一种纳米粒子/高分子材料复合超细纤维制备装置
技术领域：
本发明涉及一种复合纤维制备装置，具体涉及一种纳米粒子/高分子材料复合超细纤维制备装置。
背景技术：
亚微米、纳米尺度的纳米粒子/高分子材料复合纤维在生物医学、能源、电介材料等领域有着广泛的应用前景。由于纳米粒子具有高比表面积，容易自发团聚形成集聚体；因此，亚微米、纳米尺度的纳米粒子/高分子材料纤维的制备需要同时解决高分子材料中纳米粒子分散和超细纤维拉制两个难题。
ZL200410010886.4给出了一种制备金属纳米粒子/高分子纳米纤维的方法；该方法以可溶性金属盐、高分子材料、还原剂、表面活性剂、溶剂为原料，采用原位复合法，在高分子溶液中用还原剂还原金属盐使之成为分散于高分子溶液的金属粒子，然后调节溶液的浓度进行电纺丝，形成含有有序排列金属粒子的高分子纳米纤维。但这种方法只适合于能通过原位复合法制备纳米粒子/高分子溶液体系的材料。
因此，通过机械/物理方法直接分散纳米粒子，制备纳米粒子/高分子材料复合超细纤维的装置对推动纳米粒子/高分子材料复合超细纤维的研究与应用有着重要意义。
发明内容：
本发明需要解决的技术问题是公开一种纳米粒子/高分子材料复合超细纤维制备装置。该装置包括：
1.气体-粉体混合子系统该子系统由气源(1)、粒子混合管(2)、纳米粒子流化室(3)组成；所述气源(1)可以是高压气瓶，也可以是气体压缩机与储气罐组成的供气系统。
2.粒子迁移子系统该子系统由气室(4)、粘液泵(5)、气体-粉体射流喷嘴(6)、液室(7)和上升管(8)组成；
所述上升管(8)采用绝缘材料制成；
所述上升管(8)由稳定段(801)和变径段(802)组成，变径段(802)的特征在于内腔内径多次交替扩张-收缩-扩张变化；
3.粒子分散与纤维拉制子系统该子系统由高压发生器(9)、位于上升管顶部的喷嘴(10)、敞口液室(11)、接收传送带(12)和接地极(18)组成；
所述位于上升管顶部的喷嘴(10)采用金属材料制成；
所述敞口液室(11)中的储液高度要高于喷嘴(10)的顶部。
该装置制备纳米粒子/高分子材料超细纤维的具体过程如下：
1.气体-粉体混合来自气源(1)的压缩气体一部分从纳米粒子流化室(3)底部喷入，使纳米粒子流化室(3)中的纳米粒子集聚体流化；来自气源(1)的另一部分压缩气体进入粒子混合管(2)形成高速气流，当气流经过粒子混合管(2)的内径扩径处(201)时，会形成一个负压区；由于纳米粒子流化室(3)的顶部开口位于这一负压区，纳米粒子流化室(3)内经过流化的纳米粒子集聚体会在压差驱动下进入粒子混合管(2)，与高速气流混合，形成气体-粉体射流流向气体-粉体射流喷嘴(6)；气室(4)用于稳定气体-粉体射流压强。
2.粒子迁移高分子材料经粘液泵(5)加压进入液室(7)稳定后，由上升管入口(803)进入上升管稳定段(801)形成稳定上升流；气体-粉体射流喷嘴(6)开口于上升管稳定段内腔，气体-粉体射流经气体-粉体射流喷嘴(6)进入上升管稳定段内的高分子材料上升流中，形成内含纳米粒子集聚体的微气泡；上升流携带微气泡进入上升管变径段(802)，由于上升管变径段内腔内径多次交替扩张-收缩-扩张，高分子材料在上升管变径段被多次交替压缩-拉伸-压缩；高分子材料被压缩或拉伸时，高分子材料内会产生拉伸流动(15)，拉伸流动会导致高分子材料相对气泡壁(14)的滑移，从而引起气泡内产生涡流(13)；气泡内气体涡流(13)携带悬浮在气泡内的纳米粒子集聚体做环流运动，由于纳米粒子集聚体的密度大于气体密度，纳米粒子集聚体会在惯性作用下迁移到起泡壁及气泡壁周围的高分子材料中。
3.粒子分散与纤维拉制高分子材料携带气泡和迁移到气泡壁以及气泡壁周围高分子材料中的纳米粒子集聚体经由位于上升管顶部的喷嘴(10)进入敞口液室(11)中，由于敞口液室(11)中的压强远低于气泡内压强，气泡进入敞口液室(11)时，会在气泡内外压差驱动下急速膨胀；气泡急速膨胀会导致气泡壁及气泡壁周围的高分子材料中产生高速拉伸；高速拉伸引起的粘滞拖曳作用纳米粒子集聚体，导致纳米粒子集聚体破碎并以纳米尺度粒子的形式均匀分散到高分子材料中。在纳米粒子集聚体破碎、分散的同时，高分子材料经由位于上升管顶部的喷嘴(10)进入敞口液室(11)时，由于上升管内的压强大于敞口液室(11)中的压强，会在敞口液室(11)中形成向上的气-液混合射流(16)；在该气-液混合射流的顶推作用下，会在敞口液室(11)中高分子材料液面形成液锥(17)；由于喷嘴(10)与高压发生器(9)相连，会在敞口液室(11)中的高分子材料内放电，与敞口液室(11)上方的接地极(18)之间形成静电场；敞口液室(11)内高分子材料中的自由电荷在电场作用下会集中到液锥(17)顶部形成泰勒锥；当电场力大于高分子材料表面张力时，泰勒锥顶部会有超细射流携带已经以纳米尺度分散于高分子材料中的纳米粒子射向接地极(18)，吸附于接收传送带(12)，形成纳米粒子/高分子材料复合超细纤维；接收传送带(12)位于敞口液室(11)和接地极(18)之间靠近接地极(18)的位置，接收的纳米粒子/高分子材料复合超细纤维被接收传送带(12)带离沉积区。
附图说明：
图1单上升管纳米粒子/高分子材料复合超细纤维制备装置示意图。
图2粒子混合管与纳米粒子流化室示意图。
图3上升管示意图。
图4上升管中高分子材料被拉伸时气泡内外流场示意图。
图5上升管中高分子材料被压缩时气泡内外流场示意图。
图6多上升管纳米粒子/高分子材料复合超细纤维制备装置示意图。
图7喷嘴排列示意图。
具体实施方式：
下面结合具体实施案例来进一步阐述本发明。应该理解，这些实施案例仅用于说明本发明而不是用于限制本发明的范围。此外，还应理解，在阅读本说明之后，技术人员可对本发明作各种形式的改动或修改，但这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施案例1
本发明提供了一种纳米粒子/高分子材料复合超细纤维制备装置，其具体实施案例1如图1、图2、图3所示。
气源(1)与粒子混合管(2)的入口(202)、纳米粒子流化室(3)的底部进气口(301)通过气体输送管相连，纳米粒子流化室(3)顶部开口于粒子混合管(2)的内径扩径处(201)，粒子混合管(2)的出口(203)通过输送管与气室(4)以及气体-粉体射流喷嘴(6)相连，气体-粉体射流喷嘴(6)穿过液室(7)开口于上升管(8)的稳定段(801)的内腔；纳米粒子集聚体在纳米粒子流化室(3)中流化，在粒子混合管(2)中与高速气流混合形成气体-粉体射流。
粘液泵(5)的入口通过输送管与高分子材料源以及敞口液室相连，粘液泵(5)的出液口与液室(7)的内腔相通，上升管(8)位于液室(7)的顶部，上升管(8)的内腔通过上升管入口(803)与液室(7)的内腔相通，上升管(8)内腔通过位于上升管顶部的喷嘴(10)与位于上升管上方的顶部开口的敞口液室(11)的内腔相通；进入高分子材料的气体-粉体射流在上升管(8)的稳定段(801)形成内含纳米粒子集聚体的微气泡，气泡内悬浮的纳米粒子集聚体在上升管(8)的变径段(802)迁移到气泡壁及气泡壁周围的高分子材料中，在敞口液室(11)中利用气泡膨胀产生的高速拉伸实现纳米粒子在高分子材料中的均匀分散。
高压发生器(9)与位于上升管顶部的喷嘴(10)相连，接地极(18)位于敞口液室(11)上方一定距离的地方，与位于上升管顶部的喷嘴(10)之间形成静电场；由于上升管内的压强大于敞口液室(11)中的压强，会在敞口液室(11)中形成向上的气-液混合射流(16)，在该气-液混合射流的顶推作用下，会在敞口液室(11)中高分子材料液面形成液锥(17)，液锥(17)在静电场作用下会形成泰勒锥，并在适当条件下产生携带纳米粒子的超细射流射向接地极(18)，吸附于接收传送带(12)形成纳米粒子/高分子材料复合超细纤维。
接收传送带(12)位于敞口液室(11)和接地极(18)之间靠近接地极(18)的位置，接收的纳米粒子/高分子材料复合超细纤维被接收传送带(12)带离沉积区。
实施案例2
本发明提供了一种纳米粒子/高分子材料复合超细纤维制备装置，其具体实施案例2如图2、图3、图6、图7所示。
实施案例2与实施案例1的区别在于实施案例1只有一组气体-粉体射流喷嘴(6)、上升管(8)和喷嘴(10)，而实施案例2有呈矩阵排列的多组气体-粉体射流喷嘴(6)、上升管(8)和喷嘴(10)。