CN101352704A - 一种含无喷嘴电流体方法的荷相反电荷流体的对喷技术 - Google Patents

Abstract

一种含有无喷嘴电流体力学方法的荷相反电荷对喷电流体力学方法是通过在荷相反电荷对喷电流体力学方法中引入无喷嘴电流体力学方法从而加工、处理被加工材料。该方法适用于作为具有分离、防护、抗菌、防臭、催化、传感、装饰、结构支撑、生物相容、存储、可控释放、导电、修复、医疗、保健、智能响应、芳香、粘合功能中一种或者超过一种功能的超细材料的制备方法或者材料的涂布方法。所制备的超细材料以实心、中空或者核壳结构的颗粒、纤维、薄膜、布块或块体结构得到应用并能够以低廉的成本、大规模地对材料进行加工。

Description

一种含无喷嘴电流体方法的荷相反电荷流体的对喷技术

技术领域

本发明涉及一种新型对喷电流体力学方法，特别是将无喷嘴电流体力学方法引入对喷电流体力学领域，能够以低廉的成本、大规模地对材料进行复合电流体力学处理。该方法适用于作为具有分离、防护、抗菌、防臭、催化、传感、装饰、结构支撑、生物相容、存储、可控释放、导电、修复、医疗、保健、智能响应、芳香、粘合功能中一种或者超过一种功能的超细材料的制备方法或者材料的涂布方法。所制备的超细材料以颗粒、纤维、薄膜、布块或块体结构得到应用。

背景技术

电流体力学方法指的是被加工材料在荷电情况下通过运动而处理被加工材料的方法。目前主要为利用喷嘴的喷涂用的静电喷雾、静电喷涂及制备超细纤维用的静电纺丝。在电流体力学方法中，利用相反荷电材料的静电相互作用力及电中和的能力，人们已经成功开发出了利用荷相反电荷射流对喷以制备微胶囊及复合纤维的技术。但是由于采用传统的喷嘴或者喷嘴进行电流体力学处理，其产能较低而成本较高，从而限制了其广泛应用。事实上，除了在专利及研究报告中有相关应用外，应用荷相反电荷进行对喷以制备材料的实际应用鲜有报道。

最近，我们开发了一种利用局面助力进行无喷嘴电流体力学技术“一种界面助力型无喷嘴电流体力学方法及其应用”申请号200610040596.3、2007100078491、2007100071651，该方法具有产能大，成本低的特点。我们的研究表明将该技术引入荷相反电荷的对喷电流体力学方法中以制备复合材料，不仅能够充分发挥无喷嘴电流体力学方法的优点，而且能够进一步提高无喷嘴电流体力学方法的应用范围及提高所获得材料的性能。为此，本申请提出荷相反电荷对喷电流体力学方法中引入无喷嘴电流体力学方法，以期为荷相反电荷对喷电流体力学真正走向应用作出贡献。

发明内容

本发明的目的是提供一种含有无喷嘴电流体力学方法的荷相反电荷对喷电流体力学系统及应用。

本发明的技术方案是：

一种含有无喷嘴电流体力学方法的荷相反电荷对喷电流体力学方法其特征在于包括以下步骤：

a、首先使相同或者不同的被加工材料流体化；

b、其次至少同时进行两处荷电相反而喷射方向相对的电流体力学处理，其中至少有一处电流体力学处理方法采用无喷嘴电流体力学方法；

c、通过收集装置将上述荷相反电荷对喷电流体力学方法加工后的被加工材料进行收集。

一种含有无喷嘴电流体力学方法的荷相反电荷对喷电流体力学方法其特征在于被加工材料的流体化包括溶解、熔融、蒸发、等离子体化、粉碎使被加工材料成为包括相态均一或者非均一相态的气态、液态、超临界流体、等离子态、作为载流体的流体中含有相对主流体成分高密度的成分包括固态颗粒包含于载流体、液态颗粒包含于载流体在内的流体形式及作为载流体的流体中含有相对主流体成分低密度的成分包括气态、等离子态物质包含于较气态、等离子态物质密度高的载流体。这里所述的相态均一是指无相界的均一气态、均一等离子体态、均一液态、均一超临界流体态。而非均一相态是指存在相界的不同相结构材料的有序或者无序混合体，如液态油中包含水溶液微液滴，超临界水溶液中包含有固态微颗粒、微小气泡包含于水溶液中。对于不能通过溶解、熔融、蒸发、升华、等离子体化、粉碎而流体化的被加工材料则通过使用可以流体化并且能够通过化学反应或者物理效应在电流体力学方法处理前或者过程中或者后生成被加工材料或者反应中间体的方法使被加工材料流体化。

一种含有无喷嘴电流体力学方法的荷相反电荷对喷电流体力学方法其特征在于荷相反电荷进行对喷的材料可以进行化学反应或者发生物理效应。

一种含有无喷嘴电流体力学方法的荷相反电荷对喷电流体力学方法其特征在于电流体力学方法中的荷电包括电晕充电、感应充电、接触充电、荷电流体充电中的一种或者多种，而优选将电极置于被加工材料容器内的接触充电方法。荷电电场包括直流正电场、直流负电场或者交变电场，使流体荷电的电场介于0.1V/毫米～1000kV/毫米。

一种含有无喷嘴电流体力学方法的荷相反电荷对喷电流体力学方法其特征在于所述的收集装置为收集鼓、收集传送带、收集板或收集池，可以是干的也可以包含有溶剂或者蒸汽的湿的收集装置；经过收集装置收集到的超细材料可以是无序的、部分有序的或者全部有序的；经过收集装置收集所得的超细化材料经过或者不经过后续的针刺、水刺、编织、热黏附、化学黏附、包被其它材料、溶解去除部分成分或筛选步骤中的一种或者超过一种的方法处理后即可获得小尺寸的包括实心、核壳、中空或者多孔状的颗粒或者纤维中一种或者超过一种形貌的超细材料所构成的颗粒、纤维、薄膜或者块状超细化材料。

一种含有无喷嘴电流体力学方法的荷相反电荷对喷电流体力学方法其特征在于被加工材料通过该方法可以获得包括实心、中空或者核壳结构的超细颗粒及超细纤维。

一种含有无喷嘴电流体力学方法的荷相反电荷对喷电流体力学方法其特征在于该方法适用于作为具有分离、防护、抗菌、防臭、催化、传感、装饰、结构支撑、生物相容、存储、可控释放、导电、修复、医疗、保健、智能响应、芳香、粘合功能中一种或者超过一种功能的超细材料的制备方法或者材料的涂布方法。所制备的超细材料以颗粒、纤维、薄膜、布块或块体结构得到应用，它在所用材料中占的比例介于1％～100％。

本发明的有益效果：

通过将无喷嘴电流体力学方法引入荷相反电荷对喷电流体力学领域从而可以廉价、高效、高产能地将被加工材料转化为相应的超细材料。该方法对于超细材料的廉价、大规模地生成应用具有一定的促进作用。

附图说明

图1是无喷嘴被加工材料淋洒针式电极重力式电流体力学方法与无喷嘴内置机械振荡式电流体力学方法结合系统结构示意图。其中无喷嘴被加工材料淋洒针式电极重力式电流体力学方法的组件包括：1正高压电源，1a对电极及收集装置；1b工作电极；2电射流；3被加工材料；3a被加工材料液面；3b被加工材料淋洒组件；3c淋洒的被加工材料；4a多孔膜；4b金属网；4c金属网下方针状突起。而无喷嘴内置机械振荡式电流体力学方法的组件包括1’负高压电源；1’a对电

极及收集装置；1’b工作电极；2’电射流；3’被加工材料；3’a被加工材料液面；4’机械振荡组件；5’机械振荡电源

图2是无喷嘴被加工材料正负电场双滚轮相对击打式电流体力学方法制备微胶囊系统结构示意图。其中负电场滚轮击打式电流体力学方法系统包括：1负高压电源；2电射流；3盛放被加工材料的容器；3a低粘度被加工材料；3b被加工材料液面；4滚轮；4a滚轮边缘尖锐突起；4b是滚轮转轴；5滚轮转动方向。而正电场滚轮击打式电流体力学方法系统包括：1’正高压电源；2’电射流；3’盛放被加工材料的容器；3’a低粘度被加工材料；3’b被加工材料液面；4’滚轮；4’a滚轮边缘尖锐突起；4’b是滚轮转轴；5’滚轮转动方向。收集装置为下方置有接地电极9的传送带8及收集容器10。

图3是无喷嘴被加工材料正负电场双滚轮相对击打式电流体力学方法制备微纤维束系统结构示意图。其中负电场滚轮击打式电流体力学方法系统包括：1负高压电源；2电射流；3盛放被加工材料的容器；3a高粘度被加工材料；3b被加工材料液面；4滚轮；4a滚轮边缘尖锐突起；4b是滚轮转轴；5滚轮转动方向。而正电场滚轮击打式电流体力学方法系统包括：1’正高压电源；2’电射流；3’盛放被加工材料的容器；3’a高粘度被加工材料；3’b被加工材料液面；4’滚轮；4’a滚轮边缘尖锐突起；4’b是滚轮转轴；5’滚轮转动方向。收集装置为相对转动的辊轮6并可获得微纤维束7。

图4无喷嘴组合滚轮击打式电流体力学方法连续涂布系统结构示意图。连续涂布系统由电场相反的A及B子系统、待涂布薄膜6、控制待涂布薄膜的转动辊轮7及接地电极8组成。其中A子系统包含负高压电源A1；被加工材料A3；与负高压电源连接的多组滚轮A4。而B子系统包含正高压电源B1；被加工材料B3；与正高压电源连接的多组滚轮B4。

图5无喷嘴被加工材料正负电场滚轮相对击打式与喷嘴电喷雾复合电流体力学方法结构示意图。其中负电场滚轮击打式电流体力学方法系统包括：1负高压电源；2电射流；3盛放被加工材料的容器；3a低粘度被加工材料；3b被加工材料液面；4滚轮；4a滚轮边缘尖锐突起；4b是滚轮转轴；5滚轮转动方向。

而正电场喷嘴静电喷雾电流体力学方法系统包括：1’正高压电源；2’电射流；3’盛放被加工材料的容器；3’a低粘度被加工材料；3’b静电喷雾器喷嘴。收集装置为内有接地极7的收集池8。

图6图3是无喷嘴被加工材料正负电场三滚轮相对击打式电流体力学方法制备微纤维束系统结构示意图。其中负电场滚轮击打式电流体力学方法系统包括：1负高压电源；2电射流；3盛放被加工材料的容器；3a高粘度被加工材料；3b被加工材料液面；4滚轮；4a滚轮边缘尖锐突起；4b是滚轮转轴；5滚轮转动方向。而正电场滚轮击打式电流体力学方法系统包括两并排排列的电射流系统：1’正高压电源；2’电射流；3’盛放被加工材料的容器；3’a高粘度被加工材料；3’b被加工材料液面；4’滚轮；4’a滚轮边缘尖锐突起；4’b是滚轮转轴；5’滚轮转动方向。2”电射流；3”盛放被加工材料的容器；3”a高粘度被加工材料；3”b被加工材料液面；4”滚轮；4”a滚轮边缘尖锐突起；4”b是滚轮转轴；5”滚轮转动方向。收集装置为相对转动的辊轮6并可获得微纤维束7。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1：

无喷嘴被加工材料淋洒针式电极重力式电流体力学方法与无喷嘴内置机械振荡式电流体力学方法结合系统结构如图1所示。被加工材料3即23％平均分子量为15.8k道尔顿的聚苯乙烯的乙酸乙酯溶液通过被加工材料淋洒组件3b形成淋洒液3c并沉积到起匀化重力作用的多孔膜4a，并在重力作用下通过多孔膜运动至金属网4b的下方的针状突起上。将金属网4b连接至2万伏高压负电源1的负极作为工作电极1b，对电极与收集装置1a即收集传送带合并。在施加了高压负电场的情况下被加工材料3同时受到重力及静电作用力而形成电射流2，从而对被加工材料进行加工。而在其下方，机械振荡组件4’置于被加工材料3’即21％平均分子量为15.8k道尔顿的聚苯乙烯的乙酸乙酯溶液中，在开启机械振荡电源5’的情况下，机械振荡组件进行振动并引发被加工材料振荡，振荡作用力可引起部分溶液界面形成尖锐的射流状态因此可以作为电流体力学方法的助力。将2万伏正高压正电源1’的正极连接工作电极1’b置于被加工材料液面3’a下而对电极与收集装置1a合并。在同时开启机械振荡电源与高压电源时，静电作用力与振荡作用力共同作用从而形成电射流2’并进而对被加工材料进行加工。通过无喷嘴被加工材料淋洒针式电极重力式电流体力学方法形成的荷电射流2与通过无喷嘴内置机械振荡式电流体力学方法形成的电射流2’在收集传送网1a处会合形成由被加工材料3所形成的聚苯乙烯超细纤维、收集传送网及被加工材料3’所形成尺寸不同的聚苯乙烯超细纤维复合的复合超细纤维膜。

实施例2：

无喷嘴被加工材料正负电场双滚轮相对击打式电流体力学方法制备微胶囊系统结构如图2所示。低粘度流体化被加工材料3a即3％己二胺甘油溶液位于滚轮下方容器3内并在滚轮4转动时将被加工材料附着于滚轮上，并在滚轮边缘尖锐突起4a处受到离心作用力。滚轮连接至20000伏负高压电源1的负极作为工作电极。在施加了高压电场及滚轮转动的情况下两种被加工材料3a受到离心力及静电作用力而形成电射流2，从而对被加工材料3a进行加工。在其对面低粘度流体化被加工材料3’a即6％己二酰氯甲苯溶液位于滚轮下方容器3’内并在滚轮4’转动时将被加工材料附着于滚轮上，并在滚轮边缘尖锐突起4’a处受到离心作用力。滚轮连接至20000伏正高压电源1’的正极作为工作电极。在施加了正高压电场及滚轮转动的情况下被加工材料3’a受到离心力及静电作用力而形成电射流2’，从而对被加工材料3’a进行加工。电射流2及电射流2’在空中相遇发生缩聚反应形成以聚酰胺-66为壁材的甘油超细微胶囊并由于受到重力及其下方接地电极9的电场作用而沉降至传送带上，最后通过传送而至收集容器10中。

实施例3：

无喷嘴被加工材料正负电场双滚轮相对击打式电流体力学方法制备微纤维束系统结构如图3所示。高粘度流体化被加工材料3a即20％平均分子量为10万的聚丙烯腈的N，N’-二甲基甲酰胺溶液位于滚轮下方容器3内并在滚轮4转动时将被加工材料附着于滚轮上，并在滚轮边缘尖锐突起4a处受到离心作用力。滚轮连接至2万伏负高压电源1的负极作为工作电极。在施加了高压电场及滚轮转动的情况下两种被加工材料3a受到离心力及静电作用力而形成电射流2，从而对被加工材料3a进行加工。在其对面高粘度流体化被加工材料3’a即21％平均分子量为10万的聚丙烯腈的N，N’-二甲基甲酰胺溶液位于滚轮下方容器3’内并在滚轮4’转动时将被加工材料附着于滚轮上，并在滚轮边缘尖锐突起4’a处受到离心作用力。滚轮连接至2万伏正高压电源1’的正极作为工作电极。在施加了正高压电场及滚轮转动的情况下被加工材料3’a受到离心力及静电作用力而形成电射流2’，从而对被加工材料3’a进行加工。电射流2及电射流2’在空中相遇形成由聚丙烯腈超细纤维组合而成的微纤维束并由于受到重力及其下方辊轮6的向下作用力而形成连续的微纤维束7。

实施例4：

无喷嘴组合滚轮击打式电流体力学方法连续涂布系统结构如图4所示。连续涂布系统由电场相反的A及B子系统、待涂布薄膜6、控制待涂布薄膜的转动辊轮7及接地电极8组成。其中A子系统包含5万伏负高压电源A1；被加工材料A3即清漆；与负高压电源连接的多组滚轮A4。而B子系统包含5万伏正高压电源B1；被加工材料B3即红色油漆；与正高压电源连接的多组滚轮B4。工作时，流体化涂布介质即被加工材料采用清漆的A3及采用红色油漆的B3同时受到滚轮的离心作用力及静电场作用力而形成荷电射流A2及B2。由于荷电射流A2与B2的荷电极性相反及两者间的接地电极8，荷电射流依次以清漆-红色油漆的方式均涂布于由辊轮控制的待涂布薄膜的一面。由于A及B子系统有多组，因此待涂布薄膜可以以较快的速度运动并形成均匀涂布。

实施例5

无喷嘴被加工材料正负电场滚轮相对击打式与喷嘴电喷雾复合电流体力学方法制备微胶囊系统结构如图5所示。低粘度流体化被加工材料3a即将质量浓度1.8％海藻酸钠-0.9％生理盐水中加入胰岛细胞至浓度达到3000IEQ/毫升的溶液位于滚轮下方容器3内并在滚轮4转动时将被加工材料附着于滚轮上，并在滚轮边缘尖锐突起4a处受到离心作用力。滚轮连接至20000伏负高压电源1作为工作电极。在施加了高压电场及滚轮转动的情况下两种被加工材料3a受到离心力及静电作用力而形成电射流2，从而对被加工材料3a进行加工。在其对面低粘度流体化被加工材料3’a即质量浓度1.1％氯化钙水溶液通过喷嘴3’b即喷嘴连接至20000伏正高压电源1’作为工作电极。在对氯化钙水溶液施加0.1MPa的压力及施加了正高压电场的情况下被加工材料3’a通过喷嘴形成电喷雾电射流2’，从而对被加工材料3’a进行加工。电射流2及电射流2’在空中相遇形成以海藻酸钠为壁内含胰岛细胞的超细微胶囊6并由于受到重力及其下方接地电极7的电场作用而沉降至收集池8即0.9％生理盐水中。

实施例6

无喷嘴被加工材料单正双负电场三滚轮相对击打式电流体力学方法制备微纤维束系统结构如图6所示。高粘度流体化被加工材料3a即20％平均分子量为10万的聚丙烯腈的N，N’-二甲基甲酰胺溶液位于滚轮下方容器3内并在滚轮4转动时将被加工材料附着于滚轮上，并在滚轮边缘尖锐突起4a处受到离心作用力。滚轮连接至2万伏负高压电源1的负极作为工作电极。在施加了高压电场及滚轮转动的情况下两种被加工材料3a受到离心力及静电作用力而形成电射流2，从而对被加工材料3a进行加工。在其对面高粘度流体化被加工材料3’a即21％平均分子量为10万的聚苯乙烯的乙酸乙酯溶液位于滚轮下方容器3’内并在滚轮4’转动时将被加工材料附着于滚轮上，并在滚轮边缘尖锐突起4’a处受到离心作用力。滚轮连接至2万伏正高压电源1’的正极作为工作电极。在施加了正高压电场及滚轮转动的情况下被加工材料3’a受到离心力及静电作用力而形成电射流2’，从而对被加工材料3’a进行加工。与3’a并排放置有高粘度流体化被加工材料3”a即10％平均分子量为8万的聚乙烯醇的水溶液位于滚轮下方容器3”内并在滚轮4”转动时将被加工材料附着于滚轮上，并在滚轮边缘尖锐突起4”a处受到离心作用力。滚轮同样连接至2万伏正高压电源1’的正极作为工作电极。在施加了正高压电场及滚轮转动的情况下被加工材料3”a受到离心力及静电作用力而形成电射流2”，从而对被加工材料3”a进行加工。电射流2、电射流2’及电射流2”在空中相遇形成由聚丙烯腈超细纤维、聚苯乙烯超细纤维及聚乙烯醇超细纤维组合而成的微纤维束并由于受到重力及其下方辊轮6的向下作用力而形成连续的微纤维束7。

Claims (7)

1、一种含有无喷嘴电流体力学方法的荷相反电荷对喷电流体力学方法其特征在于包括以下步骤：

a、首先使相同或者不同的被加工材料流体化；

b、其次至少同时进行两处荷电相反而喷射方向相对的电流体力学处理，其中至少有一处电流体力学处理方法采用无喷嘴电流体力学方法；

c、通过收集装置将上述荷相反电荷对喷电流体力学方法加工后的被加工材料进行收集。

2、如权利要求1所述的含有无喷嘴电流体力学方法的荷相反电荷对喷电流体力学方法其特征在于被加工材料的流体化包括溶解、熔融、蒸发、等离子体化、粉碎使被加工材料成为包括相态均一或者非均一相态的气态、液态、超临界流体、等离子态、作为载流体的流体中含有相对主流体成分高密度的成分包括固态颗粒包含于载流体、液态颗粒包含于载流体在内的流体形式及作为载流体的流体中含有相对主流体成分低密度的成分包括气态、等离子态物质包含于较气态、等离子态物质密度高的载流体。这里所述的相态均一是指无相界的均一气态、均一等离子体态、均一液态、均一超临界流体态。而非均一相态是指存在相界的不同相结构材料的有序或者无序混合体，如液态油中包含水溶液微液滴，超临界水溶液中包含有固态微颗粒、微小气泡包含于水溶液中。对于不能通过溶解、熔融、蒸发、升华、等离子体化、粉碎而流体化的被加工材料则通过使用可以流体化并且能够通过化学反应或者物理效应在电流体力学方法处理前或者过程中或者后生成被加工材料或者反应中间体的方法使被加工材料流体化。

3、如权利要求1所述的含有无喷嘴电流体力学方法的荷相反电荷对喷电流体力学方法其特征在于荷电对喷的材料接触后可以进行化学反应或者发生物理效应。

4、如权利要求1所述的含有无喷嘴电流体力学方法的荷相反电荷对喷电流体力学方法其特征在于电流体力学方法中的荷电包括电晕充电、感应充电、接触充电、荷电流体充电中的一种或者多种，而优选将电极置于被加工材料容器内的接触充电方法。荷电电场包括直流正电场、直流负电场或者交变电场，使流体荷电的电场介于0.1V/毫米～1000kV/毫米。

5、如权利要求1所述的含有无喷嘴电流体力学方法的荷相反电荷对喷电流体力学方法其特征在于所述的收集装置为收集鼓、收集传送带、收集板或收集池，可以是干的也可以包含有溶剂或者蒸汽的湿的收集装置；经过收集装置收集到的超细材料可以是无序的、部分有序的或者全部有序的；经过收集装置收集所得的超细化材料经过或者不经过后续的针刺、水刺、编织、热黏附、化学黏附、包被其它材料、溶解去除部分成分或筛选步骤中的一种或者超过一种的方法处理后即可获得小尺寸的包括实心、核壳、中空或者多孔状的颗粒或者纤维中一种或者超过一种形貌的超细材料所构成的颗粒、纤维、薄膜或者块状超细化材料。

6、如权利要求1所述的含有无喷嘴电流体力学方法的荷相反电荷对喷电流体力学方法其特征在于被加工材料通过该方法可以获得包括实心、中空或者核壳结构的超细颗粒及超细纤维。

7、如权利要求1所述的含有无喷嘴电流体力学方法的荷相反电荷对喷电流体力学方法其特征在于该方法适用于作为具有分离、防护、抗菌、防臭、催化、传感、装饰、结构支撑、生物相容、存储、可控释放、导电、修复、医疗、保健、智能响应、芳香、粘合功能中一种或者超过一种功能的超细材料的制备方法或者材料的涂布方法。所制备的超细材料以颗粒、纤维、薄膜、布块或块体结构得到应用，它在所用材料中占的比例介于1％～100％。

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