CN102140701B - 制备纳米纤维毡的多孔喷头静电纺丝装置及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种制备纳米纤维毡的多孔喷头静电纺丝装置，该装置包括供液系统、螺旋管、旋转电机及接收装置；所述供液系统与螺旋管连接，所述旋转电机与螺旋管连接并控制螺旋管转速，所述螺旋管为中空结构，其管壁上设有若干通孔；所述螺旋管与接收装置分别连接异向电极，或螺旋管接正极或负极，接收装置接地。这种连续制备纳米纤维毡的新型静电纺丝装置，结构简单，生产效率高，可运用于纳米纤维的规模化生产。

Description

制备纳米纤维毡的多孔喷头静电纺丝装置及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种静电纺纺丝装置，特别是涉及一种制备纳米纤维毡的多孔喷头静电纺丝装置及其制备方法。

背景技术

静电纺丝技术作为近年发展起来的一项新技术，是制备纳米级纤维的重要方法。利用该方法能够得到直径为几十或几百纳米的纳米级纤维,形成的纤维膜重量轻、渗透性好、比表面积大、孔隙率高、内部孔隙的连通性好、容易与纳米级的化学物质或功能性物质相结合，这些优异的性能使纳米纤维广泛应用于国防、医药、化工和电子等许多领域。

目前市面上比较通用的静电纺丝设备主要由提供高压电场的静电发生器、微量注射泵、带毛细管的注射器及纤维接收装置4个部分组成。一般都是单喷头的静电纺丝装置，该装置虽然简单便捷，但是由于受静电纺丝条件及装置所限，得到纳米纤维产量很低，只能进行实验室基础性的研究，很难进行连续、大量的生产。为了提高静电纺丝效率，近年来国内外开发了很多的纺丝装置及纺丝方法。美国专利（US6616435B2、US6689374B2、US6713011B2、US674327B2）设计了多喷头连续静电纺丝装置。多喷头静电纺丝系统喷射的纳米纤维受相邻喷头的静电排斥影响，会导致纳米纤维飞散，影响溶剂挥发。因此喷头多排列稀疏，大大制约产量。中国专利（200810032247.6）设计了滚筒连续式静电纺丝装置。滚筒式的纺丝方法由于溶液暴露于空气当中，导致溶剂挥发，溶液参数不稳定性，得到的纤维性能不稳定。

发明内容

本发明的目的是提供一种静电纺丝装置，这种新型的纺丝装置制备纳米纤维毡，生产效率高，能够规模化生产，并且通过对装置的改进，可以减少纺丝液溶剂的挥发，保证纺丝液的稳定。

为了实现上述目的，本发明采用如下具体技术方案：

一种制备纳米纤维毡的多孔喷头静电纺丝装置，该装置包括供液系统、管状喷丝装置、旋转电机及接收装置；所述供液系统与管状喷丝装置连接，所述旋转电机与管状喷丝装置连接并控制管状喷丝装置转速，所述管状喷丝装置的管壁上设有若干通孔；所述管状喷丝装置与接收装置分别连接异向电极，或管状喷丝装置接正极或负极，接收装置接地。当溶液进入螺旋管内，在一定的离心力和电场下，能够喷射出来，形成纳米纤维。

所述供液系统包括溶解釜及计量泵，所述溶解釜与管状喷丝装置连接，其二者之间连接有计量泵。

所述接收装置为缠丝滚筒或传送带装置。

所述接收装置为传送带接收装置，传送带接收装置包括卷绕滚筒和退绕滚筒，所述两滚筒之间通过纤维接收带连接。

所述管状喷丝装置为螺旋管或直管。

所述螺旋管或直管的管径为3～8cm；所述管壁上通孔的孔径为0.3～1μm。发明人经实验证实，当管径低于3cm，通孔的孔径低于0.3μm时，纺丝液很难形成喷射细流，致使纺丝效果降低。

所述螺旋管的最外侧表面或直管表面与接收装置之间的距离15～50cm。所述管状喷丝装置的转速为20～80r/min。在距离小于15cm，转速低于20 r/min时，其纺丝效果与现有技术效果相比较略好，但效果不甚明显，当距离大于等于15cm，转速大于等于20r/min时，纺丝效率明显提高，与现有技术相比，提高至少30%，由于螺旋管结构的特殊设计，使得纺丝液溶剂挥发极小，纺丝过程中纺丝液性质稳定，纺丝质量也比现有技术大幅提高。

所述管状喷丝装置为导电的金属材质制成，具体可采用铜、铝或铁等导电金属。

一种利用上述静电纺丝装置连续制备纳米纤维毡的方法，其特征在于，具体步骤包括：

（1）  在溶解釜中配好聚合物纺丝溶液备用；

（2）  将管状喷丝装置与高压静电发生器的正极或负极连接，并施加静电压，接收装置接地；或管状喷丝装置与接收装置分别接异向电极；

（3）  开动旋转电机使管状喷丝装置转动；

（4）  启动计量泵，纺丝溶液从溶解釜中定量均匀进入管状喷丝装置，在离心力和电场的作用下，纺丝液从管状喷丝装置的通孔中喷射出来，形成纤维；

（5）  启动接收装置，均匀移动，连续接收纳米纤维毡。

所述管状喷丝装置与高压静电发生器的正极或负极连接，施加静电压为大于零小于50V。

所述的聚合物纺丝溶液是聚合物溶液和溶剂混合而成；所述聚合物溶液是聚酯类、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚氨酯、聚丙烯腈等聚合物溶液中的一种或两种以上的混合物。

所述的溶剂是三氟乙酸、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、二氯甲烷和水中的一种或多种。

所述螺旋管的转速为20～80r/min。低于20r/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80r/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。

所述的聚合物纺丝溶液是聚合物溶液和溶剂混合而成；所述聚合物溶液是聚酯类、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚氨酯、聚丙烯腈等聚合物溶液中的一种或两种以上的混合物。

所述的溶剂是三氟乙酸、二氯甲烷和水中的一种或多种。

本发明的有益效果：

（1）  该装置采用的供液系统，可以定量、均匀的将纺丝液分配到带电螺旋金属管中，能保证纺丝液的连续供应；

（2）  采用螺旋金属管状的纺丝装置，可以减少溶剂的挥发，维持溶液的稳定性；

（3）  螺旋金属管外侧的微孔使得溶液在离心力的作用下，被甩出，在高压静电场作用下容易克服溶液的表面张力，被拉伸变细成丝，形成的纤维量大；

（4）  螺旋管可根据需求定制合适的长度及直径，增加纺丝面积，提高产量；

（5）  本发明使溶液朝上喷，接收装置在上面的方法，使纺丝液不会滴到纤维毡上，不会影响纤维毡的质量；

（6）  采用传送带方式接收，可以制备连续的纳米纤维毡。

（7）  本发明制备的纤维毡确实可以达到纳米级，其纤维直径是200～800nm。

附图说明

图1制备纳米纤维毡的螺旋空心管状喷头静电纺丝装图；

图2 螺旋空心金属管结构图；

图3制备纳米纤维毡的直管状喷头静电纺丝装图。

具体实施方式

    下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不限于本发明的范围，此外应理解，在阅读本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明做各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

如图1及图2所示，一种制备纳米纤维毡的螺旋多孔喷头静电纺丝装置，该装置包括溶解釜1、计量泵2、螺旋管3、旋转电机4、卷绕滚筒7、退绕滚筒6，所述两滚筒之间通过纤维接收带5连接。所述溶解釜1与螺旋管3连接，其二者之间连接有计量泵2。所述旋转电机4与螺旋管3连接并控制螺旋管3转速，所述螺旋管3为中空结构，其管壁上设有若干均匀排布的通孔31；所述螺旋管3与高压静电发生器的正极连接，并施加静电压30V，纤维接收带接地；

所述螺旋管的管径为5cm；所述螺旋管上通孔的孔径为0.5μm，各通孔之间的距离为5cm。螺旋管的制备：中空的直管，其管壁上设有沿管中心轴均匀排布的通孔，然后将有通孔的一侧设定为外侧，均匀缠绕，从而制备成本发明的螺旋管，所述管径为直管的管径，所述螺旋管的螺距无具体限定，一般为5cm以上，5cm以下也可以，不会影响纤维毡的质量。

所述螺旋管的最外侧表面与接收装置之间的距离为30cm。

所述螺旋管为金属铜材质制成。

本实施例中使用螺旋喷头静电纺丝装置制备纳米纤维毡，具体实施包括以下步骤：

（1）在溶解釜中配好浓度适宜的聚合物纺丝溶液备用；聚合物纺丝溶液的制备：将聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET，特性粘数0.6～0.7）120g溶解于400ml的三氟乙酸和100ml的二氯甲烷的混合溶剂中。

（2）将螺旋管与高压静电发生器的正极连接，并施加静电压30v，纤维接收器接地；

（3）开动旋转电机使螺旋空心金属管以合适的转速转动；电机提供的转速为30r/min。

（4）启动计量泵，纺丝溶液从溶解釜中定量均匀地进入螺旋管，在离心力和电场的作用下，纺丝液从通孔中喷射出来，形成纤维；

（5）启动纤维接收装置，均匀移动，连续接收纳米纤维毡。

按照上述实施步骤得到纳米纤维毡，得到的纳米纤维均匀致密，质量符合国家标准，且直径约500～700nm，生产量为：3克/分钟以上。

实施例2

如图3所示，一种制备纳米纤维毡的螺旋多孔喷头静电纺丝装置，该装置包括溶解釜1、计量泵2、直管3’、旋转电机4、缠丝滚筒接收装置8。所述缠丝滚筒接收装置8可相对于直管3’位移；所述溶解釜1与直管3’连接，其二者之间连接有计量泵2。所述旋转电机4与直管3’连接并控制直管3’转速，所述直管3’为中空结构，其管壁上设有若干均匀排布的通孔31；所述直管3’与高压静电发生器的正极连接，并施加静电压+50v，缠丝滚筒接收装置8接负极，并施加静电压-50V；

所述直管3’的管径为3cm；所述管壁上通孔的孔径为1μm，各通孔之间的孔距为5cm。

所述直管3’外表面与接收装置之间的距离15cm。

所述直管3’为金属铝材质制成。

本实施例中使用上述静电纺丝装置制备纳米纤维毡，具体实施包括以下步骤：

（1）在溶解釜中配好浓度适宜的聚合物纺丝溶液备用；聚合物纺丝溶液的制备：将聚乙烯吡咯烷酮（PVP，Mn＝30000）300g溶解于1000ml去离子水中，加入适量的氯化钠，得到透明PVP纺丝溶液。

（2）将直管与高压静电发生器的正极连接，并施加静电压+50V，缠丝滚筒接收装置8接负极，并施加静电压-50V；其转速为10 ～20r/min，位移约为20cm～50cm。

（3）开动旋转电机使直管以合适的转速转动；电机提供的转速为50r/min。

（4）启动计量泵，纺丝溶液从溶解釜中定量均匀地进入直管，在离心力和电场的作用下，纺丝液从通孔中喷射出来，形成纤维；

（5）启动缠丝滚筒接收装置，均匀移动，连续接收纳米纤维毡。

按照上述实施步骤得到纳米纤维毡，得到的纳米纤维均匀致密，质量符合国家标准，且直径约200～500nm，生产量为：3.5克/分钟以上

实施例3

一种制备纳米纤维毡的螺旋多孔喷头静电纺丝装置，该装置包括溶解釜1、计量泵2、螺旋管3、旋转电机4、卷绕滚筒7、退绕滚筒6，所述两滚筒之间通过纤维接收带5连接。所述溶解釜1与螺旋管3连接，其二者之间连接有计量泵2。所述旋转电机4与螺旋管3连接并控制螺旋管3转速，所述螺旋管3为中空结构，其管壁上设有若干均匀排布的通孔31；所述螺旋管3与高压静电发生器的正极连接，并施加静电压+30v，纤维接收带接负极，并施加静电压-30v；

所述螺旋管的管径（直径）为8cm；所述螺旋管上通孔的孔径为0.3μm，各通孔之间的距离为8cm。

所述螺旋管的最外侧表面与接收装置之间的距离50cm。

所述螺旋管为金属铁材质制成。

本实施例中使用螺旋喷头静电纺丝装置制备纳米纤维毡，具体实施包括以下步骤：

（1）在溶解釜中配好浓度适宜的聚合物纺丝溶液备用；聚合物纺丝溶液的制备：聚丙烯腈（PAN）溶解于N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中，溶液的质量百分比浓度为10%，在室温下成稳定、均一的溶液，静置几分钟后。

（2）将螺旋管与高压静电发生器的正极连接，纤维接收器接负极，并各自施加电压30v；

（3）开动旋转电机使螺旋空心金属管以合适的转速转动；电机提供的转速为80r/min。

（4）启动计量泵，纺丝溶液从溶解釜中定量均匀地进入螺旋管，在离心力和电场的作用下，纺丝液从微孔中喷射出来，形成纤维；

（5）启动纤维接收装置，均匀移动，连续接收纳米纤维毡。

按照上述实施步骤得到纳米纤维毡，得到的纳米纤维均匀致密，质量符合国家标准，且直径约600～800nm，生产量为：3克/分钟以上。

Claims (10)

1.一种制备纳米纤维毡的多孔喷头静电纺丝装置，其特征在于，该装置包括供液系统、管状喷丝装置、旋转电机及接收装置，所述管状喷丝装置为螺旋管；所述供液系统与管状喷丝装置连接，所述旋转电机与管状喷丝装置连接并控制管状喷丝装置转速，所述管状喷丝装置的管壁上设有若干通孔，接收装置在管状喷丝装置的上面；所述螺旋管的管径为3～8cm，所述管壁上通孔的孔径为0.3～1μm，所述螺旋管的最外侧表面与接收装置之间的距离15～50cm；所述管状喷丝装置与接收装置分别连接异向电极，或管状喷丝装置接正极或负极，接收装置接地。

2.根据权利要求1所述的静电纺丝装置，其特征在于，所述供液系统包括溶解釜及计量泵，所述溶解釜与管状喷丝装置连接，其二者之间连接有计量泵。

3.根据权利要求1或2所述的静电纺丝装置，其特征在于，所述接收装置为缠丝滚筒或传送带装置。

4.根据权利要求3所述的静电纺丝装置，其特征在于，所述接收装置为传送带接收装置，传送带接收装置包括卷绕滚筒和退绕滚筒，所述两滚筒之间通过纤维接收带连接。

5.根据权利要求1所述的静电纺丝装置，其特征在于，所述管状喷丝装置为金属材质制成。

6.一种利用权利要求1所述静电纺丝装置连续制备纳米纤维毡的方法，其特征在于，具体步骤包括：

(1)在溶解釜中配好聚合物纺丝溶液备用；

(2)将管状喷丝装置与高压静电发生器的正极或负极连接，并施加静电压，接收装置接地；或管状喷丝装置与接收装置分别接异向电极；

(3)开动旋转电机使管状喷丝装置转动；

(4)启动计量泵，纺丝溶液从溶解釜中定量均匀进入管状喷丝装置，在离心力和电场的作用下，纺丝液从管状喷丝装置的通孔中喷射出来，形成纤维；

(5)启动接收装置，均匀移动，连续接收纳米纤维毡。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述管状喷丝装置与高压静电发生器的正极或负极连接，施加静电压为大于零小于50V。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述管状喷丝装置的转速为20～80r/min。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的聚合物纺丝溶液是聚合物溶液和溶剂混合而成；所述聚合物溶液是聚酯类、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚氨酯、聚丙烯腈聚合物溶液中的一种或两种以上的混合物。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述的溶剂是三氟乙酸、二氯甲烷、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)和水中的一种或多种。

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