纤维膜的耐
高温陶瓷纤维布经过张力辊(张力辊保证纤维膜具有一定的平整性)后穿过烧结装置，纤维膜在烧结装置中快速烧结后被收卷机收卷，负载柔性氧化物纤维材料的传送带(耐高温陶瓷纤维布)经过张力辊以保证纤维膜具有一定的平整性，最后由收卷机卷绕收集。
13.其中，步骤(2)中，所述纺丝前驱液为氧化铝/二氧化钛前驱液或氧化铜/氧化铝/二氧化钛前驱液。
14.其中，将通过纺丝技术得到的纤维膜经过喷淋处理得到无透明纳米纤维膜。
15.有益效果：本发明装置将纺丝技术与煅烧工艺有机结合，通过连续收集纺丝制备氧化物纤维膜后通过传送履带直接传送到加热装置中快速烧结，最后收集产物，从而连续得到柔性氧化物纳米纤维材料，此方式可以实现纺丝制纤维和烧结的同步进行，缩短制备周期，提高生产效率。
附图说明
16.图1为连续化制备柔性氧化物纳米纤维材料装置的系统原理图；
17.图2为静电纺丝连续化制备氧化铝/二氧化钛柔性复合氧化物纳米纤维材料 tem图和实物图(平板加热炉快速烧结温度900℃)；
18.图3为静电纺丝连续化制备氧化铝/二氧化钛柔性复合氧化物纳米纤维材料 tem图和实物图(平板加热炉快速烧结温度600℃)；
19.图4为静电纺丝连续化制备氧化铜/氧化铝/二氧化钛柔性复合氧化物纳米纤维材料tem图和实物图(平板加热炉快速烧结温度600℃)；图5为实施例4的无透明的氧化铝/二氧化钛柔性复合氧化物纳米纤维膜实
具体实施方式
20.下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
21.如图1所示，本发明连续化生产柔性氧化物纳米纤维材料的装置，包括传送模块、纺丝模块和烧结装置；传送模块由放卷机101、成对设置的导轮103、张力辊105和收卷机102组成；纺丝模块由高压电源201、注射泵202和纺丝针头203 组成；放卷机101上的耐高温陶瓷纤维布104依次绕过成对设置的导轮103和张力辊105，穿过烧结装置后被收卷机102收卷；成对设置的导轮103通过耐高温陶瓷纤维布104传动连接，纺丝模块的纺丝针头203位于成对设置导轮103的正下方，纺丝针头的支架204可以前后左右移动；耐高温陶瓷纤维布104作为制备纤维膜的衬底，纺丝针头203喷射出来的纺丝液喷射到耐高温陶瓷纤维布104上，在耐高温陶瓷纤维布104上形成纳米纤维膜。
22.本发明连续化生产柔性氧化物纳米纤维材料的装置还可以包括加湿器301，加湿器301也位于成对设置导轮103的正下方，沿耐高温陶瓷纤维布104的移动方向，加湿器301设置于纺丝针头203靠近收卷机102的一侧；加湿器301为蒸汽喷雾机或气喷加湿机。烧结装置为平板加热炉、履带式低温连续热处理炉、纤维高温炉或磁力加热炉中的一种。
23.实施例1
24.在密闭空间内，使用除湿机、加热装置设置纺丝环境的湿度和温度分别为 25℃和40％rh，设置平板加热炉的加热温度为900℃，提前预热；将已配制的氧化铝/二氧化钛前驱液添加至10ml注射器中，然后将注射器安装到注射泵202上，设置供液速度1.5ml/h，使
用5个22g平头针，位于成对设置导轮103之间的耐高温陶瓷纤维布104与纺丝针头203针尖的垂直距离为10cm，针头在耐高温陶瓷纤维布104所在平面的y轴方向的运动宽度和运动速度分别为30cm和 80cm/min；高压电源施加电压为23kv，设置传送带(耐高温陶瓷纤维布104) 移动速度为0.5cm/min，得到的纳米维膜通过传送带直接送入到烧结装置中煅烧；最后通过收卷机102卷绕收集，获得氧化铝/二氧化钛复合氧化物纳米纤维膜。
25.实施例2
26.在密闭空间内，使用除湿机、加热装置设置纺丝环境的湿度和温度分别为 25℃和40％rh，设置平板加热炉的加热温度为600℃，提前预热；将已配制的氧化铝/二氧化钛前驱液添加至10ml注射器中，然后将注射器安装到注射泵202上，设置供液速度3.5ml/h，使用5个22g平头针，位于成对设置导轮103之间的耐高温陶瓷纤维布104与纺丝针头203针尖的垂直距离为10cm，针头在耐高温陶瓷纤维布104所在平面的y轴方向的运动宽度和运动速度分别为30cm和 80cm/min；高压电源施加电压为23kv，设置传送带(耐高温陶瓷纤维布104) 移动速度为2cm/min，得到的纳米纤维膜通过传送带直接送入到烧结装置中煅烧；最后通过收卷机102卷绕收集，获得氧化铝/二氧化钛复合氧化物纳米纤维膜。
27.实施例3
28.在密闭空间内，使用除湿机、加热装置设置纺丝环境的湿度和温度分别为 25℃和38％rh，设置平板加热炉的加热温度为600℃，提前预热；将已配制的氧化铜/氧化铝/二氧化钛前驱液添加至10ml注射器中，然后将注射器安装到注射泵 202上，设置供液速度2.0ml/h，使用5个21g平头针，位于成对设置导轮103 之间的耐高温陶瓷纤维布104与纺丝针头203针尖的垂直距离为10cm，针头在耐高温陶瓷纤维布104所在平面的y轴方向的运动宽度和运动速度分别为30cm 和80cm/min；高压电源施加电压为18.5kv，设置传送带(耐高温陶瓷纤维布104) 移动速度为1cm/min，得到的纳米纤维膜通过传送带直接送入到烧结装置中煅烧；最后通过收卷机102卷绕收集，获得氧化铜/氧化铝/二氧化钛复合氧化物纳米纤维膜。
29.实施例4
30.在密闭空间内，使用除湿机、加热装置设置纺丝环境的湿度和温度分别为 25℃和38％rh，设置平板加热炉的加热温度为900℃，提前预热；将已配制的氧化铝/二氧化钛前驱液添加至10ml注射器中，然后将注射器安装到注射泵202上，设置供液速度1.5ml/h，使用5个22g平头针，位于成对设置导轮103之间的耐高温陶瓷纤维布104与纺丝针头203针尖的垂直距离为10cm，针头在耐高温陶瓷纤维布104所在平面的y轴方向的运动宽度和运动速度分别为30cm和 80cm/min；高压电源施加电压为23kv，设置传送带(耐高温陶瓷纤维布104) 移动速度为0.5cm/min，得到的纳米纤维膜经由喷淋装置处的加湿器301进行蒸汽处理，其中改性液为超纯水，蒸汽释放速度为40ml/h，然后直接到快速烧结装置中煅烧；最后通过收卷机102卷绕收集，获得氧化铝/二氧化钛复合氧化物纳米纤维膜。
31.实施例1～2在不同的煅烧温度下得到的氧化铝/二氧化钛复合氧化物纳米纤维膜的晶型和晶体粒径均有所不同，从而使性能也存在差异。600℃得到的氧化物纤维膜力学性能好，常用来作为自支撑陶瓷纤维膜应用在水体或气相的过滤领域； 900℃得到的氧化物纤维膜中纤维结晶性好，常用于催化领域。
32.实施例3中在前驱液中加入了氧化铜，cu离子的掺杂可以引发二氧化钛晶体的晶
格膨胀，并抑制晶粒的生长；cu基固溶体的存在可以有效增强材料的光捕获能力，加快光生电荷分离速率，从而提高电化学反应效率。氧化铜/氧化铝/二氧化钛复合氧化物纳米纤维膜展示出卓越的力学强度和光电响应能力。
33.实施例4得到氧化铝/二氧化钛柔性复合氧化物纳米纤维膜为无透明的纤维膜，这是因为纤维膜中所含的高分子聚合物经水蒸汽处理后发生溶解现象，使得纤维膜中部分纤维结构坍塌，纤维间的散射减弱或消失，纤维膜由白转变为无透明形态。

技术特征：

1.一种连续化生产柔性氧化物纳米纤维材料的装置，其特征在于：所述装置包括传送模块、纺丝模块和烧结装置，所述传送模块由放卷机(101)、成对设置的导轮(103)、张力辊(105)和收卷机(102)组成；纺丝模块由高压电源(201)、注射泵(202)和纺丝针头(203)组成；放卷机(101)上的耐高温陶瓷纤维布(104)依次绕过成对设置的导轮(103)和张力辊(105)，穿过烧结装置后被收卷机(102)收卷；成对设置的导轮(103)通过耐高温陶瓷纤维布(104)传动连接，所述纺丝模块的纺丝针头(203)位于成对设置导轮(103)的正下方，纺丝针头(203)喷射出来的纺丝液由耐高温陶瓷纤维布(104)接收。2.根据权利要求1所述的连续化生产柔性氧化物纳米纤维材料的装置，其特征在于：还包括加湿器(301)，加湿器(301)也位于成对设置导轮(103)的正下方，沿耐高温陶瓷纤维布(104)的移动方向，加湿器(301)设置于纺丝针头(203)靠近收卷机(102)的一侧。3.根据权利要求2所述的连续化生产柔性氧化物纳米纤维材料的装置，其特征在于：所述加湿器(301)为蒸汽喷雾机或气喷加湿机。4.根据权利要求1所述的连续化生产柔性氧化物纳米纤维材料的装置，其特征在于：所述纺丝针头(203)呈矩阵式排布或线性排布。5.根据权利要求1所述的连续化生产柔性氧化物纳米纤维材料的装置，其特征在于：所述烧结装置为平板加热炉、履带式低温连续热处理炉、纤维高温炉或磁力加热炉中的一种。6.根据权利要求1所述的连续化生产柔性氧化物纳米纤维材料的装置，其特征在于：所述耐高温陶瓷纤维布(104)可替换为金属网或不锈钢网。7.基于权利要求1所述装置连续化生产柔性氧化物纳米纤维材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)调节纺丝环境的湿度为20～60％rh，温度为10～40℃，预热加热炉的温度为600～900℃；纺丝针头的供液速度1.5～3.5ml/h，纺丝针头与耐高温陶瓷纤维布之间的垂直距离为5～25cm；(2)打开高压电源开关，转动电压调节旋钮，使电压超过前驱液阈值，将纺丝前驱液通过纺丝针对喷射至耐高温陶瓷纤维布上，形成纤维膜，负载纤维膜的耐高温陶瓷纤维布经过张力辊后穿过烧结装置，纤维膜在烧结装置中快速烧结后被收卷机收卷。8.根据权利要求7所述的连续化生产柔性氧化物纳米纤维材料的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述纺丝前驱液为氧化铝/二氧化钛前驱液或氧化铜/氧化铝/二氧化钛前驱液。9.根据权利要求7所述的连续化生产柔性氧化物纳米纤维材料的方法，其特征在于：通过纺丝技术得到的纤维膜经过喷淋处理得到无透明纳米纤维膜。

技术总结

本发明公开了本发明所述的连续化生产柔性氧化物纳米纤维材料的装置，所述装置包括传送模块、纺丝模块和烧结装置，所述传送模块由放卷机、成对设置的导轮、张力辊和收卷机组成；纺丝模块由高压电源、注射泵和纺丝针头组成；放卷机上的耐高温纤维布依次绕过成对设置的导轮和张力辊，穿过烧结装置后被收卷机收卷；成对设置的导轮通过耐高温陶瓷纤维布传动连接，所述纺丝模块的纺丝针头位于成对设置导轮的正下方，纺丝针头喷射出来的纺丝液由耐高温陶瓷纤维布接收；本发明还公开了基于上述装置连续化生产柔性氧化物纳米纤维膜的方法。连续化生产柔性氧化物纳米纤维膜的方法。连续化生产柔性氧化物纳米纤维膜的方法。