一种防细土和水逃逸的致密芳纶纤维取芯软袋的制备方法与流程

1.本发明属于月壤采集用取芯软袋制备技术领域，具体涉及一种防细土和水逃逸的致密芳纶纤维取芯软袋的制备方法。


背景技术：

2.2020年我国嫦娥5号探测器顺利完成了对月球月壤的采集、包裹、收取任务并开展月壤成份的研究，该次任务对我国探月工程项目以及对月球内部月壤成份的研究意义重大。与此同时，该次发射任务的成功，也表明我国在探月工程初期定下的“绕”“落”“回”三步走任务圆满的完成。接下来，我国将开始规划并执行月球四期探测任务，计划于2021
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2030年针对月球南极执行3次无人探测任务，以增进对月球的了解，加强技术储备，希望在月球南极建成“月球科研站”基本型，作为人类地外天体开发活动标志性的重大工程，推动国际月球大科学计划，成为全人类太空开发的重要共享平台。在下一阶段探月工作任务当中，月球极区的资源，特别是水资源的分布及其存在形式是月球探测的重要科学目标之一，探寻水的存在对月球科研站的建立以及后续深空探测任务具有重大意义。按照现有论证规划，“探月四期”工程第1次任务将对月球南极进行物质成分就位探测普查，特别是将选取永久阴影区内部作为探测区域，验证水资源存在于月球的科学推测。“探月四期”第2次任务将对月球极区进行样品采集并带回地球用于科学研究，作业方式拟继承“探月三期”“嫦娥5号”，并在现有技术状态基础上针对极区低温环境复杂对象等特征对产品进行适应性改进。上述两次工程任务，都需要开展针对月球极区的采样技术研究。但是目前我国在探月三期任务所采用纤维编织取芯软袋却很难满足探月四期任务需求，主要原因在于目前所制备的纤维取芯软袋孔隙率过大，钻取包覆的冻土，在高真空、高低温变化且长时间返回途中微量的水分很难得到保存，会导致对月球极区月壤含量的准确判断存在较大误差。为了解决该技术难题，大量的研究团队利用耐高温树脂来添覆取芯软袋之间的空隙，将取芯纤维软袋致密化，防止水分的逃逸。但是随着研究的深入，采用该方式制备的复合纤维取芯软袋的缺陷逐渐显露。首先，涂覆树脂后复合纤维取芯软袋的柔韧性能降低，这对于取芯软袋翻折包覆月壤极为不利，将使钻取过程变的异常困难。其次，目前已知树脂材料很难克服外太空的严苛环境，在高紫外辐照、高低温交替变化环境下，所涂覆树脂极易降解并污染月壤。因此，开发出一种结构致密且性能优异稳定的复合取芯软袋是目前亟需解决的关键性问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的是为了解决目前纤维取芯软袋由于孔隙率过大，对细土以及水分难以保存的缺陷，提供一种防细土和水逃逸的致密芳纶纤维取芯软袋的制备方法，本发明首次利用直径在10
‑
20nm纳米芳纶纤维填补传统芳纶纤维取芯软袋的空隙，进而为我国探月工程项目提供技术储存以及服务。
4.为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
5.一种防细土和水逃逸的致密芳纶纤维取芯软袋的制备方法，所述方法具体步骤
为：
6.步骤一：一体化芳纶取芯软袋的制备
7.将含有100
‑
300根的直径在10
‑
12μm的高性能纤维经纱首先进行加捻整经处理，然后采用织机平纹织出筒状柔性织物，再进行整齐切断码边，得到直径均一，长度均一的取芯软袋；
8.步骤二：纳米芳纶纤维的制备
9.将芳纶纤维均匀分散在二甲基亚砜溶液(纯度99.99％)当中，然后加入氢氧化钾颗粒，混合均匀后，100
‑
1000r/min搅拌1周时间，待芳纶纤维全部溶解，得到纳米芳纶纤维溶液；
10.步骤三：同质芳纶纤维/纳米芳纶复合取芯软袋的制备
11.通过浸润或涂覆的方式使步骤二的纳米芳纶纤维溶液覆盖在步骤一的取芯软袋上，刮除取芯软袋表面多余的纳米芳纶纤维溶液，只将纳米芳纶纤维溶液添附在取芯软袋的纤维空隙处，制备完成之后，将所得复合取芯软袋浸泡在去离子水当中，去除纳米芳纶纤维中的二甲基亚砜溶液，溶剂替换之后，将复合取芯软袋在50～100℃的烘箱当中烘干，即得到致密的复合取芯软袋。
12.进一步地，步骤一中，将得到的取芯软袋浸泡在二甲基亚砜中，超声30min，去除软袋表面残留杂质，将清洗后的软袋晾干。
13.进一步地，步骤一中，所述高性能纤维为芳纶纤维、高性能有机纤维或者混合纤维。
14.进一步地，所述高性能有机纤维为pbo纤维或pipd纤维。
15.进一步地，步骤二中，所述芳纶纤维与氢氧化钾的质量比为1：1.5。
16.进一步地，步骤二中，所述芳纶纤维占总混合物的质量分数为1.0～5.0wt％。
17.进一步地，步骤三中，所述烘干的温度为60℃。
18.本发明相对于现有技术的有益效果为：
19.1、采用同质的纳米芳纶纤维涂覆，满足项目的技术要求，同时可以克服外太空严苛的环境，保证所采集的月壤不受到污染。
20.2、纳米芳纶纤维与芳纶纤维取芯软袋之间较强的氢键及范德华力作用，保证复合取芯软袋整体仍然具有优异的柔韧性能和拉伸性能，确保复合软袋翻折包覆月壤的技术要求。
21.3、纳米芳纶纤维所组装隔膜致密空隙结构，确保细土以及冻冰在外太空严苛的环境很难逃逸，为后续地面研究月壤的层理结构以及验证水分的含量奠定了基础。
22.4、本发明制造工艺简单、制备方便，涂覆厚度等参数可调性强，具有很高的实用价值。
附图说明
23.图1为编织芳纶纤维取芯软袋的照片；
24.图2为纳米芳纶纤维tem图；
25.图3为复合芳纶纤维取芯软袋的制备示意图。
26.图4为纤维取芯软袋震荡实验示意图；
27.图5为芳纶纤维取芯软袋的照片；
28.图6为芳纶纤维/纳米芳纶复合取芯软袋的照片。
具体实施方式
29.下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
30.本发明中的纳米芳纶纤维与传统芳纶纤维为同质材料，与传统芳纶纤维相比，纳米芳纶纤维不仅继承了传统芳纶纤维高强、高模、耐高温的特性，同时还具有更小的纤维直径尺寸。由于纳米芳纶纤维的尺寸大幅度减少，其所组装对应的纳米纤维膜孔径尺寸极小。细小的颗粒以及水分很难从纳米纤维多组装的纤维膜渗透。与此同时，由于纳米芳纶纤维分子链之间超强的分子链之间和氢键相互作用，其所组装纳米芳纶膜材料具有十分优异的拉伸性能和柔韧性能。因此，利用纳米芳纶纤维填补探月三期芳纶纤维软袋之间的空隙率，很大程度上增加了取芯软袋的致密性，同时保证复合取芯软袋优异的整体性能，为我国“探月四期”任务月球冻土的采集以及水分含量的论证及工程实施提供方案参考和技术支持。
31.本发明通过将纳米芳纶纤维均匀的涂覆在取芯软袋表面，弥补并填充粗纤维取芯软袋孔径过大的缺陷，最终制备得到性能均一、结构致密且为同质的芳纶纤维/纳米芳纶纤维复合取芯软袋。实现了纳米芳纶纤维与芳纶纤维两者之间的有效复合，利用纳米芳纶纤维结构致密，孔隙率极小的特点，弥补目前传统芳纶取芯软袋的空隙率过大，内部细壤以及水分流失的缺陷，在保持原有性能的基础上，进一步增强复合取芯软袋的功能，方法简单，效果明显。
32.实施例1：
33.1、取芯纤维软袋的制备
34.将含有100
‑
300根直径在10
‑
12μm的芳纶纤维经纱首先进行加捻整经处理，然后采用织机平纹织出筒状柔性织物，根据设计要求，取芯软袋的内径为17.3 0.1mm，换算成软袋幅宽为27.2mm，考虑到取芯软袋的厚度，将编织时的幅宽定为27.4mm，纬密为40根/cm，在此条件下，按照不同经纱根数进行软袋编织。经纱根数的不同，对取芯软袋的厚度有影响，且随着经纱根数的增加，厚度不断增加。选择取芯软袋的经纱根数为148根。织造过程中，按照幅宽为27.4mm，经纱根数为148根，纬密为40根/cm的参数对取芯软袋进行编织，最终织得的取芯软袋主体部分，得到直径均一，长度均一的取芯软袋，如图1所示。
35.2、纳米芳纶纤维制备
36.将1g芳纶纤维和99g的二甲基亚砜(dmso)溶液加入到容量为150ml的密闭丝口瓶当中。待芳纶纤维浸润后，加入1.5g氢氧化钾(koh)，其中芳纶纤维与koh的质量比为(1:1.5)，缓慢搅拌10
‑
15天，待芳纶纤维全部溶解后，即得质量分数为1wt％的纳米芳纶纤维溶液，纳米芳纶纤维的直径在5
‑
10nm之间，如图2所示。
37.3、取芯纤维/纳米芳纶纤维复合软袋的制备
38.将长度20cm，宽度2.72cm的芳纶取芯软袋，浸润到步骤2所制备的纳米芳纶溶液当中，10min后，将复合取芯软袋从纳米纤维溶液中取出。同时将取芯软袋平铺到聚四氟乙烯板表面，要求没有褶皱和凸起，待平铺后，均匀的刮除多余的纳米芳纶纤维溶液。与此同时，
将浸润的复合取芯软袋套在四氟乙烯软管上面，保证取芯软袋内部的均匀性。涂覆均匀后，将复合取芯软袋浸泡在去离子水当中，去除纳米纤维溶液中的dmso溶剂，反复清洗3次。待dmso溶剂完全去除后，在60
‑
80℃烘箱中烘干，即得到复合纤维取芯软袋，具体制备流程如图3所示。为了进一步提高复合取芯软袋的致密性能，可以反复利用纳米芳纶纤维溶液进行添附，具体步骤与上述步骤一致。实验结果表明，初始取芯软袋的拉伸强度为3200n，纳米纤维涂覆后取芯软袋仍然保持在3200n左右，拉伸性能不变。
39.除此之外，在防细土和冻土的震荡实验过程中，所填充的细土和冻冰基本质量基本没有改变，也证明了纳米芳纶纤维对取芯软袋的密闭效果。
[0040][0041][0042]
实施例2：
[0043]
1、取芯纤维软袋的制备
[0044]
将含有100
‑
300根直径在10
‑
12μm的芳纶纤维经纱首先进行加捻整经处理，然后采用织机平纹织出筒状柔性织物，取芯软袋的内径为17.3 0.1mm，换算成软袋幅宽为27.2mm，考虑到取芯软袋的厚度，将编织时的幅宽定为27.4mm，纬密为40根/cm，在此条件下，按照不同经纱根数进行软袋编织。经纱根数的不同，对取芯软袋的厚度有影响，且随着经纱根数的增加，厚度不断增加。选择取芯软袋的经纱根数为148根。织造过程中，按照幅宽为27.4mm，经纱根数为148根，纬密为40根/cm的参数对取芯软袋进行编织，最终织得的取芯软袋主体部分，得到直径均一，长度均一的取芯软袋，如图5所示。
[0045]
2、纳米芳纶纤维制备
[0046]
将2g芳纶纤维和98g的二甲基亚砜(dmos)溶液加入到容量为150ml的密闭丝口瓶当中。待芳纶纤维浸润后，加入3.0g氢氧化钾(koh)，其中芳纶纤维与koh的质量比为(1:1.5)，缓慢搅拌10
‑
15天，待芳纶纤维全部溶解后，即得到质量分数为2.0wt％的纳米芳纶纤维溶液，纳米芳纶纤维的直径在5
‑
10nm之间。
[0047]
3、取芯纤维/纳米芳纶纤维复合软袋的制备
[0048]
将长度20cm，宽度2.72cm的芳纶取芯软袋，浸润到步骤2所制备的纳米芳纶溶液当中，15min后，将复合取芯软袋从纳米纤维溶液中取出。同时将取芯软袋平铺到聚四氟乙烯板表面，待平铺后，均匀的刮除多余的纳米芳纶纤维溶液。与此同时，将浸润的复合取芯软袋套在四氟乙烯软管上面，保证取芯软袋内部的均匀性。涂覆均匀后，将复合取芯软袋浸泡在去离子水当中，去除纳米纤维溶液中的dmso溶剂，反复清洗3次。待dmso溶剂完全去除后，在55
‑
70℃烘箱中烘干，即得到复合纤维取芯软袋，如图6所示。为了进一步提高复合取芯软袋的致密性能，本发明可以反复利用纳米芳纶纤维溶液进行添附，具体步骤与上述步骤一致。实验结果表明，初始取芯软袋的拉伸强度为3200n，纳米纤维涂覆后取芯软袋仍然保持在3200n左右，拉伸性能不变。
[0049]
除此之外，在防细土和冻土的震荡实验过程中，如图4所示，所填充的细土和冻冰基本质量基本没有改变，也证明了纳米芳纶纤维对取芯软袋的密闭效果。
[0050]
震荡实验表格
[0051][0052]