CN102108603B - 高效制备纳米纤维织物的静电纺丝装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效制备纳米纤维织物的静电纺丝装置，该装置包括机架、收集装置和至少一组喷射发生装置，一组喷射发生装置包括两个可旋转电极辊，该两电极辊上下排布带有同向电荷，二者之间绕设有若干簧状电极丝，两电极辊中位于下方的电极辊浸泡于盛装有纺丝液的料槽中；收集装置包括一电极盘，该电极盘与簧状电极丝平行排布，该电极盘上设有导板，导板连接一卷绕辊；电极盘连接拖动轮，电极盘与拖动轮均与拖动电机连接。本设备生产纳米纤维无纺织物的效率可成倍提高，且可制成独特的纳米纤维织物。所形成的纳米纤维织物不仅柔韧性等性能优良，且制备方法较之现有技术简单，使成本大幅度降低。因此本发明专利具有很好的市场前景。

Description

高效制备纳米纤维织物的静电纺丝装置

技术领域

本发明涉及一种制备纳米纤维织物的静电纺丝的装置，具体涉及高效制备纳米纤维织物的静电纺丝装置。

背景技术

电纺丝装置一般包括高压电源、液体供给装置、喷射装置和收集装置等部分。高压电源向喷射装置提供几百到几万伏直流电压。在电场力作用下，喷射装置内的液体被拉出、分裂形成很细的射流“飞”向收集装置，射流在喷射过程中被固化、细化，最后成为纳米或微米尺度的纤维丝。收集装置一般为接地或者接负电压的金属制的平板或者滚筒。

现阶段，为了大规模生产纳米纤维丝，本领域技术人员研制出一种静电纺丝装置，该发生装置不同于常规的喷头，而是无喷头的滚筒体，该滚筒体接高压电源与接地的金属制收集装置形成电场，当该滚筒体上有高分子液体时，在适当的电场作用下，会进行静电纺丝并由收集装置接收而生产纳米纤维。此种静电纺丝设备纺出的纳米纤维丝，具有很好的商品价值。此装置存在诸多缺陷，（1）这些装置均是基于收集装置与发生装置之间形成高压电场来进行纳米纤维的纺丝和接收的，这就需要收集装置是金属的或与金属相联系的，而这就限制了对电纺纳米纤维进行多样性收集和后加工。（2）该装置还必须设置有真空源，该装置的接收表面为透气性表面，利用该真空源将纺丝发生装置和收集装置之间的部分空气抽走，以保证纺丝液喷出后至收集装置表面形成纤维。（3）此装置的另一个问题在于，其滚筒体表面为光滑材质或者是环形或斜形凸台，在旋转过程中，将纺丝液带起在电场作用下纺丝液向收集装置喷射，但是由于该滚筒表面是光滑，使得带起的纺丝液不均匀，造成收集装置收集的纤维丝不均匀，并不能完全形成均匀至密的纤维织物。该设备将发生装置表面进行了进一步处理，设置多种的凸起，如环状或横向设置的凸起和均匀分布的小凸起，但是此种改进只能实现纺丝液喷射量的增加，并不能根本改进纤维织物的均匀性问题，纤维织物不均匀会直接影响织物的强度等性能，严重的将影响其应用质量。（4）此装置虽然可以提升纺丝量，与原有技术相比，效率有所提高，但是提高度不够，仍不能满足现有市场对纺织物的需求。（5）此装置只可纺织单一品种的纳米纤维织物，对于目前市场流行的混纺或夹层织物的纺织则不能实现。

为此，寻求一种既能方便收集又能宏量制备纳米纤维织物且可以保证织物质量，又可以实现纺织品多样化的设备是一个迫待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于弥补现有技术的缺陷，提供一种方便且可宏量制备纳米织物的设备。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

一种高效制备纳米纤维织物的静电纺丝装置，该装置包括机架、收集装置和至少一组喷射发生装置，所述一组喷射发生装置包括两个可旋转电极辊，该两电极辊上下排布，二者之间绕设有若干簧状电极丝，所述两电极辊中位于下方的电极辊浸泡于盛装有纺丝液的料槽中；所述收集装置包括一电极盘，该电极盘与簧状电极丝平行排布，该电极盘上设有导板，导板连接一卷绕辊；电极盘连接拖动轮，电极盘与拖动轮均与拖动电机连接。

所述纺丝液与所述电极盘之间带有异向电压，电压差是大于零小于50kV。或者所述纺丝液带有正向或负向电压，电极盘接地，二者之间的电压差是大于零小于50kV。所带电压在0～±50kV范围内最佳，配合上述参数进行纺丝，效率最高。

所述喷射发生装置为两组，位于电极盘两侧并相对设置。

所述电极盘在拖动轮的带动下顺时针或逆时针旋转，旋转速度为1～10r/min。所述两电极辊同方向旋转带动簧状电极丝朝旋转方向运动，旋转速度为1～10r/min。当转速过低，低于1 r/min时，纺丝液难以形成喷射细流，致使纺丝效果降低；当转速过快，大于10r/min时，对提高效率影响不大反而浪费能源，因此在该范围内纺丝效率和纺织物质量最佳。

所述簧状电极丝为弹簧状螺旋结构，螺距大于1mm，发明人经过试验发现，只要是螺旋结构，可以不具体限定螺距，即可实现均匀纺丝，因为螺旋结构是连续互通的，纺丝液在螺旋结构中可以连续运动，无间断。但是当螺距小于1mm电极辊旋转时纺丝液很难形成喷射细流，致使纺丝效果降低。

还包括单向吹风装置设置于喷射发生装置一侧，向电极盘吹风。本发明技术方案可以另外设置吹风装置，该吹风装置的设置结合上述各参数，不仅可以增加效率，还可另聚合物溶液尽快蒸发，到达接收装置时立刻形成纺织物。发明人对风速无具体限定，但风速不宜过大，本领域常规功率的风扇都可实现。

所述电极辊距电极盘之间的距离为5～25cm。

所述喷丝装置浸泡于盛装有喷丝液的料槽中，喷丝装置表面接触喷丝液即可。所述电极辊可以为绝缘材料制成。

使用时，在电极辊与电极盘之间通有极性相反的高电压，在料槽中盛有聚合物溶液，两电极辊以一定的速度转动，下方电极辊转动，浸入纺丝液中的部分带有纺丝液，由簧状电极丝带起纺丝液，在电场作用下向电极盘运动，实现静电纺丝，形成的纳米或微米级的纺丝落在收集装置的收集表面上，可形成无纺材料。

本发明的优点与效益：

（1）本发明所述的高效制备纳米纤维织物的静电纺丝装置，电极盘位于喷射发生装置之间。这种装置一改现有技术的喷丝装置与收集装置对应构成纺丝电场的惯用结构，设在两电极辊之间的簧状电极丝带起纺丝液，在电场作用下纺丝液向电极盘运动，此种结构与原有单一电极与收集装置之间形成电场相比较，纺丝效率大幅提高，螺旋结构可以大幅提高纺丝效率。最重要的是可以提高纺丝质量，纺织物均匀致密连续。本发明可以设置多组喷丝装置，层叠摆放，进一步增加纺丝效率。

（2）另外，本发明的改进使得收集装置突破现有技术中只能用金属材料制作的束缚，而既可以采用金属材质，也可以采用非金属材质制作，由此扩大了收集装置的种类，而不同种类的收集装置可以得到不同的纺丝收集类型，为对收集的纺丝后加工的多样化提供了可能。经过试验可知，使用本发明提供的纺丝装置不仅不会影响纺丝状态，而且收集到的产物还可以是纳米纤维无纺布。

（3）所用的发生装置改喷头为电极辊，轴线方向的长度构成喷丝的范围，由此，可以大大增加喷丝面积，而且，电极辊表面套设有若干条簧状电极丝，纺丝液在簧状电极丝上连续流动，使得纺丝液在飞射至收集装置的过程连续不间断，收集到的纺织物厚度结构均匀，大幅提高了纺织物的质量。

（4）两个喷丝装置的设置，可以喷射不同聚合物溶液，可以实现混纺或者夹层织物的纺织，适应了市场的需要。

附图说明

图1为本发明实施例1结构示意图；

图2为本发明实施例2结构示意图；

图3为实施例1电纺纤维无纺布成品及其形貌结构图；

图4为实施例2制备电纺纤维无纺布成品形貌图及纤维结构图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种高效制备纳米纤维织物的静电纺丝装置，该装置包括机架、收集装置和至少一组喷射发生装置，所述一组喷射发生装置包括两个可旋转电极辊2，二者之间绕设有若干簧状电极丝6，两电极辊2中位于下方的电极辊2浸泡于盛装有纺丝液的料槽7中，所述纺丝液带有正电荷；收集装置包括一电极盘3，该电极盘3与簧状电极丝6平行排布，该电极盘3上设有导板4，导板4连接一卷绕辊8；电极盘3连接拖动轮5，电极盘3与拖动轮5均与拖动电机1连接。

纺丝液与电极盘3之间带有异向电压，电压差40kV。电极盘3在拖动轮5的带动下顺时针旋转，旋转速度为10r/min。两电极辊2同方向旋转带动簧状电极丝6朝旋转方向运动，旋转速度为10r/min。所述簧状电极丝6为弹簧状螺旋结构，螺距为2mm。所述电极辊2距电极盘3之间的距离为25cm。所述纺丝液被簧状电极丝带起由于其与电极盘带有异向电压，纺丝液朝向电极盘方向射出。

纺丝液为：把质量分数为6%的聚乳酸（PLA）溶于二氯甲烷和N,N-二甲基甲酰胺的混合溶剂中，其体积比为3:2，用磁力搅拌器搅拌5小时后，分别在两料槽中加入适量，开始进行纺丝，可以得到宽幅纳米纤维无纺布。生产量为3.4克/分钟以上，纤维直径为100～800nm。本实施例制备产品质量符合国家标准，且适于大批量生产。

实施例2

如图2所示，所述纺丝液连接正电压（也可以为负电压），电极盘3接地，二者之间的电压差是30kV。所述喷射发生装置为两组，位于电极盘两侧并相对设置。

电极盘3在拖动轮5的带动下顺时针旋转，旋转速度为3r/min。两电极辊2同方向旋转带动簧状电极丝6朝旋转方向运动，旋转速度为3r/min。所述簧状电极丝6为弹簧状螺旋结构，螺距为3mm。所述电极辊2距电极盘3之间的距离为5cm。

还包括单向吹风装置10设置于喷射发生装置一侧，向电极盘吹风。

纺丝液为：把质量分数为15%的PET溶于三氟乙酸和二氯甲烷混合溶剂中，其体积比为3：2，用磁力搅拌器搅拌6小时后，分别在两料槽中加入适量，开始进行纺丝，可以得到宽幅纳米级纤维无纺布。生产量为3.8克/分钟以上，纤维直径为100～500nm。

本发明制备的纤维无纺布均匀至密，质量符合国家标准，且生产量大。

实施例3

如图1所示，一种高效制备纳米纤维织物的静电纺丝装置，该装置包括机架、收集装置和至少一组喷射发生装置，所述一组喷射发生装置包括两个可旋转电极辊2，两电极辊带有同向正电荷，二者之间绕设有若干簧状电极丝6，两电极辊2中位于下方的电极辊2浸泡于盛装有纺丝液的料槽7中，所述纺丝液带有正电荷；收集装置包括一电极盘3，该电极盘3与簧状电极丝6平行排布，该电极盘3上设有导板4，导板4连接一卷绕辊8；电极盘3连接拖动轮5，电极盘3与拖动轮5均与拖动电机1连接。

所述电极辊2与电极盘3之间带有异向电压，电压差是大于零小于50kV（45kv）。电极盘3在拖动轮5的带动下顺时针旋转，旋转速度为5r/min。两电极辊2同方向旋转带动簧状电极丝6朝旋转方向运动，旋转速度为5r/min。所述簧状电极丝6为弹簧状螺旋结构，螺距为2mm。所述电极辊2距电极盘3之间的距离为15cm。所述纺丝液被簧状电极丝带起，由于所述电极辊与电极盘带有异向电压，纺丝液同样携带电荷并朝电极盘方向射出。

纺丝液为：把质量分数为6%的聚乳酸（PLA）溶于二氯甲烷和N,N-二甲基甲酰胺的混合溶剂中，其体积比为3:2，用磁力搅拌器搅拌5小时后，分别在两料槽中加入适量，开始进行纺丝，可以得到宽幅纳米纤维无纺布。生产量为3.6克/分钟以上，纤维直径为100～800nm。

本发明制备的纤维无纺布均匀至密，符合国家标准。图3为本实施例制备的纳米级纤维无纺布的数码照片。可以看出，本发明制备的纤维无纺布均匀至密。

实施例4

如图2所示，所述两电极辊连接正电压（也可以为负电压），电极盘3接地，二者之间的电压差是大于零小于50kV（30kV）。所述喷射发生装置为两组，位于电极盘两侧并相对设置。

还包括单向吹风装置10设置于喷射发生装置一侧，向电极盘吹风。

纺丝液为：把质量分数为15%的PET溶于三氟乙酸和二氯甲烷混合溶剂中，其体积比为3：2，用磁力搅拌器搅拌6小时后，分别在两料槽中加入适量，开始进行纺丝，可以得到宽幅纳米级纤维无纺布。生产量为3.3克/分钟以上，纤维直径为100～800nm。

图4为本实施例制备的PET纳米级纤维无纺布的数码照片和扫描电镜照片。可以看出，本发明制备的纤维无纺布均匀至密。

Claims (2)

1.一种高效制备纳米纤维织物的静电纺丝装置，其特征在于，该装置包括机架、收集装置和两组喷射发生装置，所述每组喷射发生装置包括两个可旋转电极辊，该两电极辊上下排布，二者之间绕设有若干簧状电极丝，所述两电极辊中位于下方的电极辊浸泡于盛装有纺丝液的料槽中；所述收集装置包括一电极盘，该电极盘与簧状电极丝平行排布，该电极盘上设有导板，导板连接一卷绕辊；电极盘连接拖动轮，电极盘与拖动轮均与拖动电机连接；所述两组喷射发生装置位于电极盘两侧并相对设置。

2.根据权利要求1所述的高效制备纳米纤维织物的静电纺丝装置，其特征在于，所述纺丝液与所述电极盘之间带有异向电压，电压差是大于零小于50kV。

3．根据权利要求1所述的高效制备纳米纤维织物的静电纺丝装置，其特征在于，所述纺丝液带有正向或负向电压，电极盘接地，二者之间的电压差是大于零小于50kV。

4．根据权利要求3所述的高效制备纳米纤维织物的静电纺丝装置，其特征在于，所述电极盘在拖动轮的带动下顺时针或逆时针旋转，旋转速度为1～10r/min。

5．根据权利要求4所述的高效制备纳米纤维织物的静电纺丝装置，其特征在于，所述两电极辊同方向旋转带动簧状电极丝朝旋转方向运动，旋转速度为1～10r/min。

6．根据权利要求5所述的高效制备纳米纤维织物的静电纺丝装置，其特征在于，所述簧状电极丝为弹簧状螺旋结构，螺距大于1mm。

7．根据权利要求6所述的高效制备纳米纤维织物的静电纺丝装置，其特征在于，所述电极辊距电极盘之间的距离为5～25cm。

8．根据权利要求7所述的高效制备纳米纤维织物的静电纺丝装置，其特征在于，还包括单向吹风装置设置于喷射发生装置一侧，向电极盘吹风。 

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