專利名稱：一種制備超細材料的高速流體電噴射方法及系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種超細材料的制備方法及系統，尤其是一種將高速流體技術與電流體力學噴射技術結合制備超細材料的方法及系統。
背景技術：
目前，包括超細粉末及超細纖維在內的超細材料由于具有高的比表面積、細小的孔洞等特點因而在醫藥、催化、分離、防護、化妝品、紡織品等領域具有廣泛的應用價值，從而受到了人們的高度關注。目前人們通過高速流體技術(包括撞擊流技術)、電流體力學噴射技術包括電噴與電紡技術、溶膠-凝膠技術、氣相共沉積技術、水熱技術、球磨技術、自組裝技術、犧牲模板技術來制備超細材料，其中高速流體技術、電噴技術、溶膠-凝膠技術、氣相共沉積技術、水熱技術及球磨技術已經在實際生產中得到廣泛應用，而電紡技術、自組裝技術及犧牲模板技術等技術尚處于研發階段。然而目前高速流體技術所得到的超細材料或者尺寸尚太大，如通過高速流體所制備的無紡布，其纖維的直徑尺寸在幾十微米以上，或者制備方法復雜，如通過高速流體碰撞氣相反應沉積制備超細粉體需要很復雜昂貴的系統。而電噴技術則廣泛應用于質譜、發動機、材料干燥、顆粒制造、薄膜制造、農藥噴灑等領域，但制備的顆?；蛘叱叽缣笕绮捎酶咚賴婌F技術或者不能大規模制備超細材料如采用超聲噴霧技術，因此應用領域局限于一定范圍之內，而電紡技術制備的超細纖維則由于其產量低不能與工業化大生產相結合，因而尚難于獲得大規模應用。

發明內容
本發明的目的是提供一種將高速流體技術與電流體力學噴射技術相結合以大規模制備超細顆?；蛘呃w維的方法及系統。
本發明的技術方案是一種制備超細材料高速流體電射流方法，其特征是包括以下步驟
a、首先使被加工材料流體化；b、其次使上述已流體化的被加工材料荷電高速流動以制備超細材料，其體積流速介于10毫升/小時～10立方米/秒，線流速介于1.5毫米/秒～1000米/秒，且流體的線流速在至少一個時間段大于0.5米/秒的速率高速流動，并在流體化的被加工材料的流動過程的全部或部分時間段內荷電，荷電電場介于0.1V/毫米～1000kV/毫米；c、通過收集裝置將上述超細化加工后的被加工材料收集即得本發明的超細化材料。
被加工材料的流體化包括溶解、熔融、蒸發、等離子體化、粉碎使被加工材料成為包括氣態、液態、超臨界流體、等離子態、及流體中含有相對主流體成分高密度的成分如固態顆粒包含于載流體、液態顆粒包含于載流體在內的流體形式。對于不能通過溶解、熔融、蒸發、升華、等離子體化、粉碎而流體化的被加工材料則通過使用可以流體化并且能夠通過化學反應或者物理效應在高速電流體運動前或者過程中或者后生成被加工材料或者反應中間體的方法使被加工材料流體化。
在使上述已流體化的被加工材料荷電高速流動過程中還包括荷電流體的運動控制、溫度控制、性狀控制進而使加工過程優化，其特征是I、荷電流體的運動控制包括運動軌跡控制、運動模式控制、運動平衡控制、運動作用力控制A、運動軌跡控制即通過電場、磁場、聲場、機械作用力而對荷電流體或者流體進行包括加速、減速、分散、聚焦、定向、范圍在內的運動軌跡控制。當運動軌跡為螺旋狀時需要進行旋轉控制。旋轉控制包括旋轉電場控制、旋轉磁場技術及旋轉軌道控制，旋轉電場、旋轉磁場的頻率介于10-3Hz～109Hz。
B、運動模式控制即流體化被加工材料在導致高速運動的作用后以單股或者超過單股的射流運動。當采用超過單股射流時，不同的射流在四維時空根據需要任意排布。不同的射流可以噴射同種材料，也可以是不同材料，還可以是部分相同的材料。不同的射流可以帶相同的電荷，也可以帶相反的電荷，還可以不帶電荷。射流可以由噴嘴進行噴射也可以通過非噴嘴進行噴射。當使用噴嘴噴頭進行噴射時可以采用包括單噴頭、同軸雙噴頭、軸向平行多噴頭及四維時空組成的噴頭陣列。噴頭的截面包括圓形、長方形、異形、針形及其它任選幾何形狀。不同噴頭中的不同材料可以是互相不會發生反應的，也可以是可以發生化學反應或者物理效應的。當采用非噴嘴進行噴射時，可以利用物理或者化學效應而使流體化被加工材料產生局部定向作用力所導致的加速運動使被加工材料以單股或者多股的方式進行高速運動。
C、運動平衡控制包括通過平衡相同或者不同流體內及相互間的相互作用力以確保高速荷電流體根據要求進行平穩或者不平穩的運動。
D、運動作用力控制包括采用機械作用力包括壓力、推力、拉力、離心力、向心力、聲作用力、其它高速流體作用力及重力、電場作用力、磁場作用力中的一種或者多種作用力以控制流體以適當的軌跡及模式運動。
II、溫度控制包括通過紅外、微波、熱輻射、發熱系統、熱交換系統、制冷系統而進行溫度控制。在高速流體電射流過程中的不同階段可以采用相同或者不同的溫度控制。
III、性狀控制是指對被加工材料的物理和或者化學性狀進行控制，包括物理性狀控制及化學反應控制。對被加工材料的性狀控制可以在噴射前、噴射過程中、收集期間或者以后進行。性狀控制可以只有物理性狀控制過程或者化學性狀控制過程，也可以同時具有物理性狀控制過程及化學性狀控制過程。
A、物理性狀控制是指通過光、聲、電、磁、熱、機械作用而使被加工材料的全部或者部分通過凝固、蒸發、升華、溶解、熔融、混合、分離在內的途徑對高速流體電噴射被加工材料的形貌、相態進行控制。物理性狀的控制在高速流體電噴射制備超細材料的過程中可以通過一種方法或者途徑進行，也可以通過多種方法或者途徑進行；在過程的不同階段可以采用同一種物理性狀控制方法或者途徑也可以通過不同的物理性狀控制方法或者途徑。
B、化學性狀控制是指通過化學反應而改變高速流體電噴射被加工材料的化學組成?；瘜W反應可以只有一種反應，也可以有多種反應，當有多種反應時，反應可以同時發生，也可以在不同時間、不同位置發生?；瘜W反應包括聚合、交聯、接枝、取代、加成、消除、配合、沉淀、分解、中和、氧化還原反應、酯化反應、水解反應、脫水反應、裂化反應、增鏈反應、絡合反應、置換反應、歧化反應、催化反應、重排反應類有機或無機反應。所述的使上述已流體化的被加工材料荷電高速流動還包括使荷有電荷的被加工材料在后續作用力的作用下進一步分散或者拉伸的過程，后續作用力包括電場作用力、磁場作用力、流體作用力、機械作用力及其它包括熱、聲的作用力，后續作用力其方向與荷電高速流體的方向有一定的夾角，角度介于0～360度，電場及磁場與使流體荷電的電場匹配使荷電流體能夠受到特定的包括吸引或者排斥作用力在內的作用力，對荷電流體有吸引或者排斥作用的電場強度介于0.1V/毫米～1000kV/毫米，磁場強度介于0.001毫特斯拉～30特斯拉；后續作用力可以只有一種作用力，也可以有多種作用力共同作用；整個制備過程中可以不包含、包含一次或一次以上的后續作用力過程。
利用流體沖擊對對從噴嘴噴出的被加工材料進行超細化沖擊加工；流體沖擊是通過其它高速流體沖擊、拉伸、分散被加工的材料的流體組分，用于沖擊的流體中可以包含能夠溶解被加工材料的成分，也可以包含能夠凝固被加工材料的成分，還可以包含能夠與被加工材料進行化學反應或者物理反應的成分，流體沖擊中的流體可以是氣體、液體、超臨界流體、等離子體、液態顆粒包含于載流體、固態顆粒包含于載流體，沖擊流體可以荷有與被加工材料流體相同或者相反的電荷，也可以不帶電荷；其壓力范圍介于1大氣壓至5000大氣壓，沖擊流體的速度介于1.5毫米/秒～1000米/秒。
收集裝置為收集鼓、收集傳送帶、收集板或收集池，可以是干的也可以包含有溶劑或者蒸汽的濕的收集裝置；經過收集裝置收集到的超細材料可以是無序的、部分有序的或者全部有序的；經過收集裝置收集所得的超細化材料經過后續的針刺、水刺、編織、熱黏附、化學黏附、包被其它材料、溶解去除部分成分或篩選后即進一步大規模地獲得由小尺寸的實心、核殼、中空或者多孔狀的顆?；蛘呃w維所構成的顆粒、纖維、薄膜或者塊狀超細化材料。
荷電包括電暈充電、感應充電、接觸充電、摩擦充電、荷電流體充電；荷電可以在流體射流起始處、以前或者以后被荷上一定的電荷，荷電電場包括直流正電場、直流負電場或者交變電場，使流體荷電的電場介于0.1V/毫米～1000kV/毫米。
一種制備超細材料的高速流體電射流系統，其特征是它至少由高速射流設備、荷電設備、收集設備組成。
制備超細材料的高速流體電射流系統還包括輔助運動控制裝置，所述的輔助運動控制裝置安裝在收集設備與荷電設備之間。
制備超細材料的高速流體電噴射系統還包括后續處理裝置，后續處理裝置安裝在收集設備之前或者之后。
詳述如下使被加工材料荷電高速流動可包括使被加工材料荷電、驅動被加工材料高速流動及荷電高速流體輔助運動。
驅動被加工材料高速流動是通過選用施加在被加工材料流體上的壓力包括機械作用力包括推力、拉力、離心力、向心力、加壓系統、負壓系統或者流體沖擊及電場作用力、磁場作用力、重力及后續作用力包括高壓電場、強磁場、流體沖擊中的一種或者多種來實現。其中流體沖擊是由其它材料高速流體對被加工材料沖擊而實現。
高速流體電射流過程還可以通過輔助手段改善高速流體電射流過程及材料被加工后的性能。輔助手段包括荷電流體的運動控制如輔助帶電流體的聚焦、通過紅外、微波、熱輻射、制冷系統進行的溫度控制、通過超聲波進行材料分散、通過化學反應改變被加工材料的性能、通過平衡不同流體間的相互作用力以確保高速荷電流體平穩地運動、通過使流體產生旋轉作用力而控制被加工材料的特性、通風以排出氣態物質、對加工過程進行消音處理、對加工過程進行監控、加工過程采用自動化控制等。
荷電流體運動控制是指通過電場、磁場、聲場、壓力等能夠對荷電流體發生作用力的能量場在荷電流體運動過程中對荷電流體進行包括聚焦、軌跡控制、范圍控制在內的運動控制。荷電流體運動控制電磁場作用包括靜電場作用、磁場作用或者同時采用靜電場作用以及磁場作用。荷電流體運動控制電磁場作用在高速流體電射流過程的不同區域，施加在荷電流體上的場強可以是相同的也可以是不同的。當通過靜電場作用控制荷電高速流體運動時，所施加的電場與對被加工材料荷電的電場相匹配，可以是直流正電場、直流負電場或者交流電場。當使被加工材料荷電的電場為直流電場時，通過靜電場作用控制荷電高速流體運動的電場與使被加工材料荷電的電場極性相同；如果使被加工材料荷電的電場為交流電場，使被加工材料荷電的電場也為相位相當的交流電場。通過磁場作用控制荷電高速流體運動的磁場其相位變化與使被加工材料荷電的電場的相位相匹配。
流體作用力平衡調控可以確保高速流體的平穩運行。作用力平衡調控作用力包括壓力如流體的壓力、聲壓力等或者是吸引力、排斥力包括相位匹配的電場力、磁場力等。當采用流體壓力調控時，在電流體力學射流噴頭邊增加調控流體管。當采用電場力調控時，采用施加極性相同或者相位匹配的電場。當采用磁場力調控時，可以采用適當配置的時空磁場。對實心流體包括單一流體或者核殼流體等具有向外壓力的流體，根據其內部壓力大小及流速等參數施加相應的向內壓力。向中空流體等同時具有向內及向外壓力的流體施加相應的由內向外以及由外向內的兩種作用力。當同時需要有兩種或者兩種以上調控作用力時，可以根據需要選取不同或者相同類型的調控作用力。作用力平衡調控的目的是通過控制噴頭及后續作用力作用系統的流體內外作用力大小改善流體的流動穩定性及混合、分散性能。
通過流體旋轉作用力可以有效改善通過高速流體電噴射方法所制備的超細材料的分散性能對于顆?？梢蕴岣叻稚⒕鶆蛐远鴮τ诶w維則可同時提高分散均勻性及材料薄膜的機械性能。對荷電高速流體能夠產生旋轉作用力的方法包括旋轉電場技術、旋轉磁場技術及旋轉軌道技術。
被加工材料經過準備及存儲處理后以包括氣態、液態、等離子態、固態顆粒包含于載流體、液態顆粒包含于載流體在內的流體形式被荷以一定的電荷并高速運動從而使得被加工材料能夠拉伸、分散。在材料荷電高速運動過程中通過控制荷電流體的運動軌跡、紅外、微波、熱輻射、制冷系統等的溫度控制、超聲波的分散、化學反應的化學改性處理、荷電高速流體作用力的平衡調控、旋轉作用力對被加工材料的纏繞、分散及通風等處理改善高速電流體射流過程及所獲得被加工材料的性能。然后由收集鼓、收集傳送帶、收集板、收集池等收集器件進行收集。最后通過針刺、水刺、編織、熱黏附、化學黏附、包被其它材料、溶解去除部分成分等加工及超細材料的篩選即可大規模地獲得由小尺寸的實心、核殼、中空狀或者多孔狀的顆?；蛘呃w維所構成的顆粒、纖維、纖維束或者薄膜。
本發明的有益效果通過將高速流體大規模地對材料的拉伸、分散作用與電流體力學噴射對材料的拉伸、分散作用相乘從而可大規模、廉價地生產具有小尺寸的顆?；蛘呃w維超細材料。


圖1是本發明的設備系統結構示意圖。
圖2是本圖1的另一個結構形式示意圖。
圖3是本發明所述的對噴體系示意圖。
圖4是本發明的雙系統結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。
如圖1、2、4所示。本發明的系統由高速射流設備(可選用天津格林泵業有限公司C002齒輪泵)、荷電設備(可選用BMEI公司BGG40直流高壓發生器)、收集設備(可選用瑞士HABASIT高速平面傳動帶)、輔助運動控制裝置、后續處理裝置組成。各主要設備的連接關系可根據用途、目的、所加工材料的不同參見圖1、圖2、圖4所示的結構進行組合即可。圖1和圖2的不同之處二者所采用的輔助運動控制裝置不同，圖1中采用是常規運動控制裝置，圖2中所對采用的是旋轉運動控制裝置，圖4是本發明的雙系統結構示意圖。
本實施例所述的制備超細粉粒物料的方法具體還可概括為以下4個步驟1、被加工材料的準備及存儲；2、使被加工材料荷電高速流動；3、材料收集；4、后加工。
被加工材料的準備及存儲的目的是使得被加工材料流體化。通常被加工材料準備及存儲的方法包括溶解、熔融、蒸發、等離子體化、粉碎使被加工材料成為流體形式。相應單元為被加工材料的準備及存儲部分1。
被加工材料的荷電過程可以采用電暈充電、感應充電、接觸充電、摩擦充電、荷電流體充電等方法使被加工材料荷電。使被加工材料荷電需要相應的電源2a和電極2b。被加工材料荷電可以在流體出口即噴嘴處、以前或者以后被荷上一定的電荷。荷電電場可以是直流正電場、直流負電場或者交變電場。
驅動被加工材料高速流動是通過施加在噴嘴3a處被加工材料流體上的壓力差系統3b，它包括機械作用力、加壓、負壓或者流體沖擊及后續作用力，后續作用力包括高壓電場系統3c、強磁場系統3d、流體沖擊系統3e來實現。其中流體沖擊由壓力差系統3e產生的其它材料高速流體對被加工材料沖擊而實現。
輔助加工包括荷電流體的運動控制如輔助帶電流體的聚焦系統4a、通過紅外、微波、熱輻射、制冷系統進行的溫度控制系統、通過超聲波進行材料分散、通過化學反應改變被加工材料的性能、通過作用力平衡系統平衡不同流體間的相互作用力以確保高速荷電流體平穩地運動、通過使流體產生旋轉作用力系統4c而控制被加工材料的特性、通風以排出氣態物質、對加工過程進行消音處理、對加工過程進行監控、加工過程采用自動化控制等。
被加工目的材料的收集可以采用收集鼓5a、收集傳送帶5b、收集板、收集池等收集器件收集被加工材料。收集體系可以是干的體系也可以包含有溶劑或者蒸汽的濕的體系。
被加工材料的后加工包括增加所獲得超細材料強度的針刺、水刺、編織、熱黏附、化學黏附、包被其它材料、溶解去除部分成分等加工過程、超細材料的篩選等。
需要被紡制纖維或者被制備細小顆粒的材料經過準備及存儲部分處理后以包括氣態、液態、等離子態、固態顆粒包含于載流體、液態顆粒包含于載流體在內的流體形式被荷電部分荷上一定的電荷，并通過驅動被加工材料高速流動部分的施加在噴嘴處流體上的壓力差包括機械作用力、加壓、負壓或者流體沖擊及后續作用力包括高壓電場、強磁場、流體沖擊使荷電流體高速運動從而對被加工材料進行拉伸、分散。與此同時，輔助加工部分發揮作用通過荷電流體運動控制如輔助帶電流體由電場、磁場作用控制的聚焦、運動軌跡控制；通過紅外、微波、熱輻射、制冷系統等溫控系統，對荷電高速流體進行溫度控制；通過超聲波等材料分散系統對荷電高速流體進行分散；通過化學反應系統進行化學反應；通過流體作用力平衡調控系統來調控流體間的相互作用力；通過荷電流體旋轉作用力發生系統使得荷電高速流體中發生旋轉作用力而使得被加工材料纏繞、分散；通過通風系統對高速荷電流體進行通風、干燥處理等。然后由收集部分的收集鼓、收集傳送帶、收集板、收集池等收集器件及收集材料狀態控制系統對被加工材料進行收集。最后通過后加工部分包括增加所獲得超細顆?；蛘呃w維薄膜強度的針刺、水刺、編織、熱黏附、化學黏附、包被其它材料、溶解去除部分成分等加工系統、超細顆粒或者纖維篩選系統進行后加工處理即可大規模地獲得由小尺寸的實心、核殼、中空狀或者多孔狀的顆?；蛘呃w維所構成的顆粒、纖維、纖維束或者薄膜?，F在參照下面的實施例來描述本發明，這些實施例僅用于解釋本發明而不用來限定本發明的范圍。
具體實施例實施例1配制重均分子量為20萬的聚乳酸10％(質量分數)的二甲基甲酰胺溶液，加入到儲液罐中并施加12MPa的高壓，用導管連接到高速電流體力學噴射裝置的噴嘴，噴嘴為0.8毫米圓形噴孔的噴絲板，將高壓電源的正極接到噴絲板內側的電極上，負極與采集板相接。噴嘴與采集板間的距離控制在40cm左右，噴嘴(正極)與對電極(負極)間的電壓為40kv左右，電流體力學噴射裝置的噴嘴處溶液流速為1l/min左右，通過采集板即可獲得聚乳酸超細纖維。
實施例2配制重均分子量為20萬的聚乳酸10％(質量分數)的二甲基甲酰胺溶液，加入到儲液罐中并施加12MPa的高壓，用導管連接到高速電流體力學噴射裝置的噴嘴，噴嘴為0.8毫米異形噴孔的噴絲板，將高壓電源的正極接到噴絲板內側的電極上，負極與采集板相接。噴嘴與采集板間的距離控制在40cm左右，噴嘴(正極)與對電極(負極)間的電壓為40kv左右，電流體力學噴射裝置的噴嘴處溶液流速為1l/min左右，通過采集板即可獲得具有高孔隙率的聚乳酸超細纖維。
實施例3配制重均分子量為20萬的聚乳酸10％(質量分數)的二甲基甲酰胺溶液，加入到儲液罐中并施加12MPa的高壓，用導管連接到高速電流體力學噴射裝置的噴嘴，噴嘴為0.8毫米噴孔的噴絲板，將高壓電源的正極接到噴絲板內側的電極上，負極與采集板相接。噴嘴與采集板間的距離控制在40cm左右，噴嘴(正極)與對電極(負極)間的電壓為40kv左右，在距離噴嘴4厘米處有直徑依次從50厘米，30厘米至10厘米且間距為5厘米的連接至另一高壓電源的金屬銅環組進行聚焦，金屬銅環的對電極接地，金屬銅環(正極)及其對電極(負極)上施加的電壓為5000伏左右。電流體力學噴射裝置的噴嘴處溶液流速1l/min，通過采集板即可獲得高密度聚乳酸超細纖維。
實施例4配制10％(質量分數)重均分子量為20萬的聚乳酸的二甲基甲酰胺溶液，加入到儲液罐中并施加12MPa的高壓，用導管連接到電流體力學噴射裝置的噴嘴，噴嘴為長10厘米寬2毫米的噴孔，將高壓電源的正極接到噴絲板內側的電極上，負極與采集板相接。噴嘴與采集板間的距離控制在40cm左右，噴嘴(正極)與對電極(負極)間的電壓為40kv左右，噴嘴的對電極為長度10厘米與噴嘴垂直，頂部尖銳的不銹鋼條，噴嘴對電極與一電動馬達相連并且以1000轉/分的速度進行旋轉以產生旋轉電場。采集板介于噴嘴及對電極之間并且靠近對電極。電流體力學噴射裝置的噴嘴處溶液流速1l/min，通過采集板即可得到高度交連的聚乳酸超細纖維。
實施例5配制重均分子量為20萬的聚乳酸10％(質量分數)的二甲基甲酰胺溶液，加入到儲液罐中并施加12MPa的高壓，用導管連接到電流體力學噴射裝置的噴嘴，噴嘴為長10厘米寬2毫米的噴孔，將高壓電源的正極接到噴絲板內側的電極上，負極與采集板相接。噴嘴與采集板間的距離控制在40cm左右，噴嘴(正極)與對電極(負極)間的電壓為40kv左右，在距離噴嘴4厘米處有直徑依次從50厘米，30厘米至10厘米且間距為5厘米的連接至另一高壓電源的金屬銅環組進行聚焦，金屬銅環的對電極接地，金屬銅環(正極)及其對電極(負極)上施加的電壓為5000伏左右。噴嘴的對電極為長度為10厘米與噴嘴垂直，頂部尖銳的不銹鋼條，噴嘴對電極與一電動馬達相連并且以1000轉/分的速度進行旋轉以產生旋轉電場，旁邊有一與空氣泵相連的吹掃導管將超細纖維紗線吹往收集鼓。收集鼓介于噴嘴及對電極之間，與對電極的距離為0.5厘米。收集鼓與另一電動馬達相連，以3000轉/分的速度旋轉收集高速電流體力學噴射產物。電流體力學噴射裝置的噴嘴處溶液流速1l/min，得到的產物為聚乳酸超細纖維紗線。
實施例6將重均分子量為100萬的聚苯乙烯通過螺桿擠壓機熔融并施加10MPa的高壓，用導管連接到電流體力學噴射裝置的噴嘴，噴嘴為0.8毫米圓形噴孔的噴絲板，將高壓電源的正極接到噴絲板內側的電極上，負極與采集板相接。噴嘴與采集板間的距離控制在40cm左右，噴嘴(正極)與對電極(負極)間的電壓為40kv左右，電流體力學噴射裝置的噴嘴處溶液流速1l/min，通過采集板即可得到聚苯乙烯超細纖維。
實施例7將重均分子量為5萬的聚丙烯腈通過螺桿擠壓機熔融并施加10MPa的高壓，用導管連接到電流體力學噴射裝置的噴嘴，噴嘴為0.8毫米異形噴孔的噴絲板，將高壓電源的正極接到噴絲板內側的電極上，負極與采集板相接。噴嘴與采集板間的距離控制在40cm左右，噴嘴(正極)與對電極(負極)間的電壓為40kv左右，電流體力學噴射裝置的噴嘴處溶液流速1l/min，通過傳送帶即可得到聚丙烯腈中空超細纖維氈。將聚丙烯腈超細纖維氈經熱粘合、拉伸、高溫處理得超細中空碳纖維。
實施例8將硬質黏土熟料通過熔融爐熔融從噴嘴流出，在噴嘴處熔融液被40KV高壓電源荷以正電荷，并通過20MPa的壓縮空氣對荷電熔融液以60度的角度進行噴吹，在壓縮空氣與高壓電場拉伸作用的共同作用下硬質黏土熟料被拉伸成數百納米至數微米的硬質黏土纖維，并通過在對電極前面0.5厘米處的網式集棉器集棉，隨后通過針刺機制毯并由直熱式輥底熱處理爐進行熱定型，最后通過剪切、打卷獲得由硬質黏土超細纖維構成的纖維氈。
實施例9將重均分子量為100萬的聚丙烯腈熔融，加入到儲液罐中并施加30MPa的高壓，用導管連接到電流體力學噴射裝置的噴嘴，噴嘴為0.8毫米噴孔的噴絲板，溶液流速控制在10l/min，將高壓電源的正極接到噴絲板內側的電極上，負極與采集板相接。施加在聚苯乙烯熔融液上的電壓為10KV，熔融液噴出后被施加了5KV的相距從50厘米降致5厘米的與噴射方向傾斜的兩塊金屬板的電場軌跡控制裝置控制在一定空間內運動達50厘米后受到與噴射方向垂直的0.5T的強磁場作用及與原噴射方向及磁場方向垂直的1KV/cm的高壓電場及荷有相同電荷的溫度為100度的高速氣態流體的沖擊的共同作用，高速荷電流體在新方向上運動約50厘米后被一介于氣體噴嘴與對電極之間運動速度為10米/分的采集傳送帶收集，得到聚丙烯腈超細纖維，經針刺處理、熱黏附處理后即可獲得聚丙烯腈超細纖維薄膜。該聚丙烯腈超細纖維薄膜經加熱、拉伸碳化處理后成為超細碳纖維薄膜。
實施例10將重均分子量為20萬10％(質量分數)的聚乳酸丙酮溶液及4％羥基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2)的丙酮溶液5ml混合，加入儲罐中并施加12MPa的高壓，噴嘴為100個0.9mm的金屬噴頭所組成的噴頭陣列并且于40KV的高壓直流電源的正極連接，溶液流速控制在1l/min，在距離正極40厘米處一與負極相連的收集傳送帶以10米/分的速度收集所獲得的超細纖維組合體。在收集傳送帶附近鼓風機將60度的空氣吹掃超細纖維并對其進行干燥處理，經卷繞、裁剪后得到骨組織修復材料。
實施例11以質量濃度為2％的醋酸水溶液為溶劑，配制質量濃度為15％的膠原溶液；另外配制質量濃度為5％聚羥基丁酸一戊酸酯(PHBV)的氯仿溶液；兩種溶液分別置于不同儲液裝置中并分別施加12MPa的高壓，兩種溶液分別從兩個相對相距50厘米的金屬噴嘴中噴出，兩個金屬噴嘴上均施加20KV的正電壓，在距離兩金屬噴嘴約25厘米即兩金屬噴嘴中央附近為一高壓氣體噴嘴，氣體的流速為3米/秒，它能夠對從兩個金屬噴嘴噴出的在附近交會的材料施加一與兩噴嘴垂直的推力，從而將混合后的材料吹向收集裝置，收集裝置為一轉速達1000轉/分的收集鼓，它接地，并且距離氣體噴嘴50厘米。在收集鼓附近有干燥氣體鼓風裝置，最后可以以200克/min的速度獲得聚羥基丁酸一戊酸酯(PHBV)與膠原的混合超細纖維，經卷繞、裁剪后得到組織修復材料。
實施例12將重均分子量為5萬的聚丙烯腈通過螺桿擠壓機熔融并施加10MPa的高壓，用導管連接到電流體力學噴射裝置的噴嘴，噴嘴為0.8毫米圓形噴孔的噴絲板，噴嘴與一超聲波發生裝置相連，同時將高壓電源的正極接到噴絲板內側的電極上，負極與采集板相接。噴嘴與采集板間的距離控制在40cm左右，噴嘴(正極)與對電極(負極)間的電壓為40kv左右，電流體力學噴射裝置的噴嘴處溶液流速1l/min，通過傳送帶即可得到聚丙烯腈超細顆粒薄膜。
實施例13配制5％磺胺甲基異噁唑及5％鄰苯二甲酸醋酸纖維素的5％氨水溶液，在加入適當的添加劑后注入儲液罐并施加10MPa的高壓，用導管連接到電流體力學噴射裝置的噴嘴，噴嘴為0.8毫米圓形噴孔的噴絲板，將高壓電源的正極接到噴絲板內側的電極上，負極與采集板相接。噴嘴與采集板間的距離控制在40cm左右，噴嘴(正極)與對電極(負極)間的電壓為40kv左右，電流體力學噴射裝置的噴嘴處溶液流速1l/min，通過傳送帶即可得到含磺胺甲基異噁唑超細顆粒薄膜。
實施例14配制2％的羅匹尼羅(Ropirinole)即4-[2-(二丙氨基)乙基]-1，3-二氫-2H-吲哚-2-酮-鹽酸鹽，5％聚乙二醇和0.5％Tween 80的水溶液，加壓至10MPa，用導管連接到電流體力學噴射裝置的噴嘴，噴嘴為0.8毫米圓形噴孔的噴絲板，將高壓電源的正極接到噴絲板內側的電極上，負極與采集板相接。噴嘴與采集板間的距離控制在40cm左右，噴嘴(正極)與對電極(負極)間的電壓為40kv左右，電流體力學噴射裝置的噴嘴處溶液流速1l/min。通過傳送帶即可得到含羅匹尼羅的聚乙二醇超細纖維。該超細纖維經切割、壓片等后操作后，可以作為藥物使用。
實施例15分別配制10％(質量分數)的聚乙烯醇水溶液及10％聚苯乙烯丙酮溶液，分別注入儲液罐并施加10MPa的高壓后通過導管連接到各自電流體力學噴射裝置的噴嘴，噴嘴均為0.8毫米圓形噴孔的噴絲板，將30KV的高壓正電源的正極接到聚乙烯醇溶液噴絲板內側的電極上，將-30KV高壓負電源的負極連接到聚苯乙烯溶液噴絲板內側的電極上，兩噴嘴相距60厘米。在兩噴嘴的中間即距離兩個噴嘴的距離均為30厘米為接地的以5米/分傳送的棉布傳送帶，聚乙烯醇及聚苯乙烯超細纖維均以1l/min的速度在棉布上交連形成復合纖維布。該復合纖維布經與甲殼素纖維布及尼龍纖維布分別通過化學及熱黏附后即成為具有病源微生物防護能力的防護材料。
實施例16將鋅條通過電弧熔融后由壓力為20MPa溫度為200度的并且通過40KV高壓電源荷有正電的高壓氣體將液態鋅從噴嘴處以1l/min的速度噴出后經兩塊施加了5KV的金屬板控制荷電的高速流體在一定范圍內流動，在流動了約50厘米后由與對電極相連的傳送帶上的低碳鋼板以10米/分的速度收集鋅超細顆粒。
實施例17配制3％的環丙沙星氯仿溶液及10％的明膠水溶液，兩種試劑分別通過兩個相對且內置與10KV電源連接的電極在12MPa的壓力下以1l/min的速度相對噴射，與此同時被荷有同種電荷的兩股高速空氣以與兩試劑噴嘴垂直的方向沖擊試劑荷電流體，在四股高速荷電流體的下方有一與40KV高壓電源連接并且連有1m/s通風管的沖擊流及高壓電場作用裝置將沖擊混合后的荷電流體通向上方顆粒收集裝置及排風管道，超細藥物膠囊顆粒被接地的收集傳送帶收集而氣體則從收集傳送帶的上方排出經處理后用于循環使用。
實施例18將施加了高壓的200度的四氯化鈦蒸氣從兼作電極與10KV高壓電源的正極連接的互相垂直的兩個噴嘴處噴射，在它們的對面施加了高壓的200度的氧氣從另外兩個同樣與10KV高壓電源正極連接的噴嘴處噴射，氣體在高速碰撞反應后受到其下方與40KV高壓電源正極相連并且通有1m/s的高速氣體的沖擊向上運動，反應的粒子被接地的收集傳送帶收集而未反應的氣體即反應產生的氣體則被分離后用于循環使用，則可獲得二氧化鈦超細粉末。
實施例19將0.05M的醋酸鋅水溶液加壓至1MPa后通過一內置了電極與30KV高壓電源相連并且與超聲波發生裝置相連的噴嘴以1l/min的速度將醋酸鋅超細液滴噴射到40厘米外接地的以1m/min速度運動的傳送帶上被加熱至400度的導電玻璃上，即可獲得透明的附著有氧化鋅超細顆粒薄膜的復合導電玻璃材料。該材料經450℃退火約2h后即可用于傳感器件的制作材料。
實施例20將5％孔雀綠丁基醚液體石蠟溶液17份與3000份5％羥乙基纖維素水溶液混合加壓至5MPa通過一與30KV高壓負電源的負電極相連的內置電極的噴嘴以1l/min的速度噴射，噴嘴兩邊有與噴射荷電流體呈5度夾角溫度130度的1m/s的同樣荷電的空氣流對荷電樣品流體沖擊，超細羥乙基纖維素包裹的孔雀綠丁基醚微膠囊被40厘米外接地的傳送帶收集，氣體則通過冷卻，回收液體石蠟，除去大部分水而空氣則循環使用。
實施例21將加有1％w/v添加劑的10％的氧化鈣水溶液加壓到5MPa通過一與30KV高壓負電源的負電極相連的內置電極的噴嘴以1l/min的速度噴射，從另一相距約60厘米處，二氧化碳氣體以500ml/min的速度通過一與30KV高壓正電源的正電極相連的內置電極的噴嘴噴出，在兩股荷電流體相會的下方有一以1m/s流動的空氣沖擊流將空中顆粒吹向上方，通過旋風分選器將顆粒與氣體分離并收集固體超細顆粒，而氣體則循環使用。
實施例22配制重量/體積比為1.88％茶堿、3.6％甲基丙烯酸、37.4％的甲基丙烯酸乙二醇酯及0.4％的偶氮二異丁腈的N，N-二甲基甲酰胺溶液在氮氣保護下加壓至5MPa后通過一與30kV高壓正電源的正電極相連的內置電極的噴嘴以1l/min的速度在能夠透過紫外光的空間罩內向上進行噴射，噴嘴兩邊有與噴射荷電流體呈5度夾角溫度60度的1m/s的同樣荷電的氮氣流對荷電樣品流體沖擊，同時荷電高速噴射流體罩的外面有紫外光對荷電高速流體進行照射，通過旋風分選器將顆粒與氣體分離并收集固體超細顆粒，而氣體則循環使用。固體超細顆粒經甲醇和乙酸抽提除去茶堿后干燥，得到能夠用于分子印跡分離的具有茶堿分子印跡的聚合物超細顆粒。
權利要求
1.一種制備超細材料高速流體電射流方法，其特征是包括以下步驟a、首先使被加工材料流體化；b、其次使上述已流體化的被加工材料荷電高速流動以制備超細材料，其體積流速介于10毫升/小時～10立方米/秒，線流速介于1.5毫米/秒～1000米/秒，且流體的線流速在至少一個時間段大于0.5米/秒的速率高速流動，并在流體化的被加工材料的流動過程的全部或部分時間段內荷電，荷電電場介于0.1V/毫米～1000kV/毫米；c、通過收集裝置將上述超細化加工后的被加工材料收集即得本發明的超細化材料。
2.根據權利要求1所述的制備超細材料高速流體電噴射方法，其特征是被加工材料的流體化包括溶解、熔融、蒸發、等離子體化、粉碎使被加工材料成為包括氣態、液態、超臨界流體、等離子態、及流體中含有相對主流體成分高密度的成分如固態顆粒包含于載流體、液態顆粒包含于載流體在內的流體形式。對于不能通過溶解、熔融、蒸發、升華、等離子體化、粉碎而流體化的被加工材料則通過使用可以流體化并且能夠通過化學反應或者物理效應在高速電流體運動前或者過程中或者后生成被加工材料或者反應中間體的方法使被加工材料流體化。
3.根據權利要求1所述的制備超細材料高速流體電噴射方法，其特征是在使上述已流體化的被加工材料荷電高速流動過程中還包括荷電流體的運動控制、溫度控制、性狀控制進而使加工過程優化，其特征是(I)、荷電流體的運動控制包括運動軌跡控制、運動模式控制、運動平衡控制、運動作用力控制A、運動軌跡控制即通過電場、磁場、聲場、機械作用力而對荷電流體或者流體進行包括加速、減速、分散、聚焦、定向、范圍在內的運動軌跡控制。當運動軌跡為螺旋狀時需要進行旋轉控制。旋轉控制包括旋轉電場控制、旋轉磁場技術及旋轉軌道控制，旋轉電場、旋轉磁場的頻率介于10-3Hz～109Hz。B、運動模式控制即流體化被加工材料在導致高速運動的作用后以單股或者超過單股的射流運動。當采用超過單股射流時，不同的射流在四維時空根據需要任意排布。不同的射流可以噴射同種材料，也可以是不同材料，還可以是部分相同的材料。不同的射流可以帶相同的電荷，也可以帶相反的電荷，還可以不帶電荷。射流可以由噴嘴進行噴射也可以通過非噴嘴進行噴射。當使用噴嘴噴頭進行噴射時可以采用包括單噴頭、同軸雙噴頭、軸向平行多噴頭及四維時空組成的噴頭陣列。噴頭的截面包括圓形、長方形、異形、針形及其它任選幾何形狀。不同噴頭中的不同材料可以是互相不會發生反應的，也可以是可以發生化學反應或者物理效應的。當采用非噴嘴進行噴射時，可以利用物理或者化學效應而使流體化被加工材料產生局部定向作用力所導致的加速運動使被加工材料以單股或者多股的方式進行高速運動。C、運動平衡控制包括通過平衡相同或者不同流體內及相互間的相互作用力以確保高速荷電流體根據要求進行平穩或者不平穩的運動。D、運動作用力控制包括采用機械作用力包括壓力、推力、拉力、離心力、向心力、聲作用力、其它高速流體作用力及重力、電場作用力、磁場作用力中的一種或者多種作用力以控制流體以適當的軌跡及模式運動。(II)、溫度控制包括通過紅外、微波、熱輻射、發熱系統、熱交換系統、制冷系統而進行溫度控制。在高速流體電射流過程中的不同階段可以采用相同或者不同的溫度控制。(III)、性狀控制是指對被加工材料的物理和或者化學性狀進行控制，包括物理性狀控制及化學反應控制。對被加工材料的性狀控制可以在噴射前、噴射過程中、收集期間或者以后進行。性狀控制可以只有物理性狀控制過程或者化學性狀控制過程，也可以同時具有物理性狀控制過程及化學性狀控制過程。A、物理性狀控制是指通過光、聲、電、磁、熱、機械作用而使被加工材料的全部或者部分通過凝固、蒸發、升華、溶解、熔融、混合、分離在內的途徑對高速流體電噴射被加工材料的形貌、相態進行控制。物理性狀的控制在高速流體電噴射制備超細材料的過程中可以通過一種方法或者途徑進行，也可以通過多種方法或者途徑進行；在過程的不同階段可以采用同一種物理性狀控制方法或者途徑也可以通過不同的物理性狀控制方法或者途徑。B、化學性狀控制是指通過化學反應而改變高速流體電噴射被加工材料的化學組成?；瘜W反應可以只有一種反應，也可以有多種反應，當有多種反應時，反應可以同時發生，也可以在不同時間、不同位置發生。化學反應包括聚合、交聯、接枝、取代、加成、消除、配合、沉淀、分解、中和、氧化還原反應、酯化反應、水解反應、脫水反應、裂化反應、增鏈反應、絡合反應、置換反應、歧化反應、催化反應、重排反應類有機或無機反應。
4.根據權利要求1所述的制備超細材料高速流體電噴射方法，其特征是所述的使上述已流體化的被加工材料荷電高速流動還包括使荷有電荷的被加工材料在后續作用力的作用下進一步分散或者拉伸的過程，后續作用力包括電場作用力、磁場作用力、流體作用力、機械作用力及其它包括熱、聲的作用力，后續作用力其方向與荷電高速流體的方向有一定的夾角，角度介于0～360度，電場及磁場與使流體荷電的電場匹配使荷電流體能夠受到特定的包括吸引或者排斥作用力在內的作用力，對荷電流體有吸引或者排斥作用的電場強度介于0.1V/毫米～1000kV/毫米，磁場強度介于0.001毫特斯拉～30特斯拉；后續作用力可以只有一種作用力，也可以有多種作用力共同作用；整個制備過程中可以不包含、包含一次或一次以上的后續作用力過程。
5.根據權利要求1所述的制備超細材料高速流體電噴射方法，其特征是利用流體沖擊對對從噴嘴噴出的被加工材料進行超細化沖擊加工；流體沖擊是通過其它高速流體沖擊、拉伸、分散被加工的材料的流體組分，用于沖擊的流體中可以包含能夠溶解被加工材料的成分，也可以包含能夠凝固被加工材料的成分，還可以包含能夠與被加工材料進行化學反應或者物理反應的成分，流體沖擊中的流體可以是氣體、液體、超臨界流體、等離子體、液態顆粒包含于載流體、固態顆粒包含于載流體，沖擊流體可以荷有與被加工材料流體相同或者相反的電荷，也可以不帶電荷；其壓力范圍介于1大氣壓至5000大氣壓，沖擊流體的速度介于1.5毫米/秒～1000米/秒。
6.根據權利要求1所述的制備超細材料高速流體電噴射方法，其特征是所述的收集裝置為收集鼓、收集傳送帶、收集板或收集池，可以是干的也可以包含有溶劑或者蒸汽的濕的收集裝置；經過收集裝置收集到的超細材料可以是無序的、部分有序的或者全部有序的；經過收集裝置收集所得的超細化材料經過后續的針刺、水刺、編織、熱黏附、化學黏附、包被其它材料、溶解去除部分成分或篩選后即進一步大規模地獲得由小尺寸的實心、核殼、中空或者多孔狀的顆?；蛘呃w維所構成的顆粒、纖維、薄膜或者塊狀超細化材料。
7.根據權利要求1所述的制備超細材料高速流體電噴射方法，其特征是所述的荷電包括電暈充電、感應充電、接觸充電、摩擦充電、荷電流體充電；荷電可以在流體射流起始處、以前或者以后被荷上一定的電荷，荷電電場包括直流正電場、直流負電場或者交變電場，使流體荷電的電場介于0.1V/毫米～1000kV/毫米。
8.一種制備超細材料的高速流體電射流系統，其特征是它至少由高速射流設備、荷電設備、收集設備組成。
9.根據權利要求8所述的制備超細材料的高速流體電射流系統，其特征是它還包括輔助運動控制裝置，所述的輔助運動控制裝置安裝在收集設備與荷電設備之間。
10.根據權利要求8或9所述的制備超細材料的高速流體電噴射系統，其特征是它還包括后續處理裝置，后續處理裝置安裝在收集設備之前或者之后。
全文摘要
本發明公開了一種制備超細材料高速流體電噴射方法，其特征是包括以下步驟a、首先使被加工材料流體化；b、其次使上述已流體化的被加工材料荷電高速流動以制備超細材料，其體積流速介于10毫升/小時～10立方米/秒，線流速介于1.5毫米/秒～1000米/秒，且流體的線流速在至少一個時間段大于0.5米/秒的速率高速流動，并在流體化的被加工材料的流動過程的全部或部分時間段內荷電，荷電電場介于0.1V/毫米～1000kV/毫米；c、通過收集裝置將上述超細化加工后的被加工材料收集即得本發明的超細化材料。加工設備主要包括高速射流設備、荷電設備、收集設備。有利于提高超細材料的制造效率，降低制造成本。
文檔編號B01J19/00GK1903420SQ20061004021
公開日2007年1月31日 申請日期2006年5月11日 優先權日2006年5月11日
發明者張愛華, 張繼中 申請人:張愛華