CN101586257B - 控制纤维粘连的静电纺丝方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种控制纤维粘连的静电纺丝方法及装置，在包括有电极喷丝头和收集器的电纺丝装置上，相对于收集器表面装有油剂喷雾器及干燥装置，对在收集器上初始形成的纤维喷雾上油剂，对上油后离开收集器的纤维干燥，使喷雾流量、干燥速度及温度匹配，从而有效地控制静电纺丝过程中纤维粘连，保证了纤维在后续处理过程中保持彼此分开或控制粘连状态。本发明的方法还可以用于对电纺丝纤维的表面功能改性，制备功能性电纺丝纤维，操作简便、易行。
Description
技术领域
本发明涉及静电纺丝的方法及装置，具体涉及一种控制纤维粘连的静电纺丝方法及装置。
背景技术
静电纺丝是目前获得纳米级或亚微米级纤维最有效的纺丝方法，所得的纳米纤维的直径一般在几十纳米～微米之间，无纺毡的孔尺寸从几微米～几百微米之间，具有超高的比表面积和大的孔隙率，纤维分子链的取向和晶格的重排会表现出更优异的力学性能，通过后续的预氧化和碳化加工制备纳米或亚微米级炭纤维，是制备高性能复合材料的重要增强材料。静电纺丝工艺和装置完全不同于传统的纺丝过程，它是利用高压正电极喷丝器喷出的纺丝溶液细流，由负电极收集器接受固定、干燥形成纤维，由于静电纺丝纤维非常细，纤维之间容易粘连，大多情况下得到的是有许多交联点的毛毡。即使在纺丝过程没有粘连的纤维，在后续处理过程中也有可能发生反应而粘连。通常静电纺丝过程中利用溶剂的挥发来控制纤维之间的粘连，但由于静电纺丝需要大量的溶剂，很难有效控制，所以目前控制静电纺丝纤维粘连的研究报道较少。而在传统的纤维纺丝中，为防止纺出的纤维粘连，往往使纺出的纤维(或纤维束)先通过浸油槽对纤维上油剂(上油)，然后由收丝辊卷绕收集，但是由于静电纺丝工艺和装置完全不同于传统的纺丝过程，它的收集器速度非常快，传统的浸渍上油剂方法会被高速旋转的收集器溅飞，且电纺纤维丝非常细，纤维不仅容易断裂，浸渍过多的溶剂也不易挥发，所以通过传统的浸渍上油剂方法在电纺丝过程上油比较困难。中国专利申请号200410025622.6报道在静电纺丝过程中引入凝固浴，即在喷丝装置下方设置带电极凝固浴，喷丝器喷出的溶液细流由凝固浴装置接收，由凝固剂凝固成纤维，该装置的应用可以在一定程度上防止纤维的粘连，但是实施相对复杂，需要改变传统电纺丝收集装置，且凝固工艺与喷丝工艺的配合控制较难，需增加配置凝固液等工艺，提高了纺丝成本，而且最终纺出的纤维没有油剂保护，在后续加工过程中难免发生进一步粘连。
发明内容
本发明提出一种控制纤维粘连的静电纺丝方法及装置，该方法可以在静电纺丝过程中对纤维均匀上油剂，从而避免了静电纺丝过程及后续工艺中纤维粘连，还可以对纤维表面进行改性，该装置不需要改变现有的静电纺丝喷丝及收集装置，且上油过程不会飞溅，操作简单、易控，成本低。
本发明提出的控制纤维粘连的静电纺丝方法：在静电纺丝过程中，将配置的聚合物纺丝溶液，通过喷丝头喷出，由收集器接受形成纤维，将接收在收集器的纤维首先经过设置在收集器始端的油剂喷雾器，把预先配置的纺丝油剂溶液喷雾涂于收集固化的纤维上，然后通过设置在收集器末端的干燥器对上油后的纤维干燥，干燥温度控制在20℃-100℃，使油剂溶液中的溶剂挥发，所述的油剂溶液油剂的质量浓度不高于4％-5％，喷雾流量不大于100ml/min，控制收集器表面与喷雾器的相对线速度在3～15m/s。
上述的油剂溶液，可以采用通常纺丝用的油溶性油剂或水溶性油剂配制的溶液，其中油溶性油剂是硅油、磺化油，以酒精或丙酮为溶剂配置成油溶性油剂溶液，油剂质量浓度优选为0.3％～1％；所述的水溶性油剂是以硅油乳液、磺化油乳液、聚乙烯乳液或氟化物乳液，以水为溶剂配置成水溶性油剂溶液，油剂质量浓度优选不高于1.0％。
上述的油剂溶液中，还可以含有对纤维表面的功能改性剂，如抗菌剂、药剂、平滑柔软剂或抗静电剂。
本发明的干燥过程，收集器表面的温度优选控制在20℃-80℃，同时最好保持纺丝过程中纤维通过的环境温度不低于25℃-80℃。收集器的线速度要与干燥速度匹配，干燥速度与喷雾流量及干燥温度关联，根据收集器线速度控制喷雾流量及干燥温度。
本发明提出的控制静电纺丝纤维粘连的装置是：在包括有电极喷丝头、收集器的静电纺丝装置上，相对于收集器表面装有油剂喷雾器及干燥装置，其中喷雾器位于收集器始端，对在收集器上初始形成的纤维喷雾上油剂，且喷嘴距收集器表面相对距离8-20cm，干燥器位于收集器末端，对上油后离开收集器的纤维干燥，喷丝头、喷雾器、干燥器之间的间隔距离不小于10cm，干燥器与收集器的距离不小于10-20cm。
上述装置中，喷嘴距收集器表面相对距离要保持在8-20cm之间，距离过短容易引起放电，如果距离过长则会使油剂飘散到收集器以外，浪费油剂而又起不到好的效果。
上述装置中，喷丝头、喷雾器、干燥器之间的间隔距离不小于10cm，干燥器与收集器的距离不小于10-20cm，使喷雾上油后的纤维中的溶剂挥发，纤维表面充分干燥。
本发明的装置中，所述的收集器为公知的接地电纺丝收集器，包括旋转鼓形、履带式、移动平板式等。
本发明的装置中，所用的干燥器为各种电热器，优选采用红外干燥器。
本发明的效果：本发明提出了与静电纺丝过程中相适应的喷雾、干燥上油剂的方法和装置，并且使收集器线速度与喷雾流量、干燥温度等参数匹配，从而有效地控制静电纺丝过程中纤维粘连，而且保证了纤维在后续处理过程中保持彼此分开或控制粘连状态。这种方法还可以用于直接改进电纺丝纤维的表面功能，如在纤维表面喷涂消毒剂或涂覆功能性物质，制备功能性纳米纤维，操作简便、易行。
附图说明
图1是本发明装置示意图
具体实施方式
如图1所示，在通常的包括有正电极喷丝头1、负电极收集器2的静电纺丝纤维装置上，相对于收集器表面装有油剂喷雾3及干燥装置4，其中喷雾装置位于收集器始端，喷嘴距收集器表面相对距离8-20cm。干燥器位于收集器的尾端，使收集到收集器的初始纤维先经过喷雾器，再经过干燥器，且纤维经过喷丝头、喷雾器、干燥器两两之间经过的路程不小于10cm，干燥器与收集器的距离不小于10-20cm。聚合物纺丝溶液通过喷丝头喷出，由收集器收集形成纤维，在收集器初始位置设置的油剂喷雾器对初始形成的纤维喷雾上油剂，收集器上上油后的纤维随着收集器的运动，通过干燥装置干燥，操作过程中控制喷雾流量、收集器速度及干燥温度、时间匹配，最后将上油后的纤维收集。所述的上油剂是通常的纺丝用油剂配置的质量浓度不高于4％-5％的油剂稀溶液，喷雾流量不大于100ml/min，多喷丝头时喷雾流量不大于100ml/min每喷丝头，控制收集器表面与喷雾器的相对线速度在3～15m/s，表面的干燥温度控制在20℃-80℃。
上述的纺丝用油剂，可以采用油溶性油剂，以挥发性有机溶剂，如酒精、丙酮等为溶剂配置油剂溶液，其质量浓度不高于5％，浓度最好为0.3％～1％；也可以采用水溶性油剂，以水为溶剂配置油剂溶液，其质量浓度不高于4％，最好不高于1.0％。所述的油溶性油剂包括：有机或无机硅油、磺化油等，所述的水溶性油剂包括：有机或无机硅油乳液、磺化油乳液、聚乙烯乳液、氟化物乳液。在油剂溶液中还可以含有对纤维表面改性的功能性助剂，如抗菌剂、药剂、平滑柔软剂、抗静电剂。
所用的收集器为公知的接地电纺丝收集器，包括旋转鼓形、履带式、移动平板式等。收集器的线速度要与干燥速度匹配，收集器的线速度由纺丝的产量来决定，相对高的收集器线速度需要相对高的干燥速度。所用的干燥器为各种电热器，优选采用红外干燥器。
以下通过实施例对本发明详细公开，但是本发明不限于这些实施例。
实施例1：在包括喷丝头、滚筒式收集器的电纺丝装置上，位于滚筒收集器收集纤维的初始位置有一油剂喷雾器，喷雾器距离收集滚筒的距离为8cm，位于滚筒收集器纤维离开末端位置有一红外干燥器，喷丝头距离收集器的距离为14cm，聚合物溶液为聚丙烯腈(PAN)/N，N-2二甲基甲酰胺(DMF)，PAN浓度为15％，由喷丝头喷出纺丝，滚筒收集器收集，纺丝电压为35kv，收集器表面线速度为8m/s，油剂喷雾器中油剂为二甲基硅油，溶剂为酒精配置成油剂溶液浓度为0.5％的稀溶液，喷雾器油剂溶液的喷出流量为20ml/min，对收集初始纤维上油剂，然后经过红外干燥器，干燥器功率为250W，距离收集器12cm，干燥后的纤维离开收集器，对纤维通过显微镜观察，每1000μm2视野中含有粘连点3-8个，经过预氧化后每1000μm2视野中含有粘连点4-9个，粘连现象明显改善(未经上油剂处理的纤维这两项通常为20-25和80-100)。
实施例2：装置及方法步骤同实施例1，其中改变聚合物溶液为聚丙烯腈(PAN)/N，N-2二甲基甲酰胺(DMF)，PAN浓度为13％，收集器表面线速度为8m/s，纺丝电压为35kv，喷丝器距离收集器的距离为16cm，红外干燥器功率为250W，距离收集器12cm。油剂为二甲基硅油，溶剂为酒精，油剂溶液浓度为1％。喷雾器中的液体流量为20ml/min。油剂喷雾器距离收集滚筒的距离为8cm。经喷雾上油的纤维通过显微镜观察，每1000μm2视野中含有粘连点3-8个，经过预氧化后每1000μm2视野中含有粘连点4-10个。
实施例3：装置及方法步骤同实施例1，其中改变聚合物溶液为聚丙烯腈(PAN)/N，N-2二甲基甲酰胺(DMF)，PAN浓度为15％，收集器表面线速度为8m/s，纺丝电压为35kv，喷丝器距离收集器的距离为14cm，红外干燥器功率为250W，距离收集器12cm。油剂为二甲基硅油，溶剂为酒精，油剂溶液浓度为0.3％。喷雾器中的液体流量为20ml/min。油剂喷雾器距离收集滚筒的距离为8cm。经喷雾上油的纤维通过显微镜观察，每1000μm2视野中含有粘连点5-10个，经过预氧化后每1000μm2视野中含有粘连点6-15个。
实施例4：装置及方法步骤同实施例1，其中改变聚合物溶液为聚丙烯腈(PAN)/N，N-2二甲基甲酰胺(DMF)，PAN浓度为15％，收集器表面线速度为10m/s，纺丝电压为35kv，喷丝器距离收集器的距离为14cm，红外干燥器功率为250W，距离收集器10cm。油剂为日本东工公司生产的硅油乳液型油剂DELION5700(商品名，日本东工公司生产的硅油乳液型油剂)，溶剂为水，油剂溶液浓度为0.7％。喷雾器中的液体流量为5ml/min。油剂喷雾器距离收集滚筒的距离为8cm。经喷雾上油的纤维通过显微镜观察，每1000μm2视野中含有粘连点3-9个，经过预氧化后每1000μm2视野中含有粘连点10-12个。
实施例5：装置及方法步骤同实施例1，其中改变聚合物溶液为聚丙烯腈(PAN)/N，N-2二甲基甲酰胺(DMF)，PAN浓度为13％，收集器表面线速度为10m/s，纺丝电压为35kv，喷丝器距离收集器的距离为16cm，红外干燥器功率为250W，距离收集器12cm。油剂为DELION5700，溶剂为水，油剂溶液浓度为0.7％。喷雾器中的液体流量为5ml/min。油剂喷雾器距离收集滚筒的距离为8cm。经喷雾上油的纤维通过显微镜观察，每1000μm2视野中含有粘连点4-8个，经过预氧化后每1000μm2视野中含有粘连点5-13个。
实施例6：
装置及方法步骤同实施例1，其中改变聚合物溶液为聚丙烯腈(PAN)/N，N-2二甲基甲酰胺(DMF)，PAN浓度为15％，收集器表面线速度为10m/s，纺丝电压为35kv，喷丝器距离收集器的距离为14cm，红外干燥器功率为250W，距离收集器10cm。油剂为DELION5700，溶剂为水，油剂溶液浓度为0.9％。喷雾器中的液体流量为5ml/min。油剂喷雾器距离收集滚筒的距离为8cm。经喷雾上油的纤维通过显微镜观察，每1000μm2视野中含有粘连点3-9个，经过预氧化后每1000μm2视野中含有粘连点9-15个。
实施例7：
装置及方法步骤同实施例1，其中改变聚合物溶液体系为聚己内脂/氯仿、N，N-2二甲基甲酰胺(DMF)，聚己内脂的浓度为8％，溶剂中氯仿和DMF的体积比为2∶1，收集器表面线速度为10m/s，纺丝电压为10kv，喷丝器距离收集器的距离为12cm，红外干燥器功率为250W，距离收集器10cm。油剂为抗菌剂SLM-04(广东省东莞市三联化学工业公司生产的广谱抗菌剂)，溶剂为水，油剂溶液浓度为0.9％。喷雾器中的液体流量为5ml/min。油剂喷雾器距离收集滚筒的距离为8cm。
实施例8：
装置及方法步骤同实施例1，其中改变聚合物溶液体系为L-型聚乳酸(PLLA)/氯仿/丙酮，PLLA的浓度为8％，溶剂中氯仿和丙酮的体积比为2∶1，收集器表面线速度为10m/s，纺丝电压为10kv，喷丝器距离收集器的距离为12cm，红外干燥器功率为250W，距离收集器10cm。油剂为抗菌药物盐酸四环素，溶剂为水，油剂溶液浓度为0.9％。喷雾器中的液体流量为5ml/min。油剂喷雾器距离收集滚筒的距离为8cm。
各实施例中的参数如下表：
| 实施例 | 聚合物溶液体系 | 油剂体系 | 收集器表面线速度(m/s) | 电压(kV) | 油剂流量(ml/min) | 喷丝器到收集器距离(cm) | 喷雾器到收集器距离(cm) | 红外干燥器到收集器距离(cm) |
| 1 | PAN(15％)/DMF | 二甲基硅油(0.5％)/酒精 | 8 | 35 | 20 | 14 | 8 | 12 |
| 2 | PAN(13％)/DMF | 二甲基硅油(1.0％)/酒精 | 8 | 35 | 20 | 16 | 8 | 12 |
| 3 | PAN(15％)/DMF | 二甲基硅油(0.3％)/酒精 | 8 | 35 | 20 | 14 | 8 | 12 |
| 4 | PAN(15％)/DMF | DELION(0.7％)/水 | 10 | 35 | 5 | 14 | 8 | 10 |
| 5 | PAN(13％)/DMF | DELION(0.7％)/水 | 10 | 35 | 5 | 16 | 8 | 12 |
| 6 | PAN(15％)/DMF | DELION(0.9％)/水 | 10 | 35 | 5 | 14 | 8 | 10 |
| 7 | 聚己内酯(8％)/(氯仿，DMF)氯仿与DMF比为2∶1 | 抗菌剂SLM-04(0.9％)/水 | 10 | 10 | 5 | 12 | 8 | 10 |
| 8 | L-PLLA(8％)/(氯仿，丙酮)氯仿与丙酮体积比为2∶1 | 盐酸四环素(0.9％)/水 | 10 | 10 | 5 | 12 | 8 | 10 |
Claims (6)
1.一种控制纤维粘连的静电纺丝方法，将配置的聚合物纺丝溶液，通过喷丝头喷出，由收集器接受形成纤维，其特征在于，在静电纺丝过程中，收集器接收的纤维首先经过设置在收集器始端的油剂喷雾器，把纺丝用油剂溶液喷雾涂于收集固化的初始纤维上，然后通过设置在收集器末端的红外干燥器，对上油后的纤维干燥，所述的油剂溶液中油剂的质量浓度不高于5％，喷雾流量不大于100ml/min，控制收集器表面与喷雾器的相对线速度在3～15m/s，红外干燥器对收集器表面温度控制在20℃-100℃。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的纺丝用油剂溶液是以硅油、磺化油做油剂，以酒精或丙酮为溶剂配置的油剂性油剂溶液，其中油剂质量浓度为0.3％～1％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的纺丝油剂溶液是以硅油乳液、磺化油乳液、聚乙烯乳液或氟化物乳液做油剂，以水为溶剂配置的水溶性油剂溶液，其质量浓度不高于1.0％。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的纺丝油剂溶液中含有抗菌剂、药剂、平滑柔软剂或抗静电剂功能改性剂。
5.一种控制纤维粘连的静电纺丝装置，包括有电极喷丝头和收集器，其特征在于，相对于收集器表面装有油剂喷雾器及红外干燥装置，其中喷雾器设置在收集器始端，对在收集器上初始形成的纤维喷雾上油剂，且喷嘴距收集器表面相对距离8-20cm，红外干燥装置位于收集器末端，对上油后离开收集器的纤维干燥，喷丝头、喷雾器、红外干燥装置之间的间隔距离不小于10cm，红外干燥装置与收集器的距离不小于20cm。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述的收集器为旋转鼓形、履带式、移动平板式接地电纺丝收集器。
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