一种同轴液喷纺丝结构色纤维膜及其制备方法

本发明属于纳米纤维领域，尤其涉及一种同轴液喷纺丝结构色纤维膜及其制备方法。

背景技术：

1、结构色是生物体亚显微结构所导致的一种光学效果，也称为物理色，主要通过光学现象产生，包括光的干涉、衍射、色散、散射及其共同作用，目前直接制备结构色纤维的方法主要有静电纺丝、微流控、挤出固化等技术。

2、中国专利申请cn111101214a公开一种通过微流控制备皮芯层结构色纤维的方法，其制备方法包括：将皮层溶液和芯层溶液分别从两个注入口注入微流控芯片装置，进行微流控纺丝，使得皮层溶液包裹于芯层溶液外部并通过微流控芯片装置的出口流入凝固浴中，以连续制备同轴皮芯层结构色纤维，最后将得到的湿态结构色纤维置于通风橱晾干，即为最终状态的结构色纤维，其中皮层溶液包括无色透明的高聚物溶液，芯层溶液包括微球分散液，微球包括可以产生结构色的纳米微球或可产生结构色的纳米微球以及炭黑纳米微球。采用微流控制备皮芯层结构色纤维时，皮层溶液只能选择无色透明聚合物，在很大程度上限制皮层溶液原材料的选择，且不可避免地需要经过晾干等后处理，才能使得结构色纤维或纤维膜呈现出颜色。

3、中国专利申请cn116180331a公开一种胶体静电纺丝制备结构色纤维膜的方法，结构色纤维膜以响应性软质微凝胶为胶体颗粒，线性聚合物为模板，利用胶体静电纺丝技术，采用响应性微凝胶合成、线性模板聚合物溶液合成、微凝胶复合纺丝液配制、胶体静电纺丝制备微凝胶复合纳米纤维膜、结构色纳米纤维膜显色呈色五个步骤制得，其特点是在纤维膜表面喷涂溶液，从而表现出结构色，静电纺丝制备结构色纤维时，通过将纳米微球与聚合物混合制备纺丝液，再静电纺丝出纤维膜，最后对所得纤维膜进行喷涂，纤维膜才能表现出结构色。

4、因此，开发一种可以广泛使用多种聚合物材料，且不需要经过任何后处理，就可以直接制备出结构色纤维的方法是非常必要的。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种同轴液喷纺丝结构色纤维膜的制备方法，基于同轴液喷纺丝制得，以解决现有技术中结构色纤维制备流程繁琐、耗费时间长等问题。

2、本发明的另一目的在于提供一种同轴液喷纺丝结构色纤维膜，通过所述同轴液喷纺丝结构色纤维膜的制备方法制得；控制所述微球粒径在170nm到350nm之间，所得结构色纤维膜的颜色可以覆盖整个可见光光谱；其中，颜色与粒径的关系遵循布拉格衍射定律，二氧化硅粒径在167～192nm之间，表现为紫色；在193～209nm之间，表现为青色和蓝色；在210～250nm之间，表现为绿色。

3、本发明的上述目的通过以下技术方法实现：

4、本发明提供一种同轴液喷纺丝结构色纤维膜的制备方法，包括以下步骤：

5、步骤1：称取一定量的peo粉末和墨水，溶解于水溶性聚合物，利用水浴加热搅拌至peo完全溶解，作为芯层溶液；称取一定量的sio2粉末分散于水或乙醇中，超声搅拌至小球均匀分散，作为壳层溶液；

6、步骤2：将所述壳层溶液和芯层溶液分别倒入同轴液喷纺丝便携式装置内，设置好进料速度，喷枪接口通过气管与调压阀连接，所述调压阀与空压机通过气管连接，喷嘴处内置可拆卸同轴针头，调整接收网与喷嘴之间的距离；其中：

7、所述同轴液喷纺丝便携式装置，包括相互独立平行的壳层溶液流道和芯层溶液流道，还包括喷枪接口、气管a、气管b、调压阀、空压机、喷嘴、进料口和接收网；所述喷枪接口通过所述气管a与所述调压阀连接，所述调压阀与所述空压机通过所述气管b连接，所述喷嘴内置可拆卸同轴针头，所述接收网与所述喷嘴之间的距离可调节；

8、步骤3：打开空压机，打开调压阀，设置好气压，打开进料口，溶液被推进至喷嘴内，并由同轴纺丝针流出，随即该处受到高速气流吹喷，纺丝液在牵引拉伸的作用下形成纤维沉积在接收网上，其中壳层溶液由于溶剂挥发时产生毛细管力，诱导微球在纤维上自组装，从而形成结构色纤维。

9、作为优选，步骤1中，所述peo分子量为60万，质量分数为6％～9％，优选用量为7％；

10、作为优选，步骤1中，所述sio2粉末的质量分数为2％～4％，优选用量为3％；

11、所述sio2粉末的粒径为170～350nm，优选粒径为180～250nm。

12、作为优选，步骤2中，所述芯层溶液的进料速度为0.2～0.4ml/min，优选为0.2ml/min；

13、所述壳层溶液的进料速度为0.4～0.6ml/min，优选为0.6ml/min；

14、作为优选，步骤2中，所述喷嘴内置可拆卸同轴针头的规格为17g+23g。

15、作为优选，步骤3中，所述气压为0.06～0.15mpa，优选为0.1mpa。

16、本发明的上述制备方法中，壳层溶液和芯层溶液分别从两个入口注入同轴液喷纺丝便携式装置中，进行同轴液喷纺丝，其原理是将芯层和壳层材料的溶液分装在两个不同的注射器中，在高速气流场的作用下，壳层液体经高频拉伸，高速喷射时内外层溶液交界面产生强大的剪切应力，芯层溶液在剪切应力作用下沿着壳层同轴运动，弯曲甩动变形并固化成为超细同轴复合纳米纤维，其中，壳层溶液为微球分散液，芯层溶液为聚合物溶液，芯层聚合物在高速气流的牵引拉伸下细化成纤维，壳层的微球分散液在这个过程中附着在纤维上，而后由于溶剂的挥发，产生一个毛细管力，诱导微球的自组装，在纤维表面有序排列。

17、本发明还提供一种同轴液喷纺丝结构色纤维膜，通过所述同轴液喷纺丝结构色纤维膜的制备方法制得。

18、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

19、①本发明采用同轴液喷纺丝，以peo纺丝液为芯层，微球分散液为壳层，壳层微球分散液经高速气流牵引拉伸时，内外层溶液交界面产生强大的剪切应力，芯层peo纺丝液在剪切应力作用下，沿着壳层同轴运动，可以使得微球更好地排列在纤维表面，从而表现出结构色。

20、②本发明采用手持式喷枪，实验操作简单便携，且纤维的接收面可以多样化，比如选择墙壁作为纤维接收面，也可以曲面化，比如在圆柱体的保温杯上，灵活可操作性强。

技术特征：

1.一种同轴液喷纺丝结构色纤维膜，其特征在于，通过壳层溶液和芯层溶液同轴液喷纺丝得到，其中：所述壳层溶液为微球分散液，所述芯层溶液为聚合物溶液，所述聚合物溶液在高速气流的牵引拉伸下细化成纤维，所述微球分散液在此过程中附着于所述纤维上，在所述微球分散液内溶剂挥发产生毛细管力的作用下诱导微球自组装，在所述纤维表面有序排列。

2.根据权利要求1所述的同轴液喷纺丝结构色纤维膜，其特征在于，所述壳层溶液为sio2微球分散液，所述芯层溶液为peo粉末和墨水溶解于水溶性聚合物形成的聚合物溶液。

3.权利要求1或2所述同轴液喷纺丝结构色纤维膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述同轴液喷纺丝结构色纤维膜的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述peo分子量为60万，质量分数为6％～9％；

5.根据权利要求4所述同轴液喷纺丝结构色纤维膜的制备方法，其特征在于，

6.根据权利要求3所述同轴液喷纺丝结构色纤维膜的制备方法，其特征在于，步骤2中，

7.根据权利要求6所述同轴液喷纺丝结构色纤维膜的制备方法，其特征在于，

8.根据权利要求3所述同轴液喷纺丝结构色纤维膜的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述气压为0.06～0.15mpa。

9.根据权利要求8所述同轴液喷纺丝结构色纤维膜的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述气压为0.1mpa。

技术总结
本发明公开了一种同轴液喷纺丝结构色纤维膜及其制备方法，该结构色纤维膜通过壳层溶液和芯层溶液形成的同轴液喷纺丝得到，壳层溶液为SiO<subgt;2</subgt;微球分散液，芯层溶液为PEO聚合物溶液，聚合物溶液在高速气流的牵引拉伸下细化成纤维，微球分散液在此过程中附着于纤维上，在微球分散液内溶剂挥发产生毛细管力的作用下诱导微球自组装，在纤维表面有序排列。本发明采用同轴液喷纺丝，壳层微球分散液经高速气流牵引拉伸时，内外层溶液交界面产生强大的剪切应力，芯层PEO纺丝液在剪切应力作用下沿着壳层同轴运动，使微球更好地排列在纤维表面，从而表现出结构色；制备方法简单便携，可操作性强；纤维接收面多样化，灵活化。

技术研发人员：孙光武,田红柳,高伟宏,辛三法,陈凯凯,薛昊龙,王纯,肖长发
受保护的技术使用者：上海工程技术大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17