CN102071484B - 高压静电梭纳米纺丝装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高压静电梭纳米纺丝装置，由箱体、储料罐、阀门、静电梭、供料管、回料管、溢料回收罐、电恒温器、金属支架、接收装置、接收底物、高压静电发生器组成。静电梭包括梭套和梭芯，梭芯是由储液腔、静电梭口、金属高压电极构成。本发明通过静电梭的建立，形成封闭式纺丝体系，无溶剂挥发；由于电恒温器的存在，本体系不受环境(温度/湿度)影响；通过调换梭芯尺寸和调整电压，纳米纤维直径可调，无纺布幅宽可任意选择；另外，这个静电梭口纺丝装置采用压差式供料和插件式组装，具有易清洗、低能耗、低成本、安全可靠、操作简便、环境友好等优点，采用多个静电梭口串联以及并联，可用于实验室、中试以及工业化生产。

Description

高压静电梭纳米纺丝装置
技术领域
本发明属于静电纺丝技术领域，具体涉及一种高压静电梭口纳米纺丝装置。
背景技术
静电纺丝技术是非牛顿流体在高压静电场下产生射流，形成微米乃至纳米纤维的一种技术，它是可以用来制备有机、无机以及复合纳米纤维的最直接方法。由于电纺纳米纤维在过滤、医药、环境、组织工程、器件、催化以及军事等诸多领域都有着良好的应用前景，因此有关电纺丝设备的研究在最近成为了全球学者的热点问题之一。
目前，批量化生产纳米纤维的电纺丝设备主要有三种形式：多喷头式、多管式以及辊式电纺丝法。多喷头式是将纺丝针尖进行组合，其喷射效率为0.1～1.0g/h，其缺点是生产效率低，经常出现静电干扰，纳米纤维直径均一性难以保持，喷头结构复杂易堵塞，不适合于大批量工业化生产。多管式同样具有纺丝效率低等问题。辊式静电纺丝的代表是捷克“纳米蜘蛛”技术，其纺丝效率是1～5g/分，面积密度为0.1～5g/米2，纳米纤维直径在50～300nm范围内，幅宽可达1.5米。然而，它的电纺丝溶液是处于一个纺丝槽的敞开体系中，它易受环境的气流、温度和湿度影响，有着设备结构复杂，清洗繁琐，不易维护，成本和能耗高等问题。另外，该设备生产具有产品单一性，一台设备只能定向生产一种产品，这不仅使纳米纤维产品领域的发展受到了限制，也严重影响了其工业化应用进程。
发明内容
本发明的目的是提供一种静电梭口纳米纺丝装置，其不但克服“纳米蜘蛛”技术中存在的问题，而且具有高效、低能耗、低成本、不受环境(温度/湿度)影响的优良效果，发射力强，纺丝速率高，单位时间内形成的无纺布密度大，通过改换梭口尺寸、增加梭的数目、调整纺丝电压、采用多个静电梭口串联以及并联，可以改变纳米纤维直径和无纺布的幅宽，获得面密度可调、幅宽可调、纳米纤维直径可调的多种类型无纺布，使之适合于实验室、中试以及工业化生产。
如图1，本发明所述的高压静电梭纳米纺丝装置，由非导电体储料罐8、阀门9、非导电供料管10、静电梭、非导电回料管11、非导电体溢料回收罐14、管状金属支架12、金属接收装置62、接收底物61、高压静电发生器1组成；
静电梭包括非导电梭套21和梭芯两部分，梭芯通过管状金属支架12上端的支撑安装在梭套21的内部，梭芯的四周与梭套21间均留有空隙，梭芯包括非导电储液腔3和安装在其上端面的静电梭口4，静电梭口4的上边缘高于梭套21的上表面；在储液腔3的下方、梭套21的内底部设置安装有与管状金属支架12电连接的金属高压电极22；
在非导电体储料罐8具有进料口和出料口，在其出料口上安装有阀门9，非导电供料管10的一端与阀门9密闭连接，另一端伸入管状金属支架12的底端并密闭；管状金属支架12的底端同时与高压静电发生器的一端电连接，管状金属支架12的上端伸入到梭套21的内部并支撑储液腔3；
非导电回料管11安装在梭套21的底部，其下端置于溢料回收罐14内；
金属接收装置62位于静电梭口4的上方并与高压静电发生器的另一端电连接，接收底物61附着在金属接收装置62上。
装在储料罐8中的电纺丝溶液依靠压差(重力或外加压力)经出料口、阀门9、供料管10、管状金属支架12进入储液腔3内，管状金属支架12同时作为辅助电极对电纺丝液进行极化，电纺丝液在高压静电的作用下在静电梭口4的边缘发射细流并劈裂成纳米纤维，被吸附附着在金属接收板62的接收底物61上；通过阀门9的调节使储液腔3内电纺丝液的流入量与发射量基本相匹配，静电梭口4的溢出料流入梭套21中，经回料管11进入溢料回收罐14。梭套中的金属高压电极22用于纳米纤维走向的控制，其面积与梭套21的内底表面积相等或相接近。
非导电供料管和非导电出料管的材料是非金属高介电常数材料，它可以是玻璃、塑料、陶瓷等。管状金属支架12的长度为1～20cm，中空，为铜、铝、铁等各种金属材料。
金属接收装置62的形状可以是平板或圆辊，当是平板形状时，其接收面积是金属高压电极22面积的2倍以上。接收底物61可以是各种纸张、纱布、高分子无纺布、金属板等。
本发明所述的高压静电梭纳米纺丝装置，可以在敞开体系(无箱体)进行电纺丝，也可以将高压静电梭纳米纺丝装置置于一长方箱体15内进行电纺丝，长方箱体的体积大于1m3。同时在长方箱体的底部设置有电恒温器13，由电恒温器13控制长方箱体15内的温度和湿度。电恒温器13使箱体15内的温度在10～50℃范围内、湿度在10～60％RH范围内连续变化。
储料罐8的材料为玻璃、塑料、陶瓷、石材等，呈球形、圆筒、方形或其它异形。储料罐上方密闭安装有进料口，底部密闭安装有出料口，容量在0.01～1000L范围内。储料罐8的底部与静电梭口4的上边缘平行或高于其上边缘。
静电梭口4和储液腔3的材料为非金属高介电常数材料，可以是玻璃、塑料、陶瓷等。静电梭口4一般为狭缝结构，狭缝的宽度为0.05～30mm，长度为0.3～3000mm；储液腔3的体积在0.01～10L范围内。梭套21的体积是储液腔3体积的2～50倍，两者底部之间距离是在2～147mm范围内。
溢出料回收罐14的容量在0.01～1000L范围内。
当需要进行大型生产时，将几个梭口进行串联，其数目按幅宽要求增加；把几个串联好的梭口再进行并联，以增加生产效率。
附图说明
图1：本发明所述的静电梭纳米纺丝装置结构示意图；
其中各部件的名称为：高压静电发生器1、梭套21、金属高压电极22、储液腔3、静电梭口4、接收底物61、接收板62、发射端金属连线71、接收端金属连线72、储料罐8、阀门9、供料管10、回料管11、管状金属支架12、电恒温器13、溢料回收罐14、箱体15，纳米纤维5。
参照图1，在进行高压静电纺丝前，将高压静电发生器1(纺丝电压在0～160kV范围内连续可调)的一端与金属支架12通过发射端金属连线71连接，将高压静电发生器1的另一端与金属接收板62通过接收端金属连线72相连；打开电恒温装置13，使整个长方箱体15内温度和湿度达到设定要求，箱体15为塑料板和金属板构成的双层结构，其中金属板在外层，塑料板在内层，典型尺寸0.8(长)×0.8(宽)×1.6(高)米。
在塑料储料罐8中装入电纺丝液，储料罐8一般为直径任意的球形罐等。在储料罐8的上端开有加料口，下端开有出料口，出料口上密闭安装有阀门9，在阀门9的下端密闭安装有供料管10；供料管10与管状金属支架12(辅助电极)相连，供料罐8中的电纺丝液通过供料管10和管状金属支架12流入到塑料储液腔3内；储液腔3可以是任意形状、任意体积的密闭槽体，其通过管状金属支架的支撑安装在塑料梭套21内正中央，梭套21的形状与储液腔3形状保持一致，储液腔3是梭套21的等比例缩小，在梭套21与梭芯(包括储液腔3及静电梭口4)间均具有一定的空隙且无电接触，在储液腔3的上端面密闭安装有静电梭口4，静电梭口4的尺寸可随意设计调节；电纺丝液经过储液腔3到达静电梭口4的端面，调整高压静电发生器1的电压，使静电梭口4有射流出现并发生劈裂，即形成多条纳米纤维5，纳米纤维5落在接收底物61上；接收底物61附着在金属接收装置62上，接收底物61可以是各种纸张、纱布、高分子无纺布、金属板等。当需要进行大规模生产时，储液腔3和梭套21的长度均可以等比例加大，梭口数目可增至2个以上。
在纺丝初期没有喷射而由静电梭口4溢出的电纺丝溶液会流入梭套21，通过回料管11进入溢料回收罐14中(可为塑料球形结构)，进行回收重复利用。
各部件间均采用插件组装式连接，当改换电纺丝溶液种类时，部件可分解拆下进行清洗。
图2：在30kV下制得的PVP纳米纤维的扫描电镜照片；
图3：在40kV下制得的PVP纳米纤维的扫描电镜照片；
图4：在70kV下制得的PVP纳米纤维的扫描电镜照片。
具体实施方案
实施例1
将4g聚乙烯基吡珞烷酮(PVP，分子量：1,300,000)加入到96g乙醇中，在常温下利用磁搅拌溶解2小时，得到电纺丝液；然后将获得的电纺丝液加入到位于箱体15内的储料罐8中，调节电恒温器13使箱体15内的温度和湿度分别达25℃和30％RH，稳定20分钟。打开阀门9，让纺丝溶液通过供料管10和管状金属支架12流入到储液腔3中，静电梭口4为14mm(长)×0.5mm(宽)的狭缝，静电梭口4与不锈钢接收板62上聚丙烯无纺布接收底物61间的距离120mm。当有电纺丝液流出静电梭口4的边缘时，开启高压静电发生器1，慢慢调至30kV。此时，在静电梭口4有射流出现，并发生劈裂，在基底上有PVP纳米纤维无纺布形成，纺丝效率0.0114g/分钟，平均直径为350nm，面密度3.8g/m2，见图2。
实施例2
将4g聚乙烯基吡珞烷酮(PVP，分子量：1,300,000)加入到96g乙醇中，在常温下利用磁搅拌溶解2小时，得到电纺丝液；将获得的电纺丝液加入到箱体15内的储料罐8中。调制箱体内的温度和湿度分别达25℃和30％RH，稳定20分钟。打开阀门9，让纺丝溶液通过供料管10和管状金属支架12流入到储液腔3中，静电梭口4的尺寸为14mm(长)×0.5mm(宽)。梭口与接收板聚丙烯无纺布底物距离120mm。当有液体流出梭口边缘时，开启高压静电发生器1，慢慢调至40kV。此时，有射流出现，并发生劈裂，在基底上有PVP纳米纤维无纺布形成，纺丝效率0.035g/分钟，平均直径为380nm，面密度12g/m2，见图3。
实施例3
将4g聚乙烯基吡珞烷酮(PVP，分子量：1,300,000)加入到96g乙醇中，在常温下利用磁搅拌溶解2小时，得到电纺丝液；将获得的溶液加入到箱体15内的储料罐8中。调制箱体内的温度和湿度分别达25℃和30％RH，稳定20分钟。打开阀门9，让纺丝溶液通过供料管10和管状金属支架12流入到储液腔3中，静电梭口4的尺寸为14mm(长)×0.5mm(宽)。梭口与接收板聚丙烯无纺布底物距离380mm。当有液体流出梭口边缘时，开启高压静电发生器1，慢慢调至70kV。此时，有射流出现，并发生劈裂，在底物上有PVP纳米纤维无纺布形成，纺丝效率0.07g/分，平均直径为600nm，面密度26g/m2，见图4。

Claims (7)

1.一种高压静电梭纳米纺丝装置，其特征在于：
由非导电体储料罐(8)、阀门(9)、非导电供料管(10)、静电梭、非导电回料管(11)、非导电体溢料回收罐(14)、管状金属支架(12)、金属接收装置(62)、接收底物(61)、高压静电发生器(1)组成；
静电梭包括非导电体梭套(21)和梭芯两部分，梭芯通过管状金属支架(12)上端的支撑安装在梭套(21)的内部，梭芯的四周与梭套(21)间均留有空隙，梭芯包括非导电体储液腔(3)和安装在其上端面的静电梭口(4)，静电梭口(4)为一狭缝结构，其上边缘高于梭套(21)的上表面；在储液腔(3)的下方、梭套(21)的内底部安装有与管状金属支架(12)电连接的金属高压电极(22)；
在非导电体储料罐(8)具有进料口和出料口，在其出料口上安装有阀门(9)，非导电供料管(10)的一端与阀门(9)连接，另一端与管状金属支架(12)的底端连接；管状金属支架(12)的底端同时与高压静电发生器的一端电连接，其上端伸入到梭套(21)的内部支撑储液腔(3)；
非导电回料管(11)安装于梭套(21)的底部，其下端置于溢料回收罐(14)内；金属接收装置(62)位于静电梭口(4)的上方并与高压静电发生器的另一端电连接，接收底物(61)附着在金属接收装置(62)上。
2.如权利要求1所述的一种高压静电梭纳米纺丝装置，其特征在于：将高压静电梭纳米纺丝装置置于一长方箱体(15)内进行电纺丝。
3.如权利要求2所述的一种高压静电梭纳米纺丝装置，其特征在于：在长方箱体(15)的底部设置有电恒温器(13)，由电恒温器(13)控制长方箱体(15)内的温度和湿度。
4.如权利要求2所述的一种高压静电梭纳米纺丝装置，其特征在于：长方箱体(15)为塑料板和金属板构成的双层结构，其中金属板在外层，塑料板在内层。
5.如权利要求1所述的一种高压静电梭纳米纺丝装置，其特征在于：储料罐(8)的材料为玻璃、塑料或陶瓷，储料罐(8)的底部与静电梭口(4)的上边缘平行或高于其上边缘。
6.如权利要求1所述的一种高压静电梭纳米纺丝装置，其特征在于：金属接收装置(62)的形状是平板或圆辊。
7.如权利要求1所述的一种高压静电梭纳米纺丝装置，其特征在于：接收底物(61)是纸张、纱布、高分子无纺布或金属板。
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